1、密立根油滴實(shí)驗(yàn),基本電荷測(cè)定,一、密立根（R. A. Millikan） 與 基本電荷測(cè)定,密立根（R. A. Millikan）是著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家，1907年開始，他在總結(jié)前人實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，著手電子電荷量的測(cè)量研究，之后改為以微小的油滴作為帶電體，進(jìn)行基本電荷量的測(cè)量，并于1911年宣布了實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，證實(shí)了電荷的量子化。,密立根的實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單而有效，構(gòu)思和方法巧妙而簡(jiǎn)潔，他采用了宏觀的力學(xué)模式來研究微觀世界的量子特性，所得數(shù)據(jù)精確且結(jié)果穩(wěn)定，無論在實(shí)驗(yàn)的構(gòu)思還是在實(shí)驗(yàn)的技巧上都堪稱是第一流的，是一個(gè)著名的有啟發(fā)性的實(shí)驗(yàn)，因而被譽(yù)為實(shí)驗(yàn)物理的典范。,密立根（R. A. Millikan）,二

2、、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)密立根油滴實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想。 通過對(duì)帶電油滴在重力場(chǎng)和靜電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的測(cè)量，驗(yàn)證電荷的不連續(xù)性，并測(cè)定基本電荷值。 通過對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)整，油滴的選擇、跟蹤和測(cè)量，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)態(tài)度。,三、實(shí)驗(yàn)原理,利用帶電荷的微小油滴在均勻電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的受力分析，可將油滴,所帶的微觀電荷量的測(cè)量轉(zhuǎn)化為油滴宏觀運(yùn)動(dòng)速度的測(cè)量。,1. 靜態(tài)平衡測(cè)量法,帶電油滴在平行板電壓為U 的電場(chǎng)中，受重力、空氣浮力作用而平衡時(shí)的電荷量為,其中，當(dāng)平行板電壓為零時(shí)，可測(cè)得油滴作勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)下降的距離l 和相應(yīng)的時(shí)間tg。,2. 動(dòng)態(tài)非平衡測(cè)量法,為解決靜態(tài)平衡法中由于氣流擾動(dòng)而產(chǎn)生的非預(yù)期的

3、影響以及油滴蒸發(fā)引起的誤差，在平行極板上加一方向與重力方向相反電場(chǎng)，使帶電油滴向上作勻速運(yùn)動(dòng)，測(cè)量通過距離 所需時(shí)間 ，則可得,其中,3. 對(duì)粘滯系數(shù)的修正,斯托克斯定律適用于連續(xù)介質(zhì)中球狀物體所受的粘滯力。由于油滴甚小，其直徑可和空氣分子的平均自由程相比擬，所以不能再將空氣看成是連續(xù)介質(zhì)，油滴所受粘滯力必將減小，粘滯系數(shù)應(yīng)予以修正。,4基本電荷e的計(jì)算,為了證明電荷的不連續(xù)性和所有電荷都是基本電荷e的整數(shù)倍，并得到基本電荷e值，我們可用“倒過來驗(yàn)證”的辦法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即用公認(rèn)的電子電荷值e1.60210-19C去除實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電荷量q，得到一個(gè)接近與某一個(gè)整數(shù)的數(shù)值，這個(gè)整數(shù)就是油滴所帶的基

4、本電荷的數(shù)目n，再用這個(gè)n去除實(shí)驗(yàn)測(cè)得的電荷量q，即得電子的電荷值e。,四、實(shí)驗(yàn)儀器,油滴盒,照明裝置,水準(zhǔn)泡在油滴盒內(nèi),水準(zhǔn)泡具體位置,物鏡調(diào)焦手輪,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),低壓汞燈,汞燈按鈕,噴霧器,CCD,監(jiān)視器,上極板,下極板,膠木圓環(huán),防風(fēng)罩,上電極中央的小孔,油霧室,油霧孔,顯微鏡中分劃板,1、儀 器 的 調(diào) 整,五、實(shí)驗(yàn)方法,2油滴的選擇和控制,控制油滴,驅(qū)走不需要的油滴，直到剩下幾顆緩慢運(yùn)動(dòng)的為止。注視其中的某一顆，仔細(xì)調(diào)節(jié)平衡電壓，使這顆油滴靜止不動(dòng)。然后去掉平衡電壓，讓它勻速下降，下降一段距離后再加上平衡電壓和升降

5、電壓，使油滴上升。如此反復(fù)多次地進(jìn)行練習(xí)，以掌握控制油滴的方法。,測(cè)量油滴運(yùn)動(dòng)的時(shí)間,任意選擇幾顆運(yùn)動(dòng)速度快慢不同的油滴，用停表測(cè)出它們下降一段距離所需要的時(shí)間。或者加上一定的電壓，測(cè)出它們上升一段距離所需要的時(shí)間。如此反復(fù)多練幾次，以掌握測(cè)量油滴運(yùn)動(dòng)時(shí)間的方法。,選擇油滴,要做好本實(shí)驗(yàn)，很重要的一點(diǎn)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，但帶的電荷比較多，下降速度也比較快，時(shí)間不容易測(cè)準(zhǔn)確。油滴也不能選的太小，太小則布朗運(yùn)動(dòng)明顯。通常選擇平衡電壓在200伏特以上，在2030秒時(shí)間內(nèi)勻速下降2毫米的油滴，其大小和帶電量都比較合適。,改變油滴的帶電量,對(duì)MOD-5型密立根油

6、滴儀，可以改變油滴的帶電量。按下汞燈按扭，低壓汞燈亮，約5秒鐘，油滴的運(yùn)動(dòng)速度發(fā)生改變，這是油滴的帶電量已經(jīng)改變了。,六、研究課題,1、靜態(tài)平衡測(cè)量法測(cè)電子電荷,提示：,用靜態(tài)平衡測(cè)量法實(shí)驗(yàn)時(shí)要測(cè)量的有兩個(gè)量，一個(gè)是平衡電壓U，另一個(gè)是油滴勻速下降一段距離l所需要的時(shí)間tg。測(cè)量平衡電壓必須經(jīng)過仔細(xì)的調(diào)節(jié)，并將油滴置于分劃板上某條橫線附近，以便準(zhǔn)確判斷出這顆油滴是否平衡。,顯微鏡中看到的油滴,測(cè)量油滴勻速下降一段距離l所需要的時(shí)間tg時(shí)，應(yīng)先讓油滴下降一段距離后再測(cè)量時(shí)間。選定測(cè)量的一段距離l，應(yīng)該在平行板之間的中央部分，即視場(chǎng)中分劃板的中央部分。若太靠近上電極板，小孔附近有氣流，電場(chǎng)也不均勻

7、，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。若太靠近下電極板，測(cè)量完時(shí)間tg后，油滴容易丟失，影響測(cè)量。一般取l為0.2厘米比較合適。,用同樣方法分別對(duì)45顆油滴進(jìn)行測(cè)量，對(duì)MOD-5B型密立根油滴儀，也可用改變油滴帶電量的辦法，反復(fù)對(duì)同一顆油滴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，求得電子電荷e。,對(duì)同一顆油滴應(yīng)進(jìn)行1012次測(cè)量，而且每次測(cè)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(cè)量顯微鏡跟蹤油滴，勿讓油滴丟失。,2、動(dòng)態(tài)非平衡測(cè)量法測(cè)電子電荷,3、改變油滴的帶電量，驗(yàn)證電 荷的不連續(xù)性,4、觀測(cè)油滴的布朗運(yùn)動(dòng),研究課題,七、思考題,若平行極板不水平，對(duì)測(cè)量有何影響？ 如何選擇合適的油滴進(jìn)行測(cè)量？ 實(shí)驗(yàn)上怎樣做才能保證油滴做勻速運(yùn)動(dòng)？ 怎樣判斷油滴所帶電荷量的改變？,八、參考文獻(xiàn),R.A.Millikan，Phys.Rev. Vol.21(1923)483; Vol.22(1923)409 潘人培等，物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)參考書，高等教育出版社（1990）,九、實(shí)驗(yàn)已知參數(shù),重力加速度 油滴密度 空氣密度 極板間的距離 200C時(shí)的粘滯系數(shù) 200C時(shí)的大氣壓 修正系數(shù),編 導(dǎo)： 葉慶好 解 說：