1、.wd.wd.wd.用密立根油滴儀測量電子電量摘要：密立根油滴儀可以測定油滴的電量，并可驗證電荷的量子性，即任何帶電體所帶的電量都是 基本電荷的整數(shù)倍.密立根油滴儀的設(shè)計思想巧妙，其測量油滴電量的方法筒單，而結(jié)果卻具有不容置疑的說服力。密立根在這一實驗工作上花費了近10年的心血，從而取得了具有重大意義的結(jié)果，那就是(1)證明了電荷的不連續(xù)性(具有顆粒性)。(2)測量并得到了元電荷即為電子電荷，其值為e=1.60210-19C。關(guān)鍵詞：油滴儀；電子電量；靜態(tài)平衡測量法； 噴霧；中圖分類號： +O 文獻標識碼：AUsing Millikan oil drop instrument measurin

2、g of electronic chargeAbstract: Millikan oil drop instrument can measure the oil droplets of the electricity, and can validate the charge quantization, namely anybody charged with electricity are integer multiples of the basic charge. Millikan oil drop instrument of the ingenious design, the measure

3、ment of oil droplet charge method and the result is a single cylinder, allow all doubt persuasion. Millikan in this experimental work has spent nearly 10 years of efforts, and achieved significant results, it is proved that the charge (1) discontinuity ( having a particle ). (2) Measurement and get

4、the elementary charge is the charge of the electron, its value is e=1.60 10-19C.Keyword: Oil drop instrument; Electronic charge; Static balance measuring method; Spray;美國著名實驗物理學(xué)家密立根花了七年功夫(19091917) 所做的測量微小油滴上所帶電荷的工作在近代物理學(xué)開展中具有重要意義，實驗設(shè)計巧妙，簡單方便地證明了所有電荷都是 基本電荷的整數(shù)倍，明確了電荷的不連續(xù)性。現(xiàn)在公認的 基本電荷為e =1.6020.00210-

5、19C.由于實驗中噴出的油滴是非常微小的，難于捕捉、控制和測量，因此做本實驗時，特別要有嚴謹?shù)目茖W(xué)態(tài)度，嚴格的實驗操作，準確的數(shù)據(jù)處理，才能得到比較好的實驗結(jié)果。一、實驗?zāi)康?. 領(lǐng)會密立根油滴實驗的設(shè)計思想。2. 掌握密立根油滴儀的使用方法。3. 運用密立根油滴儀測定油滴的電量，并驗證電荷的量子性。二、實驗原理圖1 帶電平行板間油滴的平衡qEmgVd用噴霧器將油滴噴入兩塊相距為的水平放置的平行板之間。由于噴射時的摩擦，油滴一般帶有電量q。當(dāng)平行板間加有電壓V，產(chǎn)生電場E，油滴受電場力作用。調(diào)整電壓的大小，使油滴所受的電場力與重力相等，油滴將靜止地懸浮在極板中間，見圖1。此時或 (1)V、d是

6、容易測量的物理量，如果進一步測量出油滴的質(zhì)量m，就能得到油滴所帶的電量。實驗發(fā)現(xiàn)，油滴的電量是某最小恒量的整數(shù)倍，即q=ne，。這樣就證明了電荷的不連續(xù)性，并存在著最小的電荷單位，即電子的電荷值。設(shè)油滴的密度為，油滴的質(zhì)量m可用下式表示：(2)為測量r，去掉平行板間電壓。油滴受重力而下降，同時受到空氣的粘滯性對油滴所產(chǎn)生的阻力。粘滯力與下降速度成正比，也就是服從斯托克斯定律：(3)式中是空氣粘滯系數(shù)，r是油滴半徑，v是油滴下落速度油滴受重力(4)當(dāng)油滴在空氣中下降一段距離時，粘滯阻力增大，到達二力平衡，油滴開場勻速下降。(5)解出油滴半徑：(6)對于半徑小到m的油滴，空氣介質(zhì)不能認為是均勻連續(xù)

7、的，因而需將空氣的粘滯系數(shù)修正為：式中為一修正系數(shù)，為大氣壓強，于是可得：(7)(8)上式根號中還包含油滴半徑，但因它是處于修正項中，不須十分準確，故可將(6)帶入(8)式進展計算?？紤]到油滴勻速下降的速度v等于勻速下降的距離與經(jīng)過這段距離所需時間的比值，即v=l / t。得到：(9)將上式代入(1)式可得：(10)上式及公式6就是本實驗的所用的 基本公式。三、實驗儀器油霧室油滴盒防風(fēng)罩照明燈電壓表平衡電壓調(diào)節(jié)旋鈕平衡電壓換向開關(guān)升降電壓調(diào)節(jié)鈕升降電壓換向開關(guān)電源開關(guān)測量顯微鏡圖2 油滴儀外形密立根油滴儀包括：油滴盒、油滴照明裝置，測量顯微鏡、供電電源以及電子停表、噴霧器等局部組成。如圖3所示

8、，油滴盒由兩塊經(jīng)過精磨的平行極板組成，間距cm。上電極板中央有一個mm的小孔，以供油滴落入。整個油滴盒裝在有機玻璃防風(fēng)罩中，以防空氣流動對油滴的影響。防風(fēng)罩上面是油霧室，油滴用噴霧器從噴霧口噴入，并經(jīng)油霧孔落入油滴盒。為了觀察油滴的運動，附有發(fā)光二極管照明裝置。發(fā)光二極管發(fā)熱量小，因此對油滴盒中的空氣熱對流小，油滴就比較穩(wěn)定。2. 顯微鏡圖4 目鏡分劃板圖3 油滴盒側(cè)視圖顯微鏡是用來觀察和測量油滴運動的,目鏡中裝有分劃板，共分六格，每格相當(dāng)視場中的0.050cm，六格共0.300cm，分劃板可用來測量油滴運動的距離，以計算油滴運動的速度。3電源共提供三種電壓：15V交流電源供照明裝置用。250

9、0V直流平衡電壓，該電壓的大小可以連續(xù)調(diào)節(jié)，數(shù)值可以從電壓表上讀出來。平衡電壓由標有“平衡電壓的撥動開關(guān)控制。開關(guān)撥在中間“0位，上下極板被短路，并接零電位。開關(guān)撥在“位置，這時能到達平衡位置的油滴帶正電荷，反之油滴帶負電荷。3300V直流升降電壓，該電壓的大小可以連續(xù)調(diào)節(jié)，可通過標有“升降電壓撥動開關(guān)疊加在平衡電壓上。由于該電壓只起一個改變已到達平衡的油滴在兩塊極板間上下位置的作用，不需要知道它的大小，因此沒有讀數(shù)。4. 計時器計時器是一只液晶顯示數(shù)字電子停表，精度為0.01s。四、實驗測量及數(shù)據(jù)記錄1.正式測量須知及步驟：由公式10可知，進展本實驗要測量的只有兩個量，一個是平衡電壓Vn，另

10、一個是油滴勻速下降一段距離所需要的時間。測量平衡電壓必須經(jīng)過仔細調(diào)節(jié)，將油滴懸于分劃板上某條橫線附近,以便準確判斷出這顆油滴是否平衡了。測量油滴勻速下降一段距離所需的時間時，為保證油滴下降時速度均勻，應(yīng)先讓它下降一段距離后再測量時間。選定測量的一段距離應(yīng)該在平行極板之間的中央局部，假設(shè)太靠近上極板，小孔附近有氣流，電場也不均勻，會影響測量結(jié)果。太靠近下極板，油滴容易喪失，影響重復(fù)測量。一般取分劃板中央局部cm比較適宜。由于實驗的統(tǒng)計漲落現(xiàn)象顯著，對于同一顆油滴應(yīng)進展6次測量，而且每次測量都要重新調(diào)整平衡電壓，并記錄此電壓值。同時還應(yīng)該分別對5顆油滴進展反復(fù)的測量。2. 數(shù)據(jù)表格：No.U(vo

11、lt)Tg(sec)No.U(volt)Tg(sec)No.U(volt)Tg(sec)120114.51122324.62120023.4219614.31222524.52219923.4320214.51322528.82320023.4420614.61425328.72420123.4520914.71525428.62523724.3620714.61625628.72623824.3721124.91725528.82723624.2821825.61825528.92823824.3922024.51919923.32923724.31022124.42019823.33023

12、824.3表格1五、實驗數(shù)據(jù)處理1.根據(jù)公式(10)及(6)進展計算油滴平均帶電量：油的密度: 空氣粘滯系數(shù): 重力加速度: 油滴勻速下降的距離取: 修正常數(shù): b=6.1710-6 mcm(Hg)大氣壓強: p=76.0cmHg平行極板間距: d=5.0010-3 m將以上數(shù)據(jù)代入公式得:由上式可得：油滴序數(shù)帶電荷值q10-19C19.8224.6433.1645.5354.42表格2可以看到，油滴所帶電荷量的取值不是雜亂的，而是大體集中在1.610-19C或其倍數(shù)附近。當(dāng)然此次實驗數(shù)據(jù)較少，但作為一個簡單的驗證性實驗，一定程度上已能夠說明微小油滴上所帶電荷量是離散的，即電量具有量子化特征。

13、2. 基本電荷的測定：正如實驗原理里所說，測量油滴上帶的電荷的目的是找出電荷的最小單位e。為此可以對不同的油滴，分別測出其所帶的電荷值q，它們應(yīng)近似為某一最小單位的整數(shù)倍，即油滴電荷量的最大公約數(shù)，或油滴帶電量之差的最大公約數(shù)，即為元電荷。對此，做出表格如下：油滴序數(shù)帶電荷值(10-19C)元電荷倍數(shù)取整倍數(shù)元電荷值10-19C19.826.1461.5524.642.931.5733.161.9821.5845.533.462.51.5854.412.7631.57 表格3由表計算元電荷： =15(1.53+1.57+1.57+1.57+1.57)10-19=1.57210-19(C)而理論值為： 1.6021.6510-19C，誤差1.9%六、實驗結(jié)論本次試驗的重難點在于如何找到帶電量適中，大小適當(dāng)?shù)挠偷巫鳛閷嶒瀸ο蟆Ｓ偷芜^大過小都會產(chǎn)生較大誤差，油滴太大，自由降落太快，測量時速度尚未到達勻速，必然誤差大；油滴太小，又會因熱運動和布朗運動，使測量時漲落太大。最后測得結(jié)果為1.57210-19(C) 七、答復(fù)以下問題重力與電場力不平衡，會造成下落路線不垂直，導(dǎo)致測量時間偏大，誤差大。由于兩