密立根油滴

1、密立根油滴實驗,蘭州理工大學物理實中心,密立根油滴實驗,?密立根簡介,?實驗原理,?實驗內(nèi)容及操作步驟,?數(shù)據(jù)處理,?思考與討論,?注意事項,?歷史背景及意義,?實驗裝置,密立根簡介,密立根 (Bobert Andrew Millikan),美國物理學家。1868 年3月22日生于伊利諾伊州的莫里森，1953年12月19日卒于加利福尼亞薩迪納 。1893 年取得奧伯林大學碩士學位。1895年獲哥倫比亞大學博

2、士學位后留學歐洲。1896年回國任教于芝加哥大學。,1907 ～ 1913年間做了一連串實驗，用帶電油滴準確地測定電子的電荷值，還驗證了A.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程，取得了普朗克常數(shù)的精密數(shù)值。因在基本電荷和光電效應(yīng)方面的研究而獲得1923年諾貝爾物理學獎。1921年任加利福尼亞理工學院布里奇物理實驗室主任，并領(lǐng)導(dǎo)一批物理學家研究宇宙射線，其中最重要的成就是C.D.安德森在1932年發(fā)現(xiàn)正電子。,,歷史背景及意義,密立

3、根油滴實驗在近代物理學發(fā)展中占有非常重要的地位,該實驗清楚地證明了電荷的顆粒性,并確定了最小單位電荷的量值。開設(shè)這個實驗,不僅是為了掌握一種實驗方法,或驗證一下前人已經(jīng)驗證過的定律,更重要的是通過實驗使學生獨立思考,掌握一種發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的方法———通過本實驗發(fā)現(xiàn)電荷的顆粒特性,并確定電荷的最小值。,一個電子所帶的電荷量是現(xiàn)代物理學重要的基本常數(shù)之一。1897年湯姆遜測定了陰極射線的荷質(zhì)比，證實了陰極射線是帶電荷有質(zhì)量的離子，從而證實了電

4、子的存在。美國杰出的物理學家密立根，從1906年起就致力于細小油滴帶電量的測量，他用了11年時間，經(jīng)過多次重大改進，終于以上千個油滴的確鑿實驗數(shù)據(jù)得出基本電荷的電量e=(1.5924±0.0017)×10-19C，首先直接證實了電荷的量子性，即任何電量都是基本電荷的整數(shù)倍，這個基本電荷就是電子所帶的電荷，密立根因測出電子電荷及其他方面的貢獻，榮獲1923年度諾貝爾物理獎。,,實驗原理,?動態(tài)法測油滴帶電量（非平衡法）

5、,一個質(zhì)量為m、帶電量為q的油滴處在兩塊平行極板之間，在平行極板未加電壓時，油滴受重力作用而加速下降。由于空氣阻力的作用，下降一段距離后，油滴將作勻速運動，其速度為vg，這時重力與阻力平衡（空氣浮力忽略不計）。,根據(jù)斯托克斯定律，粘滯阻力為：,,這時有,,當在平行極板上加電壓U時，油滴處在場強為E的靜電場中，設(shè)電場力qE與重力相反，使油滴受電場力加速上升，由于空氣阻力作用，上升一段距離后，油滴所受的空氣阻力、重力與電場力達到平衡（空氣浮

6、力忽略不計），油滴將以勻速上升，此時速度為ve,則有：,,,所以帶電油滴的電量為：,為測定油滴所帶電荷q，除應(yīng)測出U、d 和速度vg、ve外，還需知油滴質(zhì)量m。由于空氣的懸浮和表面張力作用，可將油滴看作均勻的圓球，其質(zhì)量為：,,油滴的半徑為,實驗時取油滴勻速下降和勻速上升的距離相等，設(shè)都為l，測出油滴勻速下降的時間tg,勻速上升的時間為te,則,,,粘滯系數(shù)η的修正式:,式中，b為修正常數(shù)，p為空氣壓強，a為油滴半徑。,由以上公式聯(lián)立，

7、求得油滴帶電量為,?靜態(tài)法測油滴帶電量（平衡法）,調(diào)節(jié)平行板間的電壓，使油滴不動，ve=0，即te→∞,由式(10)可求得：,,上式即為靜態(tài)法測油滴電荷的公式，電壓U是恰好能夠使帶電油滴靜止在電場中所需電壓，我們稱它為平衡電壓。,為了求電子電荷e，在實驗中，要對多個不同的油滴進行測量，然后求這些油滴電量的最大公約數(shù)，此數(shù)就是基本電荷e的電量值。另外，也可以測量同一油滴所帶電荷的改變量△qi（可以用紫外線或放射源照射油滴，使它所帶電荷改變

8、），這時帶電油滴的電荷變化量△q應(yīng)近似為某一最小單位的整數(shù)倍，此最小單位即為基本電荷e。,,實驗裝置,實驗儀器用MOD-5型密立根油滴儀，它改變了從顯微鏡中觀察油滴的傳統(tǒng)方式，而用CCD攝像頭成像，將油滴在監(jiān)視器屏幕上顯示。視眼寬廣，觀測省力，免除眼睛疲勞，這是油滴儀的重大改進。,,實驗內(nèi)容及操作步驟,☆儀器調(diào)整,用噴霧器將油從油霧室旁的噴霧口噴入（噴一次即可），推上油霧孔擋板，以免空氣流動而使油滴亂漂移，微調(diào)測量顯微鏡的調(diào)焦手輪，這時

9、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，則叢監(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。,將儀器放平穩(wěn)，調(diào)整左右兩只調(diào)平螺栓，使水準泡指示水平，這時平行極板處于水平狀態(tài)。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，將分化板放正，目鏡頭要插到底。調(diào)節(jié)接目鏡，使分劃板刻線清晰。,☆練習測量,練

10、習控制油滴。如果用平衡法實驗噴入油滴后，在平行極板上加工作（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油滴為止。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)多次地進行練習，以掌握控制油滴的方法。,練習測量油滴運動的時間。任意選擇幾顆運動書速度快慢不同的油滴，用計時器測出它們下降一段距離所

11、用的時間。如此反復(fù)多練幾次，以掌握測量油滴運動時間的方法。,練習選擇油滴。要做好本實驗，很重要的一點是選擇合適的油滴。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，下降速度也比較多，下降速度也比較快時間不容易測準。油滴也不能選的太小，太小則布朗運動明顯。通?？梢赃x擇平衡電壓在200伏特以上，其大小和帶電量都比較合適。,☆正式測量,靜態(tài)（平衡）測量法 用平衡測量法測量油滴勻速下降一段距離l時要測量的有兩個量。一是平衡

12、電壓U，另一個是油滴勻速下降一段距離l所需要的時間tg。平衡電壓必須經(jīng)過仔細的調(diào)節(jié)，并將油滴置于分化板上某條橫線附近，以便準確判斷出這顆油滴是否平衡了。,測量油滴下降l所需要的時間tg時，為了在按動計時器時有所思想準備，應(yīng)先讓它下降一段距離后再測量時間。選定測量的一段距離l，應(yīng)該在平衡極板之間的中央部分，即視場中分劃的中央部分。若太靠近上極板，電場不均勻，會影響測量結(jié)果。太靠近下電極板，測量完時間后，油滴容易丟失，影響測量。一般取l=0

13、.200cm比較合適。,對同一顆油滴進行6—10次測量，而且每次測量都要重新調(diào)整平衡電壓。如果油滴逐漸變得模糊，要微調(diào)測量顯微鏡跟蹤油滴，勿使丟失。,測完一顆油滴后，將平衡電壓調(diào)為零，并打在“下落”檔，重新噴油，選擇油滴測量。本實驗中要對多個油滴進行測量。,（選做項目一）,用動態(tài)法測量油滴的電荷，求出電子電荷e 。,（選做項目二）,用改變油滴所帶電荷的方法,測量油滴電荷的改變量,求電子電荷e .,,? 調(diào)整儀器時，如要打開有機玻璃油霧

14、室，應(yīng)先將工作電壓選擇開關(guān)放在“下落”位置。,注 意 事 項,? 在噴油后，若視場中沒有發(fā)現(xiàn)油滴，可能有以下幾個原因：傳感線接觸不良；油滴孔被堵。處理方法：檢查線路；打開有機玻璃油霧室，利用脫脂棉擦拭小孔，或利用細絲（直徑小于0.4mm）捅一捅小孔。,? 噴油時，切忌頻繁噴油，要充分利用資源。,,? 測量時，要隨時調(diào)整工作電壓，若發(fā)現(xiàn)工作電壓有明顯改變，應(yīng)放棄測量，重新選擇油滴。,數(shù)據(jù)處理,1 “倒證法”,設(shè)實驗得到m個油

15、滴的帶電量分別為q1,q2,…..,qm,由于電荷的量子化特性，應(yīng)有qi=nie,此為一直線方程，n為自變量，q為因變量，e為斜率。因此m個油滴對應(yīng)的數(shù)據(jù)在n～q坐標系中將在同一條過原點的直線上，若找到滿足這一關(guān)系的曲線，就可用斜率求得e值。將e值的實驗值與公認值比較，求相對誤差。,,,,實驗值：,相對誤差：,,已知參數(shù)值,鐘油密度：,空氣粘滯系數(shù)：,重力加速度 ：,修正常數(shù) ：,大氣壓強：,平行極板間距 ：,油滴運動的距離：,2 “

16、最大公約數(shù)法”,此法需要大量的油滴數(shù)據(jù)，計算出各油滴的電荷后，求它們的最大公約數(shù)，即為基本電荷e值。此法是在不知道單位電荷的公認值的前提下，從對實驗數(shù)據(jù)的處理中獲得單位電荷的實驗值。這樣比較符合研究物理實驗的規(guī)律，而且此法在理論上容易讓學生接受。然而在實際處理中是件比較困難的事，第一必須測量大量的油滴數(shù)據(jù)，第二必須具備較好的數(shù)學功底，所以在實驗中不易實現(xiàn)。,3 “二維作圖法”,建立二維坐標，將所測的帶電油滴數(shù)據(jù)Qi標于縱坐標軸，并通過

17、這些點作平行于橫軸的直線。然后沿橫軸等間隔地描出若干個點，沿這些點作平行于縱軸的直線，于是在坐標上形成網(wǎng)格，橫縱直線的交點稱為節(jié)點，用一條過原點且與縱軸重合的直線按順時針方向掃，當恰好在某一位置使得線上的節(jié)點最多，則這條直線剛好滿足直線方程Qi=nie，而此線的斜率即為基本電荷電量的實驗值e。,,思考與討論,1、如何判斷油滴盒內(nèi)兩平行極板是否水平？如果不水平對實驗有何影響？,2、為什么向油霧室噴油時，一定要使電容器的兩平行極板短路？這時