密立根油滴实验.pdf

实验实验6.21 密立根油滴实验密立根油滴实验实验目的实验原理实验数据实验步骤已知参数实验仪器思考题密立根简介注意事项数据处理密立根简介：密立根（Robert Andrews Millikan）是 著名的实验物理学家1913年，他以闻名的 油滴实验证实电子的存在，并测定了电子的 电荷值，电子的普遍存在从此得到令人信服 的证明 由于密立根在测量电子电荷量等方 面的杰出成就而荣获1923年诺贝尔物理学奖 密立根的实验设备简单而有效，构思巧 妙并且方法简洁，测得数据精确且结果稳定 ，是一个著名的有启发性的实验，被誉为物 理实验的典范一﹑ 实验目的实验目的1．．通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的 测量，验证电荷的不连续性，加深对电荷量子化 理解 2 . 通过对实验仪器的调整，油滴的选择、跟踪和 测量，了解仪器的组成和工作原理， 3. 学习密立根油滴实验的设计思想，实验数据处 理方法，培养学生严谨的科学实验态度二﹑实验仪器二﹑实验仪器OM-99型密立根油滴仪、CCD摄像头及监视器、 专用喷雾器密立根油滴仪包括油滴盒、油滴照明装置、调平 系统、测量显微镜、供电电源以及电子停表、喷雾器 等部分组成。

实验仪器】1、密立根油滴仪极性极性：选择电极间电场方向，可 选“+”或“-”，实验时保持不变平衡平衡：通常置于中间(平衡)，扳 向身边（0伏）开始计时，回到 中间计时结束推向前面（提升） 可使油滴向上运动 联动联动：扳向身边，保持计时器与 平衡开关联动状态 计时停计时停：当不需要计时而正在计 时，可按此按钮使计时器停止， 无需清零 平衡电压平衡电压：调节此旋钮可改变电 极之间的电压2、电视显示器显示器屏幕上的线 条是油滴仪中电极之间 的空间坐标，不同水平 线即为电极之间不同高 度位置，每两条水平线 之间的空间距离为 0.25mm，屏幕右上角分 别为测量电极之间电压 的电压表和记录油滴下 落时间的计时器3、喷雾器及钟油喷雾器使用时油滴出口处 对准油雾室边上的孔，用力用力挤 压喷雾器的橡皮气囊，通常喷 射三至四下即可找到合适的油 滴使用时喷口要向上4、喷雾器及喷雾器杯子 喷雾器使用时或闲置时必 须保持油滴出口处始终朝上, 不得横在桌上或倒置在杯中, 以防止油直接流出来使用过 程中要轻拿轻放，避免碰碎喷 雾器 喷油雾时保持喷口冲上，避免 将油直接喷出！三﹑ 实验原理三﹑ 实验原理油滴在平行极板之间同时 受两个力的作用，一个是重力 mg，一个是静电力。

如果调节两极板之间的电 压V，可使两力相互抵消而到 平衡，如图1所示图1：油滴在两平行极板之间静止1.静态测量法dvq Emg/qE qV d设油滴的质量为m,所带电量 为q，两极板之间的电 压V用油滴法测量电子的电荷有两种方法，即静态测量法和动态测量法，分述如下：平行极板未加电压时，油滴受重力作用而下降，但是由 于空气的粘滞阻力与油滴的速度成正比，油滴下落一小段距 离达到某一速度后，阻力与重力平衡（空气浮力忽略不 计），油滴将匀速下降由斯托克斯定律可知 （2）gv6mgr v 为了测出油滴所带的电量q，除了需测定V 和d 外，还 需测量油滴的质量m 因m很小，需要用如下特殊的方法测定这时 , mg＝q*V/d （1）式中η是空气的粘滞系数，r是油滴的半径（由于表面张力的原因，油滴总 是呈小球状）设油滴的密度为ρ，油滴的质量m又可以用下式表示34 3mr（3）由（2）式和（3）式得到油滴的半径92gvrg（4）式中b为一修正常数，b = 6.17 ×10 m·cmHg，p为 大气压强，单位为cmHg。

用代替（4）式中的，得（5）-61b p r 91 21gvrbg p r 空气的粘滞系数应作如下修正斯托克斯定律适用于连续介质中 球状物体所受的粘滞力由于油 滴甚小，其直径可和空气分子的 平均自由程相比拟，所以不能再 将空气看成是连续介质，油滴所 受粘滞力必将减小，粘滞系数应 予以修正上式根号中还包含油滴的半径r，但因为它处于修正项 中， 不需要十分精确，故它仍可以用（4）式计算将（5） 代入（3）式，得gg glvtlgv3 2 941 321gvmbg pr   对于匀速下降的速度，可用下法测出：当两极板间 的电压V=0时，设 油滴匀速下降的距离为，时间为t，则（6）（7）将（7）式代入（6）式，（6）式代入（1）式，得（8）3 21 8 21gldqvbgtp r    上式就是用静态法测定油滴所带电荷的计算公式实验发现，对于同一颗油滴，如果我们改变它所带的电 量，则能够使油滴达到平衡的电压必须是某些特定的值实验发现，对于同一颗油滴，如果我们改变它所带的电 量，则能够使油滴达到平衡的电压必须是某些特定的值Un， 这就表示与它相对应的电量是不连续的，而， 这就表示与它相对应的电量是不连续的，而e 则是一个不变 的值。

则是一个不变 的值2、、动态测量法（参考教材）实验步骤：1、调节仪器底部螺丝，让油滴盒处于水平状态； 2、清理油滴盒油雾杯，喷雾器注油2～3mm 3、用喷雾器向油雾室喷油，转动显微镜的调焦手轮， 使屏幕上出现清晰的油滴图象； 4、将仪器面板右侧的“控制”开关置于“平衡”档，调节极 板间的平衡电压200伏左右，使屏幕上保留少数的清晰油 滴；再选择一个大小合适的油滴；下落时间在6～50秒左右 5、通过调节平衡电压的大小让油滴处于静止不动的平 衡状态，记录此时屏幕上显示的电压，此电压就是油滴的平 衡电压； 6、用“提升”档将油滴提到第二格起跑线上，开始运动同 时计时，当油滴运动到第七格时停止运动同时结束计时，记 录油滴运动六格所需的时间； 7、再将油滴提到第二格起跑线上重复测量4次匀速下降 的时间与平衡电压； 8、再选第二个油滴重复上面的过程四﹑实验准备实验准备1 1) )调节调平螺丝，使水准仪气泡处在中心位 置，以保证电场力方向与重力方向平行，否 则，油滴几经上下就会离开显微镜视场，无 法继续测量1、调节仪器2）2）在喷雾器中注入油数滴，将油从喷雾口喷 入，调节测量显微镜的调焦手轮，随即可以 从显微镜中看到大量清晰的油滴。

l1）1）练习控制油滴：“平衡电压”开关和“升降电压”开关均 拨到中间“0”位置，旋转平衡电压旋钮将平衡电压调至 200-300V将油滴喷入，在视场中看到油滴后，将“平衡电 压”开关拨向“+”（或“-”）位置，把事先调好的电压加 到平行极板上，多数油滴立即以各种不同的速度向上或向下 动而消失当视场中剩下几个因加电压而运动缓慢的油滴 时，从中选择一个，仔细调节平衡电压的大小，使它不动 接着利用升降电压使它上升，然后去掉极板电压再让它下降 如此反复升降，直到能熟练控制油滴的运动若发现油滴逐 渐变得模糊，需微调显微镜跟踪油滴，使油滴保持清晰2、2、测量练习2）2）练习选择油滴：选择一个大小合适，带电量适中的油滴， 是做好本实验的关键选的油滴不能太大，太大的油滴虽 然比较亮，但是一般带电荷比较多，下降速度也比较快， 时间不容易测准确油滴也不能选得太小，油滴太小受布 朗运动或气流的影响太大，时间也不容易测准确通常可 以选择平衡电压在70V以上，匀速下降2mm(8格)所用时间 为7-30秒的油滴，其大小和带电量都比较合适3）3）练习测量：利用平衡电压及升降电压把选中的油滴调到接 近上极板，去掉电压，待油滴下降速度稳定后，并通过 一刻线时开始计时，记录下降四格所用的时间，反复几 次，熟练掌握测量时间的方法。

1）1）静态法：由（8）式可知，用静态法实验时要测量三个量， 即平衡电压V，油滴匀速下降一段距离所用的时间tg.测量平衡电压必须经过仔细的调节，并将油滴置于分划 板上某条横线附近，以便正确判断出这个油滴是否平衡了测量时间tg时，为保证油滴匀速下降，应先让它下降1格 ，再开始计时选定测量的一段距离，应该在平行极板的中 央部分，即视场中分划板的中央部分若太靠近上极板，小 孔附近有气流，电场也不均匀，会影响测量结果太靠近下 极板，测量完时间后，油滴容易丢失，影响重复测量，一般 取=1.50mm比较合适3、3、正式测量l因为t 有较大涨落，对同一个油滴应进行4次测量，然 后取 它们的平均值另外，要选择不同的油滴（不少于2个） 进行反复测量实验内容】1、寻找合适油滴调节平衡电压初始 值为200伏左右，平衡 开关置于中间 打开油雾室开关， 使油雾室中心向下通道 畅通 将喷雾器对准油雾 室边上的孔喷射油滴， 连喷1到2次，调节显微 镜手轮，在屏幕上找到 适当明亮并移动缓慢的 油滴平衡电压初测平衡电压初测：调节平衡电压使油滴保 持基本静止，观察平衡电压值，该电压应 在100V～300V之间 下落时间初测下落时间初测：计时器应处于停止状 态，继续调节电压使油滴移到坐标上面的 第二条水平线上(起跑线)，将平衡开关从 中间扳向身边，此时极板上电压为零，计 时器开始计时，油滴即以匀速(经极短暂的 加速过程)向下运动。

油滴运动至坐标下面 倒数第二条水平线上(终点线)时将平衡开 关回到中间，电压恢复运动前的平衡电压 ，油滴停止运动，计时器停止计时，此时 计时器的记录值应在4～15秒之间 如记录到的平衡电压和下落时间超出 规定范围，则放弃该油滴，重新寻找新的 油滴进行测量实验内容】2、初步测量【实验内容】3、正式测量 找到合适油滴后关闭油雾室开关，以免外部气流影响被 测油滴的运动 平衡电压测量：平衡电压测量：首先调节平衡电压，使油滴保持静止， 观察一段时间油滴不再上下移动，记录此时电压即为平衡电 压 下落时间测量下落时间测量：按照前页介绍方法，测出油滴从起跑线 移动到终点线（6格，1.5mm)所用时间，即下落时间 将平衡开关推向“提升”档，油滴向上运动，到达上面 时平衡开关回到“平衡”档，油滴停止移动，重新测量平衡 电压调节平衡电压旋钮使油滴移到起跑线上，再次测量下 落时间对每颗油滴反复测量4次，并测量2颗不同油滴五五﹑﹑实验数据记录实验数据记录 其中q是油滴的带电量，n是油滴带电量子数量，第一颗油滴第二颗油滴第三颗油滴平衡电压第一颗油滴第二颗油滴第三颗油滴平衡电压 U/V下落时间下落时间 t/S平衡电压平衡电压 U/V下落时间下落时间 t/S平衡电压平衡电压 U/V下落时间下落时间 t/S1 2 3 4平均平均q/Cn误差温度压强误差温度压强:六﹑数据处理（两个油滴要分别计算）由公式（ 4）计算油滴的半径根据公式（8）计算油滴的电荷量3 218 21gldqvbgtpr   9 2glrg t Vttneq1 )]10264. 21 ([109277. 023214 将实验测量和计算得到的一组油滴带电量数据除以公认 值e得到各油滴的带电量子数（一般为非整数），再对这些 四舍五入取整，作为各油滴的带电量子数n，Ceeqni191060. 1 取整%100nEen＝取小数；相对误差：＝误差：iq本实验数据处理（要求计算两个电荷）： 若 l＝1.50mm，且取标准大气压，则电量公式为：2121 nne实验值：相对误差：10010000eeeEnqn1n2q1q2喷油时，只需喷一两下即可，不要喷得太多 ，不然会堵塞小孔。

对选定油滴进行跟踪测量的过程中，如果油 滴变得模糊了，应随时调节显微镜镜筒的位 置，对油滴聚焦；对任何一个油滴进行的任 何一次测量中都应随时调节显微镜，以保证 油滴处于清晰状态平衡电压取100～300V为最好，应该尽量在 这个平衡电 压范围内去选择油滴在监视器上要保证油滴竖。