最新版密立根油滴实验报告模板.docx
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最新版密立根油滴实验报告模板
密立根油滴实验——电子电荷的测量
【实验目的】
1.通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，验证电荷的不连续性，并测定电荷的电荷值e。
2.通过实验过程中，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，培养学生严肃认真和一丝不苟的科学实验方法和态度。
3.
学习和理解密立根利用宏观量测量微观量的巧妙设想和构思。
【实验原理】
1.静态（平衡）测量法
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。
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，还需要测量油滴的质量m。
因m很小，需用如下特殊方法测定：
平行极板不加电压时，油滴受重力作用而加速下降，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（空气浮力忽略不计），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。
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）测量法
非平衡测量法则是在平行极板上加以适当的电压V，但并不调节V使静电力和重力达到平衡，而是使油滴受静电力作用加速上升。
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（空气浮力忽略不计），油滴将匀速上升，如图3所示。
这时：
（6）
当去掉平行极板上所加的电压V后，油滴受重力作用而加速下降。
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）
【实验仪器】
根据实验原理，实验仪器——密立根油滴仪，应包括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），改变油滴带电量从q变到q′的装置，实验油，喷雾器等。
MOD－5型密立根油滴仪的基本外形和具体结构示于图4。
【实验内容】
1.调整仪器
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，利用预热时间从测量显微镜中观察，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（喷一次即可），微调测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，则从监视器荧光屏上观察油滴的运动。
如油滴斜向运动，则可转动显微镜上的圆形CCD，使油滴垂直方向运动。
2.练习测量
（1）练习控制油滴如果用平衡法实验喷入油滴后，加工作（平衡）电压250伏特左右，工作电压选择开关置“平衡”档，驱走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动的为止。
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。
如此反复多次地进行练习。
（2）练习测量油滴运动的时间任意选择几颗运动速度快慢不同的油滴，用计时器测出它们下降一段距离所需要的时间。
或者加上一定的电压，测出它们上升一段距离所需要的时间。
如此反复多练几次。
（3）练习选择油滴选的油滴体积不能太大，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伏特以上，在10s左右时间内匀速下降2mm的油滴，其大小和带电量都比较合适。
（4）练习改变油滴的带电量对MOD－5B、5BC、5BCC型密立根油滴仪，可以改变油滴的带电量。
按下汞灯按钮，低压汞灯亮，约5s，油滴的运动速度发生改变，这时油滴的带电量已经改变了。
3.正是测量
（1）静态（平衡）测量法用平衡测量法时要测量的有两个量，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附近，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，选定测量的一段距离（一般取l=0.200cm比较合适），然后把开关拨向“下降”，使油滴自由下落。
测量油滴匀速下降经过选定测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测量时间。
测量完一次后，应把开关拨向“平衡”，做好记录后，再拨向“提升”，加大电场使油滴回到原来高度，为下次测量做好准备。
对同一颗油滴应进行3～5次测量，而且每次测量都要重新调整平衡电压。
用同样的的方法对多颗油滴进行测量。
（2）动态（非平衡）测量法用动态测量法实验时要测量的量有三个：
上升电压、油滴匀速下降和上升一段距离所需的时间tg、te。
选定测量的一段距离（一般取l=0.200cm比较合适），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。
测量油滴匀速下降经过选定测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测量时间。
测完tg把开关拨向“平衡”，做好记录后，再拨向“提升”，使油滴匀速上升经过原选定的测量距离，测出所需时间te。
同样也应先让它上升一段距离后再测量时间。
测完te做好记录，并为下次测量做好准备。
【数据处理】
（1）静态（平衡）测量法根据式：
（5）
其中：
ρ为油的密度可根据油瓶上给出的参数修正
g为重力加速度g=9.78858m·s-2
η空气粘滞系数η=1.83×10-5kg·m-1·s-1
l为油滴匀速下降的距离l=2.00×10-3m
b为修正常数b=6.17×10-6m·cm（Hg）
p为大气压强p由室内气压计读取
d为平行极板间距离d=5.00×10-3m
本实验中我们用“倒过来验证”的办法进行数据处理。
即用公认的电子电荷值e=1.60×10-19C去除实验测得的电量q。
得到一个接近于某一个整数的数值，这个整数就是油滴所带的基本电荷的数目n。
再用这个n去除实验测得的电量，即得电子的电荷值e。
油滴实验也可用作图法处理数据，即以纵坐标表示电量q，横坐标表示所选用的油滴的所带电子数，然后作图。
倒过来验证法：
表一
t1
t2
t3
t4
平均运动时间t（s）
带点量q（C）
i=q/e
ei=q/i
312
19.9
20.3
19.8
20.0
20.0
5.13×10-19
3
1.71×10-19
284
17.4
17.8
17.9
17.8
17.7
6.75×10-19
4
1.69×10-19
250
17.6
18.0
18.2
17.9
17.9
7.54×10-19
5
1.51×10-19
248
18.4
18.3
18.2
18.2
18.3
7.38×10-19
5
1.47×10-19
244
18.1
18.3
17.8
17.6
18.0
7.71×10-19
5
1.54×10-19
309
19.1
18.9
19.4
19.2
19.2
5.52×10-19
3
1.84×10-19
256
17.9
18.2
18.3
18.1
7.24×10-19
5
1.45×10-19
269
18.1
18.0
18.1
18.0
18.1
6.93×10-19
4
1.73×10-19
297
19.8
20.1
20.0
20.1
20.0
5.38×10-19
3
1.79×10-19
294
19.3
19.6
19.1
19.4
19.4
5.72×10-19
4
1.43×10-19
247
23.1
22.4
22.8
22.7
22.8
5.34×10-19
3
1.78×10-19
254
20.4
20.0
19.9
19.4
20.0
6.30×10-19
4
1.58×10-19
256
19.5
19.5
19.6
19.8
19.6
6.44×10-19
4
1.61×10-19
250
18.0
17.9
17.8
18.5
18.1
7.46×10-19
5
1.49×10-19
284
17.6
17.9
17.8
18.0
17.8
6.69×10-19
4
1.67×10-19
其中t=
i为四舍五入后的值q的计算公式为：
其中:
用到的参数前八组数据p=1.0112×105pa温度T=25.0
后八组数据p=1.0190×103pa温度T=22.4
油滴密度ρ由下表：
表二
温度（
）
10
20
30
密度（kg/m3）
986
981
976
线性拟合得前八组ρ=978.5kg/m3，后八组ρ=977.3kg/m3
最后算得e=
=1.62×10-19C
0.04
所以e=（1.62
0.04）×10-19C
（2）动态（非平衡）测量法
同样用“倒过来验证”的办法：
表三
上升电压V（v）
运动时间
平均运动时间t（s）
带点量q（C）
i=q/e
ei=q/i（C）
509
tg（s）
15.5
15.4
15.5
15.5
4.47×10-19
3
1.49×10-19
te（s）
10.8
10.8
11.0
10.9
509
tg（s）
19.0
19.5
18.8
19.1
5.06×10-19
3
1.69×10-19
te（s）
6.8
6.9
6.9
6.9
509
tg（s）
19.9
20.6
20.3
20.3
5.86×10-19
4
1.47×10-19
te（s）
5.5
5.4
5.3
5.4
353
tg（s）
20.0
20.9
20.8
20.6
4.51×10-19
3
1.50×10-19
te（s）
13.0
12.7
12.6
12.8
509
tg（s）
19.1
18.7
18.6
18.8
5.31×10-19
3
1.77×10-19
te（s）
6.7
6.5
6.8
6.7
230
tg（s）
21.3
21.0
21.2
21.2
1.92×10-18
12
1.60×10-19
te（s）
3.2
3.3
3.2
3.2
230
tg（s）
22.4
22.1
22.0
22.2
1.90×10-18
12
1.58×10-19
te（s）
3.2
3.2
3.2
3.2
509
tg（s）
20.8
20.8
20.4
20.7
5.78×10-19
4
1.45×10-19
te（s）
5.3
5.4
5.4
5.4
354
tg（s）
20.5
20.6
20.3
20.5
4.52×10-19
3
1.51×10-19
te（s）
12.7
12.9
12.9
12.8
232
tg（s）
23.6
24.4
24.5
24.2
7.03×10-19
4
1.81×10-19
te（s）
10.0
10.2
9.8
10.0
其中i为四舍五入后的值，q的计算公式为：
用到的参数和静态法一样，最后算得
1.59×10-19C
=0.04
所以e=（1.59
0.04）×10-19C
【思考题】
1.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。
2.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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