大学物理实验教材.doc

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1、实验一密立根油滴实验由美国物理学家密立根（R·A·Millikan）设计并完成的密立根油滴实验，在近代物理学史上起着十分重要的作用。实验的结论证明了任何带电物体所带的电荷都是某一最小电荷——基本电荷的整数倍；明确了电荷的不连续性；并精确地测定了这一基本电荷的数值即e=(1.602±0.002)×10C。实验构思巧妙，方法简便，结论准确，因此现在我们重演这个实验仍具有一定的启发性。【实验目的】1．通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，掌握密立根油滴实验的原理。2．学习和掌握用平衡法测量电子电量。3．测定电子的电荷量e，并验证电荷的不连续性。【实验器材】(一)油滴盒：是本仪器很

2、重要部分，机械加工要求较高。其结构见图1。油滴盒防风罩前装有测量显微镜，通过绝缘环上的观察孔观察平行极板间的油滴。图1油滴盒结构图（二）仪器面板结构如图2所示图2仪器面板结构图1．CCD：将光信号转换成电子图像信号，与成像显微镜及显示器组成电子成像系统。2．电源开关按钮：打开按钮，电源接通，整机开始工作。3．视频输出插座：将CCD成像系统的信号输出至显示器。显示器阻抗选择开关拨至75Ω处。4．功能切换开关：有平衡、升降、测量三档。（1）当处于中间位置即“平衡”档时，可用电压调节旋钮来调节平衡电压大小，使被测油滴处于平衡状态。调节平衡电压范围为DC0～450V。（2）当处于“升降”

3、档时，上下电极在平衡电压的基础上自动增加提升电压，油滴将失去原先的平衡状态（上升或者下降）。升降电压大小用电压调节旋钮来调节。调节范围为DC300～700V。（3）当处于“测量”档时，极板间电压为0V，被测量油滴在被测量阶段因受重力影响而匀速下落，并同时开始计时；油滴下落到预定距离时，迅速拨到平衡档，同时停止计时。5．电压调节旋钮：置于不同的档位可调节不同的电压，调节范围为DC0～700V6．视频输入座：CCD视频输出和CCD电源共用座。7．秒表记时键：按一下该键，清除秒表内存同时开始计时，再按一下该键，计时器将停止计时，秒表显示当前计时时间。8．水平仪：调节仪器机箱底部三只调平

4、螺栓，使水泡处于中间位置，此时平行板处于水平位置。9．成像显微镜：显示油滴成像，与CCD成像系统及显示器配套使用组成电子成像系统。10．油室：由上、下电极组成一个平行极板的电容器，加上电压时，极板间形成相对均匀电场，可使带电油滴在电场中处于平衡状态。11．照明灯室：内置永久性照明LED，单灯使用寿命大于三年。12．计时器：用来测量油滴下降预定距离间的时间，精确到0.1S。13．三位半数字电压表：显示上下电极板之间的实际电压。【实验原理】用油滴法测量电子的电荷，可以用静态（平衡）测量法或动态（非平衡）测量法。这里采用平衡法测量，下面简要介绍其原理：静态(平衡)测量法：用喷雾器将油喷

5、入两块相距为d的水平放置的平行极板之间。油在喷射撕裂成油滴时，一般都是带电的。设油滴的质量为m，所带的电荷为q，两极板间的电压为V，则油滴在平行极板间将同时受到重力mg和静电力qE的作用。如图3所示。如果调节两极板间的电压V，可使该两力达到平衡，这时：（1）图4图3从上式可见，为了测出油滴所带的电量q，除了需测定V和d外，还需要测量油滴的质量。因很小，需用如下特殊方法测定：平行极板不加电压时，油滴受重力作用而加速下降，由于空气阻力的作用，下降一段距离达到某一速度后，阻力与重力平衡，如图4所示(空气浮力忽略不计)，油滴将匀速下降。根据斯托克斯定律，油滴匀速下降时：（2）上式中η是空

6、气的粘滞系数，α是油滴的半径（由于表面张力的原因，油滴总是呈小球状）。设油的密度为ρ，油滴的质量，可以用下式表示：（3）由(2)式和(3)式，得到油滴的半径:（4）对于半径小到10-6米的小球，空气的粘滞系数η应作如下修正:这时斯托克斯定律应改为:式中b为修正常数，b=6.17×10-6米每厘米汞高，p为大气压强，单位用厘米汞高。得:（5）上式根号中还包含油滴的半径α，但因它处于修正项中，不需十分精确，因此可用(4)式计算。将(5)式代入(3)式，得:（6）至于油滴匀速下降的速度，可用下面方法测出：当两极板间的电压V为零时，设油滴匀速下降的距离为,时间为,则:（7）将(7)式代入

7、(6)式，(6)式代入(1)式，得：（8）上式是用平衡测量法测定油滴所带电荷的理论公式。【实验内容】这里重点介绍平衡法测量步骤，非平衡法测量步骤与此大同小异。1．调整仪器：将仪器放平稳，调节仪器机箱底部左右两只调平螺丝，使水准泡指示水平，这时平行极板处于水平位置。先预热10分钟，利用预热时间，调节监视器，使分划板刻线清晰。将油从油雾室旁的喷雾口喷入（喷一、两次即可），微调测量显微镜的调焦手轮。这时视场中出现大量清晰的油滴，如夜空繁星。如果视场太暗，油滴不够明亮，可略微调节监视器面