用密立根油滴实测电子电荷.doc

用密立根油滴实验测电子电荷 实验背景 杰出的美国物理学家密立根在1909年至1917年所做的测量微小油滴上带的电荷的工作，即所谓油滴实验。在全世界是享负盛名的，堪称物理实验的典范.Millikan在这一实验工作中花费里近10年的心血，而取得了有重大意义的结果，那就是： (1)证明电荷的不连续性(具有颗粒性)，所有电荷都是基本电荷e的整数倍。 (2)测量并得到了基本电荷即为电子电荷，其值为e=1.60′10-19库仑。现公认e是基本电荷，对其值的测量测量精度不断提高，目前给出的最好结果为：e=(10′10-19库仑。 正是由于这一实验成就，他荣获了1932年诺贝尔物理奖金。八十多年过去了，物理学发生了根本的变化，而这个实验又重新站到了实验物理的前列。近年来，根据这一实验的设计思想改进的用磁漂浮的方法测量分数电荷的实验，使古老的实验又焕发青春，也就更说明，Millikan油滴实验是富有巨大生命力的实验。 (??????? 实验目的 本实验的目的，是学习测量元电荷的方法，并训练物理实验时应有的严谨态度和坚韧不拔的科学精神。 (??????? 实验原理 按油滴作匀速直线运动或静止两种运动方式分类，油滴法测电子电荷分为动态测量法和平衡测量法。 (??????? 动态测量法 考虑重力场中一个足够小油滴的运动，设此油滴半径为r，质量为m1，空气是粘滞流体，故此运动油滴除重力和浮力外还受粘滞阻力的作用。由斯托克斯定律，粘滞阻力与物体运动速度成正比。设油滴以匀速vf下落，则有 (1) 此处m2为与油滴同体积空气的质量，K为比例常数，g为重力加速度。油滴在空气及重力场中的受力情况如图8.1.1-1所示。 若此油滴带电荷为q，并处在场强为E的均匀电场中，设电场力qE方向与重力方向相反，如图8.1.1-2所示，如果油滴以匀速vr上升，则有 (2) 由式（1）和（2）消去K,可解出q为： (3) 由（3）式可以看出来，要测量油滴上的电荷q，需要分别测出m1，m2，E，vr，vf等物理量。 由喷雾器喷出的小油滴半径r是微米量级，直接测量其质量m1也是困难的，为此希望消去m1,而带之以容易测量的量。设油与空气的密度分别为r1,r2，于是半径为r的油滴的视重为 (4) 由斯托克斯定律，粘滞流体对球形运动物体的阻力与物体速度成正比，其比例系数K为6phr，此处h为粘度，r为物体半径，于是可将公式（4）带入式（1）有 (5) 因此， (6) 以此带入（3）并整理得到 (7) 因此，如果测出vr，vf和h，r1，r2，E等宏观量即可得到q值。 考虑到油滴的直径与空气分子的间隙相当，空气已不能看成是连续介质，其粘度h需作相应的修正 此处p为空气压强，b为修正常数，b＝0.00823N/m,因此， (8) 当精确度要求不太高时，常采用近似计算方法，先将vf带入（6）式计算得 (9) 再将此r0值带入h’中，并以h’入式（7），得 (10) 实验中常常固定油滴运动的距离，通过测量它通过此距离s所需的时间来求得其运动速度，且电场强度E=U/d，d为平行板间的距离，U为所加的电压，因此，式（10）可写成 (11) 式中有些量和实验仪器以及条件有关，选定之后在实验过程中不变，如d，s，(r1-r2)及h等，将这些量与常数一起用C代表，可称为仪器常数，于是式（11）简化成 (12) 由此可知，度量油滴上的电荷，只体现在U，tf，tr的不同。对同一油滴，tf相同，U和tr的不同，标志着电荷的不同。 (??????? 平衡测量法 平衡测量法的出发点是，使油滴在均匀电场中静止在某一位置，或在重力场中作匀速运动。 当油滴在电场中平衡时，油滴在两极板间受到的电场力qE，重力m1g和浮力m2g达到平衡，从而静止在某一位置，即 油滴在重力场中作匀速运动时，情形同动态测量法，将式（4），（9）和 带入式（11）并注意到 则有 (13) (??????? 元电荷的测量方法 测量油滴上带的电荷的目的是找出电荷的最小单位e。为此可以对不同的油滴，分别测出其所带的电荷值qi，它们应近似为某一最小单位的整数倍，即油滴电荷量的最大公约数，或油滴带电量之差的最大公约数，即为元电荷。 实验中采用紫外线，X射线或放射源等改变同一油滴所带的电荷，测量油滴上所带电荷的改变值Dqi，而Dqi值应是元电荷的整数倍。 即 (14) 也可以用作图法求e的值，根据（14）式，e为直线方程的斜率，通过拟合直线，即可求得e值。 (??????? 实验内容 学习控制油滴在视场中的运动，并选择合适的油滴测量元电荷，要求测得9个不同的油滴或一个油滴所带电荷改变7次以上。 (??????