实验3-1 密立根油滴实验

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1、密立根油滴实验1引言1833年法拉第发现了电解定律：从电解质中分解出一克当量原子的任何物质，都需要用相同的电量通过相应的电解质。由于物质组成是量子化的，这一定律的成立，自然引导人们讨论，电量也是量子化的。为验证电量的量子化，密立根在前人工作的基础上，从1907年开始进行基本电荷量的测量，并于1911年发表了他的成果。密立根油滴实验是一个非常著名的经典物理实验，其重要意义在于它直接地显示出了电量的量子化，并最早测定了电量的最小单位——基本电荷电量e。密立根由此获得了1923年度诺贝尔物理学奖。2实验原理设质量为m带电量为-q的油滴在两平行极板间运动，两极板间电压为U

2、，极板间距为d。则油滴在极板间将同时受到重力mg、电场力qE和浮力F的作用，如图所示。当油滴运动时同时也受空气阻力(黏滞阻力)作用，根据斯托克斯定律，黏滞阻力为（1）这里，γ为油滴的半径，η为空气的黏滞系数，υ为油滴运动的速度。设油滴以速度υe向上做匀速直线运动，有qE=mg-F-Fr,即(2)油滴半径的测量：两极板上不加电压且油滴以速度υg匀速下降时，有mg-F=Fr，得(3)由(2)和(3)式得(4)考虑到油滴的半径小到10-6m，空气不能再看作连续介质，黏滞系数应做如下修正(5)这里，A为修正常数，p为大气压强，r为油滴半径。修正后油滴所带电量的公式（6）油

3、滴盒的结构油滴仪的结构3实验内容本实验采用测量不同带电油滴所带电量，求最大公约数的办法测定基本电荷量e。用油滴法测量电子的电荷e，可以用静态(平衡)测量法或动态(非平衡)测量法。1）静态法对选定带电油滴，通过调节加在两极板的电压使其静止，记下平衡电压，然后将电压去掉，油滴下落，测量油滴匀速通过距离Sg所用时间tg。计算速度υe和半径r，再计算油滴所带电量，最后求出基本电荷量。2）动态法对选定带电油滴，先在不加电压的情况下，测量油滴匀速下落Sg所需时间tg，以求出油滴匀速下落的速度υg。然后在两极板上加一适当电压，使油滴匀速向上运动，记下电压，测量油滴通过Se所需时

4、间tg，计算速度υe进而计算油滴所带电量以及基本电荷量。共测5个油滴。4步骤与要求步骤:1.调整仪器：(1)调整仪器底部的调平螺丝，使水准泡指示水平;(2)将监视器亮度调低，对比度调到最高;(3)将油从油雾室旁的喷雾口喷入，微调显微镜的调焦手轮，使视场中出现大量清晰的油滴。2.选择合适的油滴：将油滴仪的功能键置于“平衡”档，调节平衡电压至100~300V之间，观察能够静止的油滴，并且要满足油滴匀速下降1.5mm所用时间在8~20s之间。具体操作为，将油滴仪的功能键置于“up”档，使油滴运动到显示屏的最高刻度线，然后油滴仪的功能键置于“down”档，使油滴运动到第二

5、刻度线的时候开始计时，一直运动到最底端刻度线时计时停止。选择这段时间在8~20s的油滴。3.正式测量：选择满足上述条件的10颗油滴进行时间的测量，每个油滴重复测量5次。注意：计时结束时，一定要迅速将油滴仪的功能键置于“平衡”档，否则油滴就会运动到下极板而观察不到，进而无法测量5次。实验注意事项:1.实验前必须调节水准泡；2.每次都要调节平衡电压，要求每个油滴的平衡电压和下降时间都不同;3.擦拭极板时要关掉电源，以免触电；4.喷油时功能键应置于down处，即两电极板间电压为零;5.喷雾时喷雾器应竖拿,食指赌住气孔,对准油雾室的喷雾口,轻轻喷入少许即可;6.喷油后应将

6、风口盖住，以防止空气流动对油滴的影响;7.注意跟踪油滴，随时调节显微镜镜筒，不断校准平衡电压,发现平衡电压有明显改变,则应放弃测量，或作为一颗新油滴重新测量；8.选择平衡电压200V左右，下降1.5mm时间8-20s的油滴。5数据处理与误差估算1）静态将ρ=955.12kg/m3，g=9.810m/s2，η=1.81×10-5kg/(m·s)，A=8.331×10-3m·Pa，p=1.013×105Pa，σ=1.293kg/m3及上表中的平均时间带入（6）式得到10个油滴的带电量q的大小及其与电子电荷的倍数n。数据表油滴序号电压（V）tg(s)Sg(mm)υg（m

7、m/s)r(μm)q(×10-19C)ne(×10-19C)1699.5721.50.1571.16949.18311.586526222.591.50.06640.76014.2991.5878311525.6281.50.05850.7136.3141.577542820.5341.50.07300.63535.44221.6109511911.5221.50.1301.06321.27131.6362613021.1161.50.07100.7867.5751.5140713822.611.50.06630.7596.4041.6000810520.0881

8、.50.0