实验一密立根油滴实验

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1、实验一密立根油滴实验美国实验物理学家密立根(R.A．Millikan)首先设计并完成了密立根油滴实验。本实验在近代物理学的发展史上是一个十分重要的实验。它证明了任何带电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；并精确地测定了基本电荷的数值，为从实验上测定其它一些基本物理量提供了可能性。密立根油滴实验设计巧妙、原理清楚、设备简单、结果准确，是一个著名而有启发性的物理实验。目前e的公认最准确的量值为：e=（1.6021892±0.0000046）×10-19C【实验目的】

2、1、验证电荷的不连续性及测量基本电荷电量。2、学习并了解CCD图像传感器的原理与应用，学习电视显微测量方法。【实验仪器】MOD—5B型微机密立根油滴仪，如下图。　　　　图1　微机密立根油滴仪1．电源开关2．功能控制开关：有平衡、升降、测量三档3．平衡电压调节旋钮（DC0～500V）4．计时/暂停按钮。5．视频输出插座：6．照明灯室7．水准仪8．上、下电极9．秒表清零键1O．显微镜11．CCD视频输入和CCD电源共用座12.保险丝盒13．CCD摄像头8【实验原理】用油滴法测量电子的电荷，可以用静态（

3、平衡）测量法或动态（非平衡）测量法。前者的测量原理、实验操作和数据处理都较简单，常为非物理专业的物理实验所采用；后者则常为物理专业的物理实验所采用。两种测量方法分述如下：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，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2所示。如果调节两极板间的电压V，可使该两力达到平图2衡，这时(1)从上式可见，为了测出油滴所带的电量q

4、，除了需测定V和d外，还需要测量油滴的质量m。因m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mg平衡，如图3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）式中η是空气的粘滞系数，α是油滴的半径（由于表面张力的原因，油滴　图3总是呈小球状）。设油的密度为ρ，油滴的质量m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

5、作如下修正这时斯托克斯定律应改为8式中b为修正常数，b=6.17×10-6米·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）至于油滴匀运下降的速度，可用下法测出：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(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。＊2．动态（非平衡）测量法平衡测量法是在静电力qE和重

6、力mg达到平衡时导出公式(8)进行实验测量的。非平衡测量法则是在平行极板上加以适当的电压V，但并不调节V使静电力和重力达到平衡，而是使油滴受静电力作图四用加速上升。由于空气阻力的作用，上升一段距离达到某一速度后，空气阻力、重力与静电力达到平衡（空气浮力忽略不计），油滴将以匀速上升，如图四所示。这时当去掉平行极板上所加的电压V后，油滴受重力作用而加速下降。当空气阻力和重力平衡时，8上两式相除得（9）如果油滴所带的电量从q变到q’，油滴在电场中匀速上升的速度将由变为，而匀速下降的速度不变，这时电量的变

7、化量（10）实验时取油滴匀速下降和匀速上升的距离相等，设都为。测出油滴匀速下降的时间为，匀速上升的时间为和，则（11）将（6）式油滴的质量m和（11）式代入（9）式和（10）式，得8则（12）（13）从实验所测得的结果，可以分析出与只能为某一数值的整数倍，由此可以得出油滴所带电子的总数n和电子的改变数i，从而得到一个电子的电荷为(14)从上讨论可见(1)用平衡法测量，原理简单、直观，但需调整平衡电压；用非平衡法测量，在原理和数据处理方面较平衡法要繁一些，但它不需要调整平衡电压。(2)比较（8）式和

8、（12）式，当调节电压V使油滴受力达到平衡时，，（12）式和（8）式相一致，可见平衡测量法是非平衡测量法的一个特殊情况。【实验内容与步骤】1．调整仪器将仪器放平稳，调节仪器底部的调平螺丝，使水准仪指示水平，这时平行极板处于水平位置。预热10分钟。打开油雾开关，将油从油雾室旁的喷雾口喷入（喷一次即可）。调节摄像头的调焦手轮，视场中出现大量清晰的油滴，如夜空繁星，并且随着摄像头的位置改变，可以观察到不同的油滴。2．练习测量（1）练习控制油滴。用平衡法实验时，在平行极板上加工作（平衡）电