密立根油滴实验测电子电荷 毕业论文

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1、密立根油滴实验测电子电荷摘要：通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，验证电荷的量子性及测电子电荷值（）关键词：密立根油滴测电子电荷一.引言美国实验物理学家罗伯特.安德鲁.密立根(RobertAndrewsmillikan)以其实验的精确著名。从1907年一开始，他致力于改进威耳逊云雾室中对α粒子电荷的测量甚有成效，得到卢瑟福的肯定。卢瑟福建议他努力防止水滴蒸发。1909年，当他准备好条件使带电云雾在重力与电场力平衡下把电压加到10000伏时，他发现的是云层消散后“有几颗水滴留在机场中”，从而创造出测量电子电荷的平衡水珠

2、法、平衡油滑法，但有人攻击他得到的只是平均值而不是元电荷。1910年，他第三次作了改进，使油滴可以在电场力与重力平衡时上上下下地运动，而且在受到照射时还可看到因电量改变而致的油滴突然变化，从而求出电荷量改变的差值；1913年，他得到电子电荷的数值：相当于，这样，就从实验上确证了元电荷的存在。他测的精确值最终结束了关于对电子离散性的争论，并使许多物理常数的计算获得较高的精度。由于上述工作密立根赢得了1923年度诺贝尔物理学奖。[1]二.实验装置[2]8上盖板9喷雾口10油雾孔11上电极压簧12油滴盒基座1油雾杯2油雾孔开关3防

3、风罩4上电极5油滴盒6下电极7座架图1CCD微机密立根油滴仪主要由油滴盒、CCD成像系统、电路箱、监视器等组成。见图1、图2-10-图31.电源线2.指示灯5.调平水泡3.电源开关4.视频电缆6.显微镜-0V计时/停平衡电压+提升平衡7.上电极压簧8.K19.K210.联动11.K312.W图2联动图三（1）油滴盒：这是仪器的重要部件，其结构见图1。从图上可以看到，它的上下电极直接用精加工的平板垫在胶木园环上；底部装有三只调平手轮，调平水泡见图2。这样，极板间的不平行度、极板间的间距误差都可以控制在0.01mm以下。在上电极

4、板中心有一个0.4mm的油雾落入孔，在胶木园环上开有显微镜观察孔和照明孔。在油滴盒外套上装有防风罩，罩上放置一个可取下的油雾杯，杯底中心有一个落油孔，档片是用来遮挡落油孔的。-10-（2）电路箱：电路箱体内装有高压发生器、测量显示等电路。在上电极板上方有一个可以左右拨动的压簧，注意，只有将压簧拨向最边位置，方可取出上极板！它为的是保证压簧与电极始终接触良好。照明灯安装在照明座中间位置。在面板上有两个控制平行极板电压的三档开关见图2。三.实验原理用油滴法测量电子的电荷，可以有静态（平衡）测量和动态（非平衡）测量两种方法。前者的

5、测量原理、实验操作和数据处理相对简单，多为非物理专业的物理实验所采用，本实验定为指定实验内容；后者则常为物理专业的物理实验所采用，在此定位选作内容。现分述如下：1．静态（平衡）测量法用喷雾器将油喷入两块相距为d的水平放置的平行极板之间。油在喷射撕裂成油滴时，由于摩擦一般都是带电的。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。受力分析如图1所示。图1如果调节两极板间的电压V=V0，可使该两力达到平衡，这时有(1)从上式可见，除了已知参量是g，d（仪器指定）外，为

6、了测出油滴所带的电量q，还需测定平衡电压V0和知道油滴的质量m。因m很小，需用如下方法测定：（1）当平行极板不加电压时静电力消失，油滴受重力作用会加速下降，但由于空气阻力的作用，下降一段距离达到某速度后阻力与重力mg平衡（空气浮力忽略不计），受力分析如图1，图2所示    油滴将以匀速下降。根据斯托克斯定律和牛顿第二定律有（2）-10-式中是空气的粘滞系数，是油滴的半径（由于表面张力的原因，油滴总是呈球状）。（2）设油的密度为，油滴的质量m还可以用下式来表示(3)由(2)和(3)式，消去m可以得到油滴半径　　　　　　（４）此

7、时还需考虑到油滴非常小(小于10-6m)时，空气的粘滞系数需修正为　　　　（5）斯托克斯定律应改为（2’）式中b为修正常数，b=8.22×10-3mPa，p为大气压强=得（6）注：上式根号中虽还包含油滴的半径,但因它处于修正项中不需十分精确，可利用(4)式计算。将(6)式代入(3)式，得（3’）这里还需考虑油滴匀速下降的速度。如前所述，由于空气阻力的存在，油滴是先经一段变速运动然后进入匀速运动的。但这变速运动的时间非常短，远小于0.01秒，与计时器精度相当。因此可以看作当油滴自静止开始运动时，即作匀速运动。设油滴匀速下降的距

8、离为L,时间为tg，则-10-（7）再将(7)式代入(3’)式，可得（3”）代入(1)式，得(8)式（8）是用平衡测量法测定油滴所带电荷的理论公式。实验发现，如果反复利用这个油滴并设法使其中途丢失电荷，则使油滴达到平衡时的电压也会发生改变，而且是些特定的电压值，它们满足方程（9）这里n是整