密立根油滴實驗報告

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1、近代物理實驗報告密立根油滴實驗學院數(shù)理與信息工程學院班級物理姓名學號時間2013年12月9日密立根油滴實驗【摘要】本實驗我們根據(jù)密立根油滴實驗原理，引進了CCD攝像技術(shù)，從監(jiān)視器上觀察油滴運動，測定了油滴帶電量，并運用差值法處理了相應(yīng)數(shù)據(jù)，得出了元電荷e的值，驗證了電荷的量子性，同時也了解了密立根巧妙的設(shè)計思想，進一步提高了實驗技能?！娟P(guān)鍵詞】油滴；平衡態(tài)；非平衡態(tài)；電荷大小【引言】1917年密立根設(shè)計并完成了密立根油滴實驗，其重要意義在于它直接地顯示出了電量的量子化，并最早測定了電量的最小單位——基本電荷電量，即電子所帶電量。這一成就大大促

2、進了人們對電和物質(zhì)結(jié)構(gòu)的研究和認識。油滴實驗中將微觀量測量轉(zhuǎn)化為宏觀量測量的巧妙設(shè)想和精確構(gòu)思，以及用比較簡單的儀器，測得比較精確而穩(wěn)定的結(jié)果等都是富有創(chuàng)造性的。由于上述工作，密立根獲得了1923年度諾貝爾物理學獎。密立根的實驗裝置隨著技術(shù)的進步而得到了不斷的改進，但其實驗原理至今仍在當代物理科學研究的前沿發(fā)揮著作用，例如，科學界用類似的方法測定出基本粒子——夸克的電量。【實驗方案】一、實驗原理1、靜態(tài)（平衡）測量法用噴霧器將油滴噴入兩塊相距為d的平行極板之間。油在噴射撕裂成油滴時，一般都是帶電的。設(shè)油滴的質(zhì)量為m，所帶的電量為q，兩極板間的

3、電壓為V，如圖1所示。圖1如果調(diào)節(jié)兩極板間的電壓V，可使兩力達到平衡，這時：(1)為了測出油滴所帶的電量q，除了需測定平衡電壓V和極板間距離d外，還需要測量油滴的質(zhì)量m。因m很小，需用如下特殊方法測定：平行極板不加電壓時，油滴受重力作用而加速下降，由于空氣阻力的作用，下降一段距離達到某一速度后，阻力與重力mg平衡，如圖2所示（空氣浮力忽略不計），油滴將勻速下降。此時有：(2)其中是空氣的粘滯系數(shù)，是油滴的半徑。經(jīng)過變換及修正，可得斯托克斯定律：(3)其中b是修正常數(shù)，b=6.17×10-6m·cmHg,p為大氣壓強，單位為厘米汞高。圖2至于油

4、滴勻速下降的速度，可用下法測出：當兩極板間的電壓V為零時,設(shè)油滴勻速下降的距離為，時間為t，則(4)最后得到理論公式：(5)2、動態(tài)（非平衡）測量法非平衡測量法則是在平行極板上加以適當?shù)碾妷篤，但并不調(diào)節(jié)V使靜電力和重力達到平衡，而是使油滴受靜電力作用加速上升。由于空氣阻力的作用，上升一段距離達到某一速度υ后，空氣阻力、重力與靜電力達到平衡（空氣浮力忽略不計），油滴將勻速上升，如圖3所示。這時：（6）圖3當去掉平行極板上所加的電壓V后，油滴受重力作用而加速下降。當空氣阻力和重力平衡時，油滴將以勻速υ下降，這時：（7）化簡，并把平衡法中油滴的質(zhì)

5、量代入，得理論公式：（8）二、實驗儀器根據(jù)實驗原理，實驗儀器——密立根油滴儀，應(yīng)包括水平放置的平行極板（油滴盒），調(diào)平裝置，照明裝置，顯微鏡，電源，計時器（數(shù)字毫秒計），改變油滴帶電量從q變到q′的裝置，實驗油，噴霧器等。MOD－5型密立根油滴儀的基本外形和具體結(jié)構(gòu)示于圖4。三、實驗步驟1.調(diào)整儀器將儀器放平穩(wěn)，調(diào)節(jié)儀器底部左右兩只調(diào)平螺絲，使水準泡指示水平，這時平行極板處于水平位置。預(yù)熱10分鐘，利用預(yù)熱時間從測量顯微鏡中觀察，如果分劃板位置不正，則轉(zhuǎn)動目鏡頭，將分劃板放正，目鏡頭要插到底。調(diào)節(jié)接目鏡，使分劃板刻線清晰。將油從油霧室旁的噴霧

6、口噴入（噴一次即可），微調(diào)測量顯微鏡的調(diào)焦手輪，這時視場中即出現(xiàn)大量清晰的油滴，如夜空繁星。對MOD－5C型與CCD一體化的屏顯油滴儀，則從監(jiān)視器熒光屏上觀察油滴的運動。如油滴斜向運動，則可轉(zhuǎn)動顯微鏡上的圓形CCD，使油滴垂直方向運動。2.練習測量（1）練習控制油滴如果用平衡法實驗噴入油滴后，加工作（平衡）電壓250伏特左右，工作電壓選擇開關(guān)置“平衡”檔，驅(qū)走不需要的油滴，直到剩下幾顆緩慢運動的為止。注視其中的某一顆，仔細調(diào)節(jié)平衡電壓，使這顆油滴靜止不動。然后去掉平衡電壓，讓它自由下降，下降一段距離后再加上“提升”電壓，使油滴上升。如此反復(fù)多

7、次地進行練習。（2）練習測量油滴運動的時間任意選擇幾顆運動速度快慢不同的油滴，用計時器測出它們下降一段距離所需要的時間?；蛘呒由弦欢ǖ碾妷海瑴y出它們上升一段距離所需要的時間。如此反復(fù)多練幾次。（3）練習選擇油滴選的油滴體積不能太大，太大的油滴雖然比較亮，但一般帶的電量比較多，下降速度也比較快，時間不容易測準確。若油滴太小則布朗運動明顯。通?？梢赃x擇平衡電壓在200到300伏特間，在8-30s左右時間內(nèi)勻速下降1.5mm的油滴，其大小和帶電量都比較合適。（4）練習改變油滴的帶電量對MOD－5B、5BC、5BCC型密立根油滴儀，可以改變油滴的帶電

8、量。按下汞燈按鈕，低壓汞燈亮，約5s，油滴的運動速度發(fā)生改變，這時油滴的帶電量已經(jīng)改變了。3.正式測量（1）靜態(tài)（平衡）測量法用平衡測量法時要測量的有兩個量，一個是