密立根油滴实验.doc

密立根油滴实验.doc

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广州大学学生实验报告

院（系）名称

班别

姓名

专业名称

学号

实验课程名称

实验项目名称

实验时间

实验地点

实验成绩

指导老师签名

内容包含：

实验目的、实验使用仪器与材料、实验步骤、实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）、实验结果与分析、实验心得

【实验目的】

密立根因测出电子电量及其他方面的贡献，荣获1923年度诺贝尔物理奖．从他的成功过程可看出，在科学探索中，只要具备了基本条件，思想方法正确，百折不挠地干下去，认识就能不断深化，并能最终获得成功。

本实验的目的，是通过亲自验证电荷的颗粒性，并在测定电子电量。

的过程中，学习密立根的物理思想、实验技术和坚韧不拔的科研精神。

1.通过对带电油滴在重力和静电场中运动的测量，验证电荷的不连续性，并测定电子的电荷值e。

2.通过实验对仪器的调整，油滴的选择耐心的跟踪和测量以及数据的处理等，培养严肃认真和一丝不苟的科学实验方法和态度。

【实验使用仪器与材料】

主要设备为油滴仪，其他设备有直流高压稳压电源、放射线装置、显微镜、照明灯、秒表、喷雾器等．

图1.3.2是油滴仪的剖面示意图，二块表面光滑的金属圆盘（4和6），用一厚度均匀的绝缘垫圈垫开成空气平行板电容器．在垫圈圆周的适当位置，分别开有照明窗口（5）和观测窗口（7）以及射线进入窗口等．照明窗口供外部照明灯光进人以照亮电容器内部的空间．观测窗口供显微镜观测板间油滴的运动．射线进人窗口供X射线、紫外线之类的射线进人，使电容器内的少量空气电离，以便改变油滴所带的电量．有的仪器在垫圈边沿放置了放射源，拨开挡片就可以让射线辐照板间空气．电容器的上板（4）中心钻有小孔，上板的上方有二块金属板，一块固定不动，一块可以滑动，中心也钻有小孔

（2），推拉滑动板（10），可使二板的小孔对齐或错开，这样既能让油滴便于进人电容器内，又能使电容器内的空气同外部空气隔开，避免外部空气的流动引起电容器内的空气也流动，破坏前面讨论的油滴简单受力产生的有规则运动．为了更好地防风，电容器放置在防风罩（3）之内．防风罩上侧开有喷油口（9），油雾从喷口喷人油雾室（l）后，通过小孔

（2）就可以进人电容器内．防风罩固定在底座（11）上，底座下有水平调节螺旋，可以调节它使电容器处于水平状态。

直流高压稳压电源会同外部接线，既可以调节板间电压的大小，又可以使二板短接，从而使板间场强一定为0．有的还可以改变二板极性，从而对带正电的油滴也能方便地测量．显微镜内至少应有二根水平的叉丝，物镜的焦距较长，焦深也就较大，避免油滴微微有一点前后位移就看不清楚。

【实验步骤】

注意:

实验时应安全用电和安全使用射线装置．

油滴仪的调整

（l）检查电路．检查接线正确后，接通电源让直流高压稳压器预热，但暂不跟电容器接通．

（2）调整电容器水平．拿下油滴仪顶盖（8），调节底座螺旋，使水准器显示电容器水平．

（3）粗调照明灯光．调节灯具使灯光从前侧照明窗口水平照向板间中心．

（4）粗调显微镜．调节显微镜使镜轴水平，并正对观测窗口，调节目镜使叉丝清楚，并使二根叉丝水平．

（5）仔细对显微镜调焦．推动滑板使它的小孔与电容器上板的小孔对齐，把比如细竹签之类的调焦针，从小孔中插到电容器内部，再一边从显微镜内观察，一边调节显微镜至窗口的距离，直到看清楚调焦针，根据针像二端的位置，调节显微镜的上下位置，使镜轴大致通过板间中心．

（6）仔细调节照明灯光．细调灯光俯仰，使针像上下一样亮，调节侧照程度，使针像边缘尽可能亮而背景尽可能暗，这对能否清楚看到油滴很重要．调好后拔出调焦针，盖上仪器顶盖．

（7）调好后观察到仪器内的现象．用喷雾器从喷油口向内急速喷人少量油雾（不要连续几下大量喷雾，不然小孔会被油堵塞）并及时从显微镜中观察，可看到：

刚喷雾时，因大量油滴对光的散射，板间亮度明显增大；几秒钟后，因大部分油滴已落去，板间散射光的油滴减少，板间变暗，这时看到的二板空间，很像是点点繁星的夜空，但和夜空又有不同，因油滴在下落，显微镜成的是倒像，看到的“星星”在不断向上移动，特别注意“星星”是在动的．这说明油滴仪已调整良好．

2．练习控制油滴和测量

为了测量不致于手忙脚乱而中途失败，先要进行练习：

（1）接通油滴仪电源．

（2）练习控制油滴．喷人少量油雾后，关闭小孔进行观察，利用手动或脚踏开关，一会儿加上电压，一会儿又撤去电压，从中选择一个视上升和视下降速度都适中的油滴进行练习．由加上或撤去电压的操作，做到让该油滴在二叉丝间，要它下就下，要它上就上，做到得心应手才好．注意不要让油滴离开二叉丝的外侧太远，不然就会粘到板上而消失．

（3）练习测量．能顺利控制油滴后就可练习测量．若用动态法，可先选一个较慢的油滴，一边控制住它，一边启动秒表，测量它通过那二根水平叉丝间的距离所用的时间Tg、Te,注意：

不必测完Tg立即就测Te,只要控制住它使它仍在你的视场之内就行，待你准备好了后再测行．你应该利用它做较慢的那种运动的期间去读表记录，以便回头还能再看到它并控制它．对它测了若干次后，最好停下来计算一下q，使你往后选择油滴更有目的．对较快的油滴也应练习一下．测量中如发现油滴逐渐变模糊，可用显微镜稍微调焦。

若用平衡法，测了Tg之后加上电压，把油滴引导到镜尺中央附近后，再调节电压v，使油滴悬浮在镜尺某一位置几乎不动，记下Tg和V．然后撤去电压，再测气，再测v，重复若干次后就可停下来计算q。

3．正式测量

喷人油雾后，通过加V撤V，选择出一粒中意油滴．该油滴经几次受控上下运动，待其他油滴因不同步而消失后，就可对之测量．

（1）如用动态法，可仿上面练习进行，测了若干次Tg、Te后，应该用射线改变它的电荷量继续测量．如果不能改变它的电量，可以重新喷雾寻找别的油滴测量．为了更好验证电荷的颗粒性，显然应选电量有小有大但又不太大的各种油滴测量，这就是前面说的要有目的挑选油滴．不要忘了测量前后应读下电压V、气压P、室温T.

（2）如用平衡法，同样应改变它的电量或挑选别的油滴继续测量．同样应有目的地挑选油滴，注意记下P、T.

【实验数据整理与归纳（数据、图表、计算等）】

第一组数据：

电压V（伏）

424

418

421

421

409

425

时间t（s）

9.38

9.43

9.60

9.46

9.18

9.58

q={（10.738+10.803+10.435+10.674+11.509+10.370）x10-19}/6=10.755x10-19库仑

电子数n=7

电荷量e=1.54x10-19库仑

第二组数据：

电压V（伏）

245

246

242

226

245

236

时间t（s）

9.27

9.24

9.63

9.61

9.57

9.65

q={（18.925+20.493+18.066+19.407+18.020+18.466）x10-19}/6=18.896x10-19库仑

电子数n=12

电荷量e=1.57x10-19库仑

第三组数据：

电压V（伏）

270

256

242

253

233

238

时间t（s）

11.70

12.01

11.89

12.13

12.07

12.31

q={（11.984+12.137+13.041+12.094+13.233+12.566）x10-19}/6=18.896x10-19库仑

电子数n=8

电荷量e=1.56x10-19库仑

第四组数据：

电压V（伏）

206

226

209

241

224

226

时间t（s）

25.39

24.90

25.40

22.19

24.97

23.84

q={（4.701+4.415+4.959+4.410+4.628+4.727）x10-19}/6=4.613x10-19库仑

电子数n=3

电荷量e=1.54x10-19库仑

E的平均值=（1.54+1.57+1.56+1.54）x10-19/4=1.55x10-19库仑

平均相对误差：

E=3.1%

【实验结果与分析】

1.从以上实验所得数据分析，测量结果总体还是达到预期效果的，测量带电油滴的荷质比所得值与理论值相差不大，平均相对误差在正常值内；

2.实验中的测量误差：

①密立根油滴实验是一个操作技巧要求较高的实验，因此，在实验仪器相同的情况下，测量误差除了由系统误差引起的部分，主要就是由测量人员的主观素质引起的偶然误差形成的。

②选择合适的油滴很重要，油滴的体积太大，大的油滴虽然容易观察，但质量大，必须带很多电荷才能取得平衡，而且下落时间短，结果不易测准。

油滴的体积过小，容易产生漂移，也会增大测量误差。

选择那些质量适中而带电量不太多的油滴才是可取的，可根据平衡电压的大小和油滴匀速下降的时间来判断油滴的大小和带电量的多少。

【实验心得】

1.通过这次实验，让我对密立根油滴实验的原理得到更充分的了解与认识，同时，也获得了更多关于密立根油滴实验的知识。

2.通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，验证了电荷的不连续性，并测定电荷的电荷值e；

3.在实验过程中，对仪器的调整、油滴的选择、耐心地跟踪和测量以及数据的处理等，培养到严肃认真和一丝不苟的科学实验方法和态度。

4.学习和理解了密立根利用宏观量测量微观量的巧妙设想

实验思考题：

1.加上电压后，油滴在电容器内可能出现哪些运动？

请分别说明原因。

答：

加上电压后，油滴在电容器内可能做匀速运动或静止，向上或者向下的类平抛运动。

因为油滴本身由于受到重力的作用，加上电压后，油滴保持匀速运动或者静止时才受力平衡，另外油滴的重力跟受到的电场力由于不平衡，不同方向的电压，油滴就会向上或者向下运动了。

2.为什么不挑选带电量很大的油滴测量？

答：

小油滴可以视为一个点电荷，其大小对实验结果的影响相对小很多；如果换成电荷量大的油滴，一般情况下其体积会比较大，所占有的空间也相对较大，这时就不能视为一个点电荷，达不到密立根实验的要求；若其电荷量大，但其体积较小，可以证明其运动时加速度很大，其到达极板的时间极短，很容易出现测量上的误差，造成实验结果的不准确。

3.本实验的巧妙构思在哪里？

答：

本实验利用油被撕裂成油滴后带有少量的电荷，几乎只有几个到几十个电子的电量。

通过电压和重力的作用测出油滴的带电量，从而可以验证电荷的不连续性，并可以测出电子的电量。

还有就是将电量这种小量的测量转换成测电压和时间等大量。

4.实验中如何保证油滴做匀速运动：

答：

先让油滴运动一段时间后才开始计时，大概0.05cm左右。

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