密立根油滴实验近代物理实验论文

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1、近代物理实验论文——密立根油滴测电子电荷学院：理学院班级：姓名：学号：密立根油滴测电子电荷摘要：密立根油滴实验可以测量油滴的电量，并可验证电荷的量子性，即任何带电体所带的电量都是基本的整数倍。OM98型油滴仪将油滴喷入电容两块水平的平行电极板之间时，油滴经喷射后，一般都是带电的。在不加电场的情况下，小油滴受重力作用而下落，当重力与空气的浮力（或者阻力）和粘滞阻力平衡时，它便匀速下降，或者平衡在某一点，通过测量下降一定高度的时间从而计算得出油滴的带电量。本实验难度较大，且存在不可避免的误差，测量物体带电量还有其他方法这里不再赘述。关键字：密立根油滴实验、显微摄像油滴仪（OM98型）、油

2、滴引言：密立根油滴实验，美国物理学家密立根所做的测定电子电荷的实验。1907-1913年密立根用在电场和重力场中运动的带电油滴进行实验，发现所有油滴所带的电量均是某一最小电荷的整数倍，该最小电荷值就是电子电荷。一、实验目的1、利用电视显微密立根油滴仪测量电子电荷。2、了解CCD图像传感器的原理与应用，学习电视显微测量方法。二、实验背景　1897年汤姆生发现了电子的存在后，人们进行了多次尝试，以精确确定它的性质。汤姆生又测量了这种基本粒子的比荷（荷质比），证实了这个比值是唯一的。许多科学家为测量电子的电荷量进行了大量的实验探索工作。电子电荷的精确数值最早是美国科学家密立根于1917年用

3、实验测得的。密立根在前人工作的基础上，进行基本电荷量e的测量，他作了几千次测量，一个油滴要盯住几个小时，可见其艰苦的程度。密立根通过油滴实验，精确地测定基本电荷量e的过程，是一个不断发现问题并解决问题的过程。为了实现精确测量，他创造了实验所必须的环境条件，例如油滴室的气压和温度的测量和控制。开始他是用水滴作为电量的载体的，由于水滴的蒸发，不能得到满意的结果，后来改用了挥发性小的油滴。最初，由实验数据通过公式计算出的e值随油滴的减小而增大，面对这一情况，密立根经过分析后认为导致这个谬误的原因在于，实验中选用的油滴很小，对它来说，空气已不能看作连续媒质，斯托克斯定律已不适用，因此他通过分

4、析和实验对斯托克斯定律作了修正，得到了合理的结果。三、实验仪器OM98型油滴仪、显微摄像油滴仪四、实验原理与操作一个质量为m，带电量为ｑ的油滴处在二块平行极板之间，在平行极板未加电压时，油滴受重力作用而加速下降，由于空气阻力的作用，下降一段距离后，油滴将作匀速运动，速度为Vg，这时重力与阻力平衡（空气浮力忽略不计），如图1所示。根据斯托克斯定律，粘滞阻力为　　　　　图1　　　　　　　　　　　　　　式中是空气的粘滞系数，ａ是油滴的半径，这时有　　　　　　　　　　　　　　　　图2当在平行极板上加电压V时，油滴处在场强为Ｅ的静电场中，设电场力qＥ与重力相反，如图2所示，使油滴受电场力加速上

5、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、重力与电场力达到平衡（空气浮力忽略不计），则油滴将以匀速上升，此时速度为Ｖｅ，则有：　　　　　　　　　又因为　　　　Ｅ＝Ｖ／ｄ　　　　　　　　　由上述（１）、（２）、（３）式可解出　　　　　　　　　　　　　为测定油滴所带电荷ｑ，除应测出Ｖ、ｄ和速度Ｖｅ、Ｖｇ外，还需知油滴质量ｍ，由于空气中悬浮和表面张力作用，可将油滴看作圆球，其质量为　　　　　　　　　　　式中是油滴的密度。　　由（１）和（５）式，得油滴的半径　　　　　　　　　　　　　　　　　　考虑到油滴非常小，空气已不能看成连续媒质，空气的粘滞系数应修正为　　　　　　　　　　

6、　　　　　　　式中ｂ为修正常数，ｐ为空气压强，ａ为未经修正过的油滴半径，由于它在修正项中，不必计算得很精确，由（６）式计算就够了．　　实验时取油滴匀速下降和匀速上升的距离相等，设都为l，测出油滴匀速下降的时间ｔｇ，匀速上升的时间ｔe，则　　　　　　　　　　　　　将（５）、（６）、（７）、（８）式代入（４），可得　　　　令　　　得　　　/V　　　　　　　此式是动态（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。　　调节平行极板间的电压，使油滴不动，Ve=0，即ｔｅà，由上式可得　　　　　　或者　　　　　　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

7、测得的各个电荷ｑ求最大公约数，就是基本电荷ｅ的值，也就是电子电荷ｅ，也可以测得同一油滴所带电荷的改变量（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、实验步骤1、仪器调整　　调节仪器底座上的三只调平手轮，将水泡调平。由于底座空间较小,调手轮时如将手心向上,用中指和无名指夹住手轮调节较为方便。　　喷雾器内的油不可装得太满，否则会喷出很多“油”而不是“油雾”，堵塞上电极的落油孔。每次实验完毕应