密立根实验讲义.doc

实验三 密立根油滴实验 一、实验目的： 1．测定电子的电荷值e，验证电荷的不连续性 2．了解基本电荷的性质，学习基本电荷的一种测量方法。 二、实验器材： 密立根油滴仪、气囊、钟油 三、实验原理： 密立根（R.A.Millikan）在1909-1917年的七年间，致力于测量微小油滴上所带电荷的工作，这即是著名的密立根油滴实验，它是近代物理学发展过程中具有重要意义的实验。密立根密立根经过长期的实验研究得出了两个重要的结论：（1）证明了电荷的不连续性。即电荷具有量子性，所有电荷都是基本电荷e的整数倍；（2）测出了电子的电荷值—即基本电荷的电荷值e=(1.6020.002)×10-19库仑。 本实验就是采用密立根油滴实验这种比较简单的方法来测定电子的电荷值e。由于实验中产生的油滴非常微小（半径约为10-9m，质量约为10-15kg），进行本实验特别需要严谨的科学态度、严格的实验操作、准确的数据处理，才能得到较好的实验结果。 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，油滴在喷射时由于摩擦，一般都会带电。设质量为m带电量q的油滴在平行极板的未加电压时，受重力作用而加速下落。由于空气阻力作用，下降一段距离后，油滴将作匀速运动，速度为。这时重力与阻力平衡（空气浮力忽略不计），如图3－1所示。 图3－1 图3－2 根据斯托克斯定律，粘滞阻力为： 3－1 在两平行极板之间加电压U（图3-2），油滴处在电场E中，设电场力qE与重力方向相反。使油滴受电场力加速上升，由于空气阻力作用，上升一段距离后，油滴所受的空气阻力、重力、电场力达到平衡（空气浮力忽略不计）。此时有 3－2 3－3 3－4 为了测定油滴所带的电荷q，除了测定U、d和速度vg、ve外，还需知油滴质量m。由于空气的悬浮和表面张力作用，油滴可看作圆球，其质量为 3－5 是油滴的密度，是空气的粘滞系数，是油滴的半径。 由（3-1）式和（3-5）式合并，可得油滴的半径为 3－6 考虑油滴非常小，空气已不能看成连续媒质，空气的粘滞系数应该修正为： 3－7 式中b为修正常数，取m.cmHg；为大气压强，取＝76.0cmHg。a为未修正过的油滴半径。由于它在修正项中，不必计算得很精确。 实验时取匀速下降和匀速上升的距离相等，设都为l，测出油滴匀速下降得时间tg，匀速上升得时间te，则： =,= 3－8 将（3－5）、（3－6）、（3－7）、（3－8）带入（3－4），可得 3－9 此式便是动态（非平衡法）测油滴电荷的公式。 下面导出静态（平衡）法测油滴电荷的公式。 或者 3－10 上式即为静态法测油滴电荷的公式。 为了求电子电荷e，对实验测得的各个电荷qi求最大公约数，就是基本电荷e的值，也就是电子的电荷e。也可以测量同一电荷的改变量（可以用紫外线或放射源照射油滴，使它所带电荷改变），这时应近似为某一最小单位的整数倍，此最小单位即为基本电荷e。 四、实验内容及步骤。 (一)仪器调节 1．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。 2．将K1置于“＋”或者“－”均可，K2“平衡电压”开关置于“0”位置。 3. 监视器左下角面板上有一个盒盖，压一下即可打开。内有四个调节旋钮分别调节刻度位置、帧抖、亮度、对比度，亮度不要太高,如发现刻度线上下抖动，调节帧抖钮。 (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，选择匀速下落1.5mm的时间在8~20s左右的油滴较适宜。在平行极板上加上平衡电压（约200~300V左右，“+”或“－”均可），选择其中的一颗作为测量对象，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。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，用电子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 由（3-9）式可知，进行本实验真正需要测量的量只有二个，一个是油