电子电荷量子化的实验研究 近代物理实验 毕业论文.docx

电子电荷量子化的实验研究 --------密立根油滴实验报告 摘要：R.A..Milikan于1909-1917年间对微小油滴所带的电荷量进行了不懈的测量，用大量的测量数据表明，电子的电量是不连续，或者叫做量子化的，所测得的基本电荷 e=1.60×10-19c 用油滴法测量电子的电荷，可以用静态（平衡）测量法或动态（非平衡）测量法，也可以通过改变油滴的带电量，用静态法或动态法测量油滴带电量的改变量。 该实验采用了融合诸多物理和技术的内容的静态平衡法，在研究方法上有着独特的风采。 关键字： 密立根 密立根油滴实验 静态平衡 电子 电荷 量子化 引言 R.A..Milikan于1909-1917年间对微小油滴所带的电荷量进行了不懈的测量，用大量的测量数据表明，电子的电量是不连续，或者叫做量子化的，所测得的基本电荷 e=1.60×10-19c 实验原理 测量油滴所带电荷量的方法是密立根提出来的，称之为：平衡测量法。 （1） 让带点油滴处在竖直方向的电场中，调节两极板电压，令油滴在两极板间悬停，此时重力与电场力平衡 mg=qvd 式中q为油滴所带电量，m为油滴的质量， U为两极板间的电势差，d为两板间的距离。 （2）在不加电场的情况下，小油滴受重力作用而降落，当重力与空气粘滞阻力平衡时，它便作匀速下降，它们之间的关系是： 　　 mg=F1 式中：mg──油滴受的重力，F1──空气的粘滞阻力. 由流体力学的 HYPERLINK /view/1761711.htm \t _blank 斯托克斯定律可知： F1=6πσrv 式中，σ是空气粘滞系数，r是油滴的半径，v是油滴匀速下落的速率。 当油滴是微米量级大小时，粘滞系数需要修正： σ=σ01+brp 式中：σ0是宏观物体时的粘滞系数，b=8.23×10-3m.pa, P使空气压强。 结合质量与半径的关系： m=43πr3ρ 式中：ρ是油滴的密度。 可以解出油滴的半径、电量等未知的量，其中半径的近似关系是： a=9σv2ρg=9σl2ρgt q=18π2ρσlt1+bp2ρgt9σl 在以上两式中，油的密度kg/m3；重力加速度m/s2；空气的粘滞系数；油滴下降距离m；常数；大气压cmHg；平行极板距离m。 则上式可以简化为： r=4.14×10-6tm ? ? ? ? n V t t q 1 02 . 0 1 10 43 . 1 2 3 14 ? ? ? ? ? 根据以上两式，只要测出油滴下落两毫米所用的时间，测量出油滴在电场中不动的平衡电压，就可以计算出油滴的半径和电荷。 3.实验过程 （一）?? 仪器调节 1．将油滴照明灯接2.2V电源，平行极板接500V直流电源，电源插孔都在电源后盖上。 2．调节调平螺丝，使水准仪的气泡移到中央，这时平行极板处于水平位置，电场方向和重力平行。 3．将“均衡电压”开关置于“0”位置，“升降电压”开关也置于“0”位置。将油滴从喷雾室的喷口喷入，视场中将出现大量油滴，犹如夜空繁星。如果油滴太暗，可转动小照明灯，使油滴更明亮，微调显微镜，使油滴更清楚。 （二）?????测量练习 1．练习控制油滴：当油滴喷入油雾室并观察到大量油滴时，在平行极板上加上平衡电压（约300V左右，“+”或“-”均可），驱走不需要的油滴，等待一至二分钟后，只剩下几颗油滴在慢慢移到，注意其中的一颗，微调显微镜，使油滴很清楚，仔细调节电压使这颗油滴平衡；然后去掉平衡电压，让它达到匀速下降（显微镜中看上去是在上升）时，再加上平衡电压使油滴停止运动；之后，再调节升降电压使油滴上升（显微镜中看上去是在下降）到原来的位置。如此反复练习，以熟练掌握控制油滴的方法。 2．练习选择油滴：要作好本实验，很重要的一点就是选择好被测量的油滴。油滴的体积既不能太大，也不能太小（太大时必须带的电荷很多才能达到平衡；太小时由于热扰动和布朗运动的影响，很难稳定），否则，难于准确测量。对于所选油滴，当取平衡电压为320V，匀速下降距离cm所用时间约为20s左右时，油滴大小和所带电量较适中，测量也较为准确。因此，需要反复试测练习，才能选择好待测油滴。 3．速度测试练习：任意选择几个下降速度不同的油滴，用秒表测出它们下降一段距离所需要的时间，掌握测量油滴速度的方法。 （三）???? 正式测量 进行本实验真正需要测量的量只有二个，一个是油滴的平衡电压，另一个是油滴匀速下降的速度——即油滴匀速下降距离所需的时间。 1．测量平衡电压必须经过仔细的调节，应该将油滴悬于分化板上某条横线附近，以便准确地判断出这颗油滴是否平衡，应该仔细观察一分钟左右，如果油滴在此时间内在平衡位置附近漂移不