1、云南大學(xué)物理教學(xué)實驗中心典型多媒體課件（2）近代物理實驗主講教師：戴本忠 教授241密立根油滴實驗近代物理實驗之一密立根（R. A. Millikan 1868-1953） （獲諾貝爾物理獎實驗）242由美國物理學(xué)家密立根(Millikan R. A.)完成的測量微小油滴上所帶電荷的實驗:油滴實驗，是物理學(xué)發(fā)展史上具有重要意義的實驗。這一實驗首次證明了電荷的不連續(xù)性，即任何帶電體所帶的電量都是基本電荷的整數(shù)倍，并精確測定了基本電荷1.6010-19庫侖。電子電荷是物理學(xué)中基本常數(shù)之一，在理論和實際工作中都有重要意義，它的精確測定，為從實驗上測定許多基本物理量提供了可能性。密立根油滴實驗設(shè)計精巧

2、，設(shè)備簡單，而實驗結(jié)論卻有不容置疑的說服力，因此這一實驗歷來被看做是物理實驗的一個光輝典范。密立根由于這一杰出工作和在光電效應(yīng)方面的研究成果而榮獲年諾貝爾物理獎。背景介紹243通過對帶電油滴在重力場和靜電場中運動的測量，驗證電荷的不連續(xù)性，并測定基本電荷量e； 通過對實驗儀器的調(diào)整，油滴的選擇、跟蹤和測量，以及實驗數(shù)據(jù)處理等，培養(yǎng)學(xué)生嚴謹?shù)目茖W(xué)實驗態(tài)度學(xué)習(xí)并了解CCD圖像傳感器的原理與應(yīng)用，學(xué)習(xí)電視顯微測量方法。學(xué)習(xí)密立根油滴實驗的設(shè)計思想； 實驗?zāi)康?44mgf1f2如果調(diào)節(jié)兩極板間的電壓U 可使重力和電場力平衡，則有關(guān)系式：此時油滴會靜止地懸浮在電場中，并保持平衡。 平行板不加電壓時，油滴

3、在空氣中自由下落，下落過程中受三個力的作用：重力mg ；空氣浮力f1 ；空氣對它的阻力f2。 246 由于表面張力的作用,油滴一般呈小球狀。設(shè)油滴的密度為,半徑為a,則油滴的質(zhì)量m為:重力及空氣浮力可表示為：247當 時，空氣浮力可以忽略。有 斯托克斯定律是以連續(xù)介質(zhì)為前提的，對于半徑小到10-6m的微小油滴，半徑與空氣分子間的間隙大致相等，已不能將空氣看作連續(xù)介質(zhì)，因此空氣的粘滯系數(shù)修改為：斯托克斯定律修改為249最終可得： 此式是本實驗計算油滴電荷的基本公式。式中b 為修正常數(shù)，b=6.1710-6m米厘米汞高，p為大氣壓強，單位為厘米汞高。其中tg為油滴下降L距離所測量的時間。2410實

4、驗儀器電壓顯示計時顯示平衡水泡CCD物距調(diào)節(jié)平衡電壓調(diào)節(jié)電壓轉(zhuǎn)換開關(guān)電源開關(guān)計時鍵MOD-5型油滴儀包括：油滴盒，測量顯微鏡，數(shù)字電壓表，工作電壓調(diào)節(jié)旋鈕，工作電壓反向開關(guān)，升降電壓調(diào)節(jié)旋鈕，升降電壓反向開關(guān)，CCD和監(jiān)視器等。2411油滴盒結(jié)構(gòu)如圖所示油滴盒是由兩塊經(jīng)過精磨的平行極板，上極板中央有一個直徑0.4毫米的小孔，油滴從油霧室經(jīng)油霧孔落入小孔，進入上下極板之間。油滴盒防風罩前裝有測量顯微鏡，用以觀察平行極板間的油滴。測量顯微鏡目鏡頭中裝有分劃板，其垂直總刻度相當于視場中的0.3厘米，用以測量油滴運動的距離。2412用靜態(tài)（平衡）法測定電子的電荷要求：儀器調(diào)整練習(xí)控制油滴練習(xí)選擇油滴測

5、量（對同一油滴進行610次測量）實驗內(nèi)容及操作步驟2413儀器調(diào)整將儀器放平穩(wěn)，調(diào)整左右兩只調(diào)平螺栓，使水準泡指示水平，這時平行極板處于水平狀態(tài)。預(yù)熱10分鐘，利用預(yù)熱時間從測量顯微鏡中觀察，如果分劃板位置不正，則轉(zhuǎn)動目鏡頭，將分化板放正，目鏡頭要插到底。調(diào)節(jié)目鏡，使分劃板刻線清晰。用噴霧器將油從油霧室旁的噴霧口噴入（噴一次即可），推上油霧孔擋板，以免空氣流動而使油滴亂漂移，微調(diào)測量顯微鏡的調(diào)焦手輪，這時視場中即出現(xiàn)大量清晰的油滴。 對與CCD一體化的屏顯油滴儀，則從監(jiān)視器熒光屏上觀察油滴的運動。如油滴斜向運動，則可轉(zhuǎn)動顯微鏡上的圓形CCD，使油滴垂直方向運動。2414練習(xí)測量練習(xí)控制油滴：如

6、果用平衡法實驗噴入油滴后，在平行極板上加工作（平衡）電壓250伏特左右，工作電壓選擇開關(guān)置“平衡”檔，驅(qū)走不需要的油滴，直到剩下幾顆緩慢運動的油滴為止。注視其中的某一顆，仔細調(diào)節(jié)平衡電壓，使這顆油滴靜止不動。然后去掉平衡電壓，讓它自由下降，下降一段距離后再加上“提升”電壓，使油滴上升。如此反復(fù)多次地進行練習(xí)，以掌握控制油滴的方法。2416練習(xí)測量油滴運動的時間：任意選擇幾顆運動速度快慢不同的油滴，用計時器測出它們下降一段距離所用的時間。如此反復(fù)多練幾次，以掌握測量油滴運動時間的方法。練習(xí)選擇油滴：要做好本實驗，很重要的一點是選擇合適的油滴。選的油滴體積不能太大，太大的油滴雖然比較亮，但一般帶的

7、電量比較多，下降速度也比較快，時間不容易測準。也不能選太小的油滴，太小則布朗運動明顯。通常選擇平衡電壓在200伏特以上，在2030秒內(nèi)勻速下落2毫米的油滴，其大小和帶電量比較合適。2417正式測量靜態(tài)（平衡）測量法 3. 對同一顆油滴進行610次測量，而且每次測量都要重新調(diào)整平衡電壓。如果油滴逐漸變得模糊，要微調(diào)測量顯微鏡跟蹤油滴，勿使油滴丟失。 4. 測完一顆油滴后，將平衡電壓調(diào)為零，并打在“下落”檔，重新噴油，選擇油滴測量。本實驗中要對4-6顆油滴進行測量。 2419在噴油后，若視場中沒有發(fā)現(xiàn)油滴，可能有以下幾個原因：傳感線接觸不良；油滴孔被堵。處理方法：檢查線路；打開有機玻璃油霧室，利用

8、脫脂棉擦拭小孔，或利用細絲（直徑小于0.4mm）捅一捅小孔。調(diào)整儀器時，如要打開有機玻璃油霧室，應(yīng)先將工作電壓選擇開關(guān)放在“下落”位置。噴油時，切忌頻繁噴油，否則會堵塞油滴盒上蓋的小孔 。測量時，要隨時調(diào)整工作電壓，若發(fā)現(xiàn)工作電壓有明顯改變，應(yīng)放棄測量，重新選擇油滴。注意事項2420完成本實驗的關(guān)鍵在于控制油滴和選擇合適的油滴。測量數(shù)據(jù)之前應(yīng)熟練掌握控制油滴的技巧，并選擇合適的油滴。否則就會造成實驗失敗。實驗中選擇的油滴不能太大，太大的油滴雖然較亮，但帶電量比較多，下降速度較快，時間不容易測準確。太小的油滴布朗運動明顯。通常選擇平衡電壓200伏左右的油滴，這時其大小和帶電量比較適當。2421計

9、算出每個油滴電量qi后，用e的公認值(e=1.60210-19C)去除，得到每個油滴帶基本電荷個數(shù)的近似值ni，將ni四舍五入取整，再用這個整數(shù)去除qi，所得結(jié)果為測出的電子電量ei 。 求出ei的平均值，并與公認值比較求出相對誤差 。數(shù)據(jù)處理驗證法2422設(shè)實驗得到m個油滴的帶電量分別為q1, q2, ., qm ，由于電荷的量子化特性，應(yīng)有qi=nie,此為一直線方程，n為自變量，q為因變量，e為斜率。因此m個油滴對應(yīng)的數(shù)據(jù)在nq坐標系中將在同一條過原點的直線上，若找到滿足這一關(guān)系的曲線，就可用斜率求得e值。將e值的實驗值與公認值比較，求相對誤差。數(shù)據(jù)處理倒證法nqn1n2q1q22423如何判斷油滴盒內(nèi)兩平行極板是否水平？如果不水平對實驗有何影響？為什么向油霧室噴油時，一定要使電容器的兩平行極板短路？這時平行