(密立根油滴法测量电荷电量实验的一种改进.docVIP

密立根油滴实验的操作改进 姓名：朱绍进 学号：2010284106 班级：物理学（物师）10班 摘 要: 密立根油滴实验是物理学的经典实验之一, 至今仍是近代物理实验中的必做实验 。本文针对密立根油滴法测量电荷电量的实验中存在误差过大导致实验结果偏差过大的问题, 提出一种辅助该实验的软件方案。该方案能够避免过大的误差, 同时合理保留精度允许范围的误差量, 较为真实可靠的还原整个实验过程。将该软件改进方案引入实验教学, 能够在节约成本的同时改善教学效果、提高教学质量。 关键词: 密立根油滴法; 实验; 电荷;改进方案 引言 19世纪末, 随着X射线的发现而迅速展开的物理学革命, 揭开了现代物理学的序幕, 人类从此打开了奇妙的微观世界研究的大门。1897年J1J1Thomson在研究阴极射线的实验中确认了电子的存在。于是, 测定电子电荷e就成了当时物理学家面临的重大课题。美国实验物理学家密立根( R1A1Millikan) 历经11年时间[ 1 ], 首次精确地测出了基本电荷的数值为e=(1.5924±0.0017) ×10-19C,因而获得1923年的诺贝尔物理学奖[ 2 ]。密立根油滴实验设计巧妙, 方法简便, 设备简单, 结果准确, 堪称物理实验之典范, 尤其是它的设计思想更值得借鉴。近年来[ 3 ], 根据该实验的设计思想改进的用磁漂浮的方法测量分数电荷, 以及用密立根油滴仪同时测量粉尘的粒径和电荷量的实验, 引起了人们的普遍关注, 说明该实验至今仍富巨大的生命力。重做密立根油滴实验[ 4 ], 在不断改进测量方法的同时, 可以进一步体验前辈物理学家深刻的物理思想和精巧的实验设计。 　1897年发现了电子的存在后，人们进行了多次尝试，以精确确定它的性质。汤姆生又测量了这种基本粒子的比荷（荷质比），证实了这个比值是唯一的。许多科学家为测量电子的电荷量进行了大量的实验探索工作。的精确数值最早是美国科学家密立根于1917年用实验测得的。密立根在前人工作的基础上，进行基本电荷量e的量，他作了几千次测量，一个油滴要盯住几个小时，可见其艰苦的程度。 　　密立根通过油滴实验，精确地定基本电荷量e的过程，是一个不断发现问题并解决问题的过程。为了实现精确测量，他创造了实验所必须的环境条件，例如油滴室的气压和温度的测量和控制。开始他是用水滴作为电量的载体的，由于水滴的蒸发，不能得到满意的结果，后来改用了挥发性小的油滴。最初，由实验数据通过公式计算出的e值随油滴的减小而增大，面对这一情况，密立根经过分析后认为导致这个谬误的原因在于，实验中选用的油滴很小，对它来说，空气已不能看作连续媒质，斯托克斯定律已不适用，因此他通过分析和实验对斯托克斯定律作了修正，得到了合理的结果。 密立根的实验装置随着技术的进步而得到了不断的改进，但其实验原理至今仍在当代物理科学研究的前沿发挥着作用，例如，科学家用类似的方法确定出基本粒子──夸克的电量。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，以及用比较简单的仪器，测得比较精确而稳定的结果等都是富有启发性的。[ 5 ]。实验中，用喷雾器将油滴喷入两块相距为d的水平放置的平行极板之间，如图3所示。油滴在喷射时由于摩擦，一般都会带电。设油滴的质量为m，所带电量为q，加在两平行极板之间的电压为V，油滴在两平行极板之间将受到两个力的作用，一个是重力mg，一个是电场力mg=qV/d。通过调节加在两极板之间的电压V，可以使这两个力大小相等、方向相反，从而使油滴达到平衡，悬浮在两极板之间。此时有: mg=qV/d (1) 为了测定油滴所带的电量q，除了测定V和d外，还需要测定油滴的质量m。但是，由于m很小，需要使用下面的特殊方法进行测定。 因为在平行极板间未加电压时，油滴受重力作用将加速下降，但是由于空气的粘滞性会对油滴产生一个与其速度大小成正比的阻力，油滴下降一小段距离而达到某一速度v后，阻力与重力达到平衡（忽略空气的浮力），油滴将以此速度匀速下降示。 由斯托克斯定律可得: f=6παηv=mg (2) 其中η是空气的粘滞系数，α是油滴的半径（由于表面张力的作用，小油滴总是呈球状）。 设油滴的密度为ρ，油滴的质量m可用下式表示 m=4πα3ρ/3 (3) 将（2）式和（3）式合并，可得油滴的半径