1、密立根油滴实验报告近代物理实验陈述之杨若古兰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】本实验我们根据密立根油滴实验道理，引进了CCD摄像技术，从监视器上观察油滴活动，测定了油滴带电量，并应用差值法处理了响应数据，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能.【关键词】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，其主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基本电荷电量，即电子所带电量.这一成就大大促进了人们对电和物资结构的
2、研讨和认识.油滴实验中将微观量测量转化为宏观量测量的巧妙设想和精确构思，和用比较简单的仪器，测得比较精确而波动的结果等都是富有创造性的.因为上述工作，密立根获得了1923年度诺贝尔物理学奖.密立根的实验安装随着技术的进步而得到了不竭的改进，但其实验道理至今仍在当代物理科学研讨的前沿发挥着感化，例如，科学界用类似的方法测定出基本粒子夸克的电量.【实验方案】一、实验道理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，普通都是带电的.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
3、候： (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，还须要测量油滴的质量m.因m很小，需用如下特殊方法测定：平行极板不加电压时，油滴受重力感化而加速降低，因为空气阻力的感化，降低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），油滴将匀速降低.此时有： (2)其中是空气的粘滞系数，是油滴的半径.经过变换及批改，可得斯托克斯定律： (3)其中b是批改常数， b=6.1710-6mcmHg,p为大气压强，单位为厘米汞高.图2至于油滴匀速降低的速度，可用下法测出：当两极板间的电压V为零时,设油滴匀速降低的距离为，时间为t ，则 (4)最初得到
4、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感化加速上升.因为空气阻力的感化，上升一段距离达到某一速度后，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.这时候：（6）图3当去掉平行极板上所加的电压V 后，油滴受重力感化而加速降低.当空气阻力和重力平衡时，油滴将以匀速降低，这时候：（7）化简，并把平衡法中油滴的质量代入，得理论公式：（8）二、实验仪器根据实验道理，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），调平安装，照明安装，显微镜，电源，计
5、时器（数字毫秒计），改变油滴带电量从q变到q的安装，实验油，喷雾器等.MOD5 型密立根油滴仪的基本外形和具体结构示于图 4.三、实验步调将仪器放平稳，调节仪器底部摆布两只调平螺丝，使水准泡唆使水平，这时候平行极板处于水平地位.预热 10分钟，利用预热时间从测量显微镜中观察，如果分划板地位不正，则动弹目镜头，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，这时候视场中即出现大量清晰的油滴，如夜空繁星.对 MOD5C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活动.如油滴斜向活动，则可动弹显微镜上的圆
6、形 CCD，使油滴垂直方向活动.（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 伏特摆布，工作电压选择开关置“平衡”档，驱走不须要的油滴，直到剩下几颗缓慢活动的为止.谛视其中的某一颗，细心调节平衡电压，使这颗油滴静止不动.然后去掉平衡电压，让它自在降低，降低一段距离后再加上“提升”电压，使油滴上升.如此反复多次地进行练习.（2）练习测量油滴活动的时间任意选择几颗活动速度快慢分歧的油滴，用计时器测出它们降低一段距离所须要的时间.或者加上必定的电压，测出它们上升一段距离所须要的时间.如此反复多练几次.（3）练习选择油滴选的油滴体积不克不及太大，太大的油滴虽然比较亮，但普通
7、带的电量比较多，降低速度也比较快，时间不容易测精确.若油滴太小则布朗活动明显.通常可以选择平衡电压在 200 到300伏特间，在8-30s摆布时间内匀速降低1.5mm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 MOD5B、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，油滴的活动速度发生改变，这时候油滴的带电量曾经改变了.（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，另一个是油滴匀速降低一段距离所须要的时间 tg.细心调节“平衡电压”旋钮，使油滴置于分划板上某条横线附近，以便精确判断出这颗油滴是否平衡
8、了.当油滴处于平衡地位，选定测量的一段距离（取l=1.5mm），然后把开关拨向“降低”，使油滴自在着落.测量油滴匀速降低经过选定测量距离所须要的时间te，为了在按动计时器时有思想筹办，应先让它降低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本来高度，为下次测量做好筹办.对同一颗油滴应进行6次测量，而且每次测量都要从头调整平衡电压.用同样的的方法对5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、油滴匀速降低和上升一段距离所需的时间 tg、te.选定测量的一段距离（取l=1.5mm），应当在平衡极
9、板之间的地方部分，然后把开关拨向“降低”，使油滴自在着落.测量油滴匀速降低经过选定测量距离所须要的时间tg，为了在按动计时器时有思想筹办，应先让它降低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.（提升时间最好为1.5mm的时间为10s）一共测量3组.【结果与讨论】实验数据：（1）静态（平衡）测量法油滴1电压V活动时间Tg电荷量e*1019带电荷数n元电荷e*10193041130610317113101030710平均元电荷油滴2电压V活动时间Tg电荷量e*101
10、9带电荷数n元电荷e*10193186312631663112963146平均元电荷油滴3电压V活动时间Tg电荷量e*1019带电荷数n元电荷e*10191971119811195111921119511平均元电荷油滴4电压V活动时间Tg电荷量e*1019带电荷数n元电荷e*10192261222511229112281222211平均元电荷油滴5电压V活动时间Tg电荷量e*1019带电荷数n元电荷e*10192361323812238112371223712平均元电荷平衡法测量终极平均元电荷为e=1.6118*10-19C（2）动态（非平衡）测量法油滴1活动时间T电压VT1T4电荷量e*10
11、19带电荷数n元电荷e*101940044005400440044004平均元电荷油滴2活动时间T电压VT1T4电荷量e*1019带电荷数n元电荷e*101940034003400340034003平均元电荷油滴3活动时间T电压VT1T4电荷量e*1019带电荷数n元电荷e*101940044004400440044004平均元电荷非平衡法测量终极平均元电荷为e=1.612*10-19C【结论与瞻望】本实验利用电压、活动时间等这些可以直接测量和控制的宏观物理量来实现对微观物理量电子电量的测量.把宏观的电量通过油滴这个在宏观巨大但在微观又较大的媒介与微观的电子电量联系起来.但是本次实验应用的是倒过来的验证法，误差较大.当然也能够利用油滴所带电量的可对比性，求出其公约数，从而得到电子电量的值后果更佳，同时也证实了电子电荷量的不连续性.且电压、活动时间测量绝对简单，误差也较小.【参考文献】近代物理实验讲义M浙江师范大学数理信息学院近代物理实验室，2011
