密立根油滴实验报告.docx
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密立根油滴实验报告
近代物理实验陈述之五兆芳芳创作
密立根油滴实验
学院数理与信息工程学院
班级物理
姓名
学号
时间2013年12月9日
密立根油滴实验
【摘要】
本实验我们按照密立根油滴实验原理，引进了CCD摄像技巧，从监督器上不雅察油滴运动，测定了油滴带电量
，并运用差值法处理了相应数据，得出了元电荷e的值，验证了电荷的量子性，同时也了解了密立根巧妙的设计思想，进一步提高了实验技巧.
【关头词】油滴；平衡态；非平衡态；电荷大小
【引言】
1917年密立根设计并完成了密立根油滴实验，其重要意义在于它直接地显示出了电量的量子化，并最早测定了电量的最小单位——根本电荷电量
，即电子所带电量.这一成就大大促进了人们对电和物质结构的研究和认识.油滴实验中将微不雅量丈量转化为宏不雅量丈量的巧妙设想和精确构想，以及用比较复杂的仪器，测得比较精确而稳定的结果等都是富有创造性的.由于上述任务，密立根取得了1923年度诺贝尔物理学奖.密立根的实验装置随着技巧的进步而得到了不竭的改良，但其实验原理至今仍在当代物理科学研究的前沿阐扬着作用，例如，科学界用类似的办法测定出根本粒子——夸克的电量.
【实验计划】
一、实验原理
1、静态（平衡）丈量法
用喷雾器将油滴喷入两块相距为d的平行极板之间.油在喷射撕裂成油滴时，一般都是带电的.设油滴的质量为m，所带的电量为q，两极板间的电压为V，如图1所示.
图1
如果调节两极板间的电压V，可使两力达到平衡，这时：
（1）
为了测出油滴所带的电量q，除了需测定平衡电压V和极板间距离d外，还需要丈量油滴的质量m.因m很小，需用如下特殊办法测定：
平行极板不加电压时，油滴受重力作用而加快下降，由于空气阻力的作用，下降一段距离达到某一速度
后，阻力
与重力mg平衡，如图2所示（空气浮力疏忽不计），油滴将匀速下降.此时有：
（2）
其中
是空气的粘滞系数，是
油滴的半径.经过变换及修正，可得斯托克斯定律：
（3）
其中b是修正常数，b=6.17×10-6m·cmHg,p为大气压强，单位为厘米汞高.
图2
至于油滴匀速下降的速度
，可用下法测出：
当两极板间的电压V为零时,设油滴匀速下降的距离为
，时间为t，则
（4）
最后得到理论公式：
（5）
2、动态（非平衡）丈量法
非平衡丈量法例是在平行极板上加以适当的电压V，但其实不调节V使静电力和重力达到平衡，而是使油滴受静电力作用加快上升.由于空气阻力的作用，上升一段距离达到某一速度υ后，空气阻力、重力与静电力达到平衡（空气浮力疏忽不计），油滴将匀速上升，如图3所示.这时：
（6）
图3
当去掉平行极板上所加的电压V后，油滴受重力作用而加快下降.当空气阻力和重力平衡时，油滴将以匀速υ下降，这时：
（7）
化简，并把平衡法中油滴的质量代入，得理论公式：
（8）
二、实验仪器
按照实验原理，实验仪器——密立根油滴仪，应包含水平放置的平行极板（油滴盒），调平装置，照明装置，显微镜，电源，计时器（数字毫秒计），改动油滴带电量从q变到q′的装置，实验油，喷雾器等.MOD－5型密立根油滴仪的根本外形和具体结构示于图4.
三、实验步调
将仪器放平稳，调节仪器底部左右两只调平螺丝，使水准泡指示水平，这时平行极板处于水平位置.预热10分钟，利用预热时间从丈量显微镜中不雅察，如果分划板位置不正，则转动目镜头，将分划板放正，目镜头要插到底.调节接目镜，使分划板刻线清晰.
将油从油雾室旁的喷雾口喷入（喷一次便可），微调丈量显微镜的调焦手轮，这时视场中即出现大量清晰的油滴，如夜空繁星.
对MOD－5C型与CCD一体化的屏显油滴仪，则从监督器荧光屏上不雅察油滴的运动.如油滴斜向运动，则可转动显微镜上的圆形CCD，使油滴垂直标的目的运动.
（1）练习控制油滴如果用平衡法实验喷入油滴后，加任务（平衡）电压250伏特左右，任务电压选择开关置“平衡”档，驱走不需要的油滴，直到剩下几颗迟缓运动的为止.注视其中的某一颗，仔细调节平衡电压，使这颗油滴静止不动.然后去掉平衡电压，让它自由下降，下降一段距离后再加上“提升”电压，使油滴上升.如此频频多次地进行练习.
（2）练习丈量油滴运动的时间任意选择几颗运动速度快慢不合的油滴，用计时器测出它们下降一段距离所需要的时间.或加上一定的电压，测出它们上升一段距离所需要的时间.如此频频多练几回.
（3）练习选择油滴选的油滴体积不克不及太大，太大的油滴虽然比较亮，但一般带的电量比较多，下降速度也比较快，时间不容易测准确.若油滴太小则布朗运动明显.通常可以选择平衡电压在200到300伏特间，在8-30s左右时间内匀速下降1.5mm的油滴，其大小和带电量都比较适合.
（4）练习改动油滴的带电量对MOD－5B、5BC、5BCC型密立根油滴仪，可以改动油滴的带电量.按下汞灯按钮，低压汞灯亮，约5s，油滴的运动速度产生改动，这时油滴的带电量已经改动了.
（1）静态（平衡）丈量法
用平衡丈量法时要丈量的有两个量，一个是平衡电压V，另一个是油滴匀速下降一段距离所需要的时间tg.仔细调节“平衡电压”旋钮，使油滴置于分划板上某条横线邻近，以便准确判断出这颗油滴是否平衡了.
当油滴处于平衡位置，选定丈量的一段距离（取l=1.5mm），然后把开关拨向“下降”，使油滴自由下落.
丈量油滴匀速下降经过选定丈量距离所需要的时间te，为了在按动计时器时有思想准备，应先让它下降一段距离后再丈量时间.
丈量完一次后，应把开关拨向“平衡”，做好记实后，再拨向“提升”，加大电场使油滴回到原来高度，为下次丈量做好准备.
对同一颗油滴应进行6次丈量，并且每次丈量都要重新调整平衡电压.用同样的的办法对5颗油滴进行丈量.
（2）动态（非平衡）丈量法
用动态丈量法实验时要丈量的量有三个：
上升电压、油滴匀速下降和上升一段距离所需的时间tg、te.
选定丈量的一段距离（取l=1.5mm），应该在平衡极板之间的中央部分，然后把开关拨向“下降”，使油滴自由下落.
丈量油滴匀速下降经过选定丈量距离所需要的时间tg，为了在按动计时器时有思想准备，应先让它下降一段距离后再丈量时间.
测完tg把开关拨向“平衡”，做好记实后，再拨向“提升”，使油滴匀速上升经过原选定的丈量距离，测出所需时间te.同样也应先让它上升一段距离后再丈量时间.（提升时间最好为1.5mm的时间为10s）
一共丈量3组.
【结果与讨论】
实验数据：
（1）静态（平衡）丈量法
油滴1
电压V
运动时间Tg
电荷量e*10^19
带电荷数n
元电荷e*10^19
304
11
306
10
317
11
310
10
307
10
平均元电荷
油滴2
电压V
运动时间Tg
电荷量e*10^19
带电荷数n
元电荷e*10^19
318
6
312
6
316
6
311
29
6
314
6
平均元电荷
油滴3
电压V
运动时间Tg
电荷量e*10^19
带电荷数n
元电荷e*10^19
197
11
198
11
195
11
192
11
195
11
平均元电荷
油滴4
电压V
运动时间Tg
电荷量e*10^19
带电荷数n
元电荷e*10^19
226
12
225
11
229
11
228
12
222
11
平均元电荷
油滴5
电压V
运动时间Tg
电荷量e*10^19
带电荷数n
元电荷e*10^19
236
13
238
12
238
11
237
12
237
12
平均元电荷
平衡法丈量最终平均元电荷为e=1.6118*10^-19C
（2）动态（非平衡）丈量法
油滴1
运动时间
T
电压V
T1
T4
电荷量e*10^19
带电荷数n
元电荷e*10^19
400
4
400
5
400
4
400
4
400
4
平均元电荷
油滴2
运动时间
T
电压V
T1
T4
电荷量e*10^19
带电荷数n
元电荷e*10^19
400
3
400
3
400
3
400
3
400
3
平均元电荷
油滴3
运动时间
T
电压V
T1
T4
电荷量e*10^19
带电荷数n
元电荷e*10^19
400
4
400
4
400
4
400
4
400
4
平均元电荷
非平衡法丈量最终平均元电荷为e=1.612*10^-19C
【结论与展望】
本实验利用电压、运动时间等这些可以直接丈量和控制的宏不雅物理量来实现对微不雅物理量电子电量的丈量.把宏不雅的电量通过油滴这个在宏不雅微小但在微不雅又较大的媒介与微不雅的电子电量联系起来.但是本次实验运用的是倒过去的验证法，误差较大.当然也可以利用油滴所带电量的可对比性，求出其条约数，从而得到电子电量的值效果更佳，同时也证明了电子电荷量的不连续性.且电压、运动时间丈量相对复杂，误差也较小.
【参考文献】
近代物理实验课本[M]．浙江师范大学数理信息学院近代物理实验室，2011
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