密立根油滴实验翟浩淋.pdf

实验报告题目 : 用密立根油滴仪测量电子电量姓名翟浩淋学院理学院专业应用物理学班级2013214103 学号2013212819 班内序号06 2015 年 9 月 28 日【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，并测定电荷的电荷值e2.通过实验过程中，对仪器的调整、 油滴的选择、 耐心地跟踪和测量以及数据的处理等，培养学生严肃认真和一丝不苟的科学实验方法和态度3.学习和理解密立根利用宏观量测量微观量的巧妙设想和构思实验原理】静态（平衡）测量法用喷雾器将油滴喷入两块相距为d 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，所带的电量为q，两极板间的电压为V ，如图1 所示如果调节两极板间的电压V ，可使两力达到平衡，这时：dVEmg(1) 为了测出油滴所带的电量q，除了需测定平衡电压V 和极板间距离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g后，阻力rf与重力mg 平衡，如图2 所示（空气浮力忽略不计），油滴将匀速下降。

此时有：mgvafgr6(2) 其中是空气的粘滞系数，是a油滴的半径经过变换及修正，可得斯托克斯定律：pabvafg r 16 (3) 其中 b 是修正常数，b=6.17×10-6m·cmHg,p 为大气压强，单位为厘米汞高至于油滴匀速下降的速度gv，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l，时间为t ，则ggtlv(4) 最后得到理论公式：Vdpabtlgqg23)1(218(5) 【实验仪器】根据实验原理，实验仪器——密立根油滴仪，应包括水平放置的平行极板（油滴盒），调平装置，照明装置，显微镜，电源，计时器（数字毫秒计），改变油滴带电量从q 变到 q′的装置，实验油，喷雾器等MOD － 5 型密立根油滴仪的基本外形和具体结构示于图4实验内容】1.调整仪器将仪器放平稳， 调节仪器底部左右两只调平螺丝，使水准泡指示水平，这时平行极板处于水平位置预热10 分钟，利用预热时间从测量显微镜中观察，如果分划板位置不正，则转动目镜头，将分划板放正，目镜头要插到底调节接目镜，使分划板刻线清晰将油从油雾室旁的喷雾口喷入（喷一次即可），微调测量显微镜的调焦手轮，这时视场中即出现大量清晰的油滴，如夜空繁星。

对 MOD －5C 型与CCD 一体化的屏显油滴仪，则从监视器荧光屏上观察油滴的运动如油滴斜向运动，则可转动显微镜上的圆形CCD，使油滴垂直方向运动2.练习测量（1）练习控制油滴如果用平衡法实验喷入油滴后，加工作（平衡）电压250 伏特左右，工作电压选择开关置“平衡”档，驱走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动的为止注视其中的某一颗，仔细调节平衡电压，使这颗油滴静止不动然后去掉平衡电压，让它自由下降，下降一段距离后再加上“提升”电压，使油滴上升如此反复多次地进行练习2）练习测量油滴运动的时间任意选择几颗运动速度快慢不同的油滴，用计时器测出它们下降一段距离所需要的时间或者加上一定的电压，测出它们上升一段距离所需要的时间如此反复多练几次3）练习选择油滴选的油滴体积不能太大，太大的油滴虽然比较亮，但一般带的电量比较多， 下降速度也比较快，时间不容易测准确若油滴太小则布朗运动明显通常可以选择平衡电压在200 伏特以上，在10s 左右时间内匀速下降2mm 的油滴，其大小和带电量都比较合适4）练习改变油滴的带电量对 MOD －5B、5BC、5BCC 型密立根油滴仪，可以改变油滴的带电量按下汞灯按钮，低压汞灯亮，约5s，油滴的运动速度发生改变，这时油滴的带电量已经改变了。

3.正式测量静态（平衡）测量法用平衡测量法时要测量的有两个量，一个是平衡电压V，另一个是油滴匀速下降一段距离所需要的时间tg仔细调节“平衡电压”旋钮，使油滴置于分划板上某条横线附近，以便准确判断出这颗油滴是否平衡了当油滴处于平衡位置，选定测量的一段距离（一般取l=0.200cm 比较合适），然后把开关拨向“下降”，使油滴自由下落测量油滴匀速下降经过选定测量距离所需要的时间te，为了在按动计时器时有思想准备，应先让它下降一段距离后再测量时间测量完一次后，应把开关拨向“平衡”，做好记录后，再拨向“提升”，加大电场使油滴回到原来高度，为下次测量做好准备对同一颗油滴应进行3～5 次测量， 而且每次测量都要重新调整平衡电压用同样的的方法对多颗油滴进行测量数据处理】(1) 静态（平衡）测量法根据式：Vdpabtlgqg23)1 (218（5）其中：ρ为油的密度981 kg/立方米g 为重力加速度g = 9.8 m·s-2η空气粘滞系数η =1.83×10-5 kg·m-1·s -1l 为油滴匀速下降的距离l = 2.00 ×10 -3m b 为修正常数b =6.17×10 -6m·cm(Hg) p 为大气压强p=76.0cmHg d 为平行极板间距离d =5.00×10-3 m] 将以上数据代入公式得：nUttq12/3)]^02.01([)14(^1043.1（6）实验中测量数据如下：t1/s t2/s t3/s t4/s t5/s t6/s t/s nU/V 油滴 1 18.2 18.3 18.0 18.4 18.0 18.3 18.20 293 油滴 2 17.6 17.6 17.8 17.9 17.9 17.8 17.77 242 油滴 3 28.7 29.5 28.8 29.0 29.6 28.7 29.05 285 油滴 4 18.9 19.2 18.7 18.8 19.1 18.6 18.88 275 油滴 5 17.1 17.1 16.8 17.4 17.0 17.2 17.10 258 将测量数据代入 （ 6） 式中：分别得到： （matlab 中公式：c=1.43e-14/[a*(1+0.02*a^0.5)]^1.5/b ）油滴 1 油滴 2 油滴 3 油滴 4 油滴 5 电量 q 5.5593e-19 6.9865e-19 2.7484e-19 5.5939e-19 6.9576e-19 本实验中我们用“倒过来验证”的办法进行数据处理。

即用公认的电子电荷值e =1.60×10 -19C 去除实验测得的电量q得到一个接近于某一个整数的数值，这个整数就是油滴所带的基本电荷的数目n再用这个n 去除实验测得的电量，即得电子的电荷值e油滴实验也可用作图法处理数据，即以纵坐标表示电量q，横坐标表示所选用的油滴的所带电子数，然后作图倒过来验证法：油滴 1 油滴 2 油滴 3 油滴 4 油滴 5 n=q/e（取整）3 4 2 3 4 e(测量 )=q/n 1.8531e-19 1.7466e-19 1.3742e-19 1.8646e-19 1.7394e-19 最后算得：nnee511.71558e-19C（与理论值e=1.6e-19C 误差值较大）【误差分析 】实验测量的电子电量与实际理论值偏差较大，分析原因可能是由于电子数量少造成不确定度的增加，所以结果误差比较大解决方法：增加测量的电子数可以很好的解决这一问题另一个原因可能是在开始计时前，电子没有经过缓冲区就直接计时，这时的电子不能保证是完全的匀速运动，所以造成了误差解决办法：开始计时前电子要控制在缓冲线以上才能下落思考题】1）、两个电极板不水平对测量有什么影响？答：平行极板不水平会导致电场的分布不均匀,不接进均匀电场,使电场强度不均匀，无法使油滴匀速下落，测量误差很大。

2）、为什么向油雾室喷雾时，一定要使两个电极板短路？答：由于两极板间有电容的存在,在通电之后电容充电,用两根导线短路是为了电容放电,消除极板间的电场.若在向气室喷雾时,会由于电场的存在影响实验效果.3)、为什么必须使油滴做匀速运动或静止？答：只有使油滴作匀速运动,才能满足力的平衡原理,即重力等于电场力.注意：此时忽略空气阻力 . 实验上怎样做才能保证油滴做匀速运动？答：由于空气阻力存在油滴加速运动时间非常短,可认为油滴瞬间即开始做匀速运动在计时开始前有一段缓冲距离，可以使电子进入匀速运动的状态4）、怎样区别油滴上电荷的改变和测量时间的误差？答：油滴上电荷的改变用一个均匀电场,油滴先平衡 ,若平衡被破坏则油滴上电荷改变. 时间误差只用不确定度算5）、密立根油滴实验的历史调研？答： 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，因此他通过分析和实验对斯托克斯定律作了修正，得到了合理的结果密立根的实验装置随着技术的进步而得到了不断的改进，但其实验原理至今仍在当代物理科学研究的前沿发挥着作用，例如，科学家用类似的方法确定出基本粒子──夸克的电量油滴实验中将微观量测量转化为宏观量测量的巧妙设想和精确构思，以及用比较简单的仪器，测得比较精确而稳定的结果等都是富有启发性的6）、合适的油滴选择标准？为什么？答：实验时一定要选择质量适中,而带电量不多的油滴.因为质量太大的油滴带的电荷多,下降的是速度快,不容易测准确；太小的话受布朗运动的影响明显,也不易测准确下落时间上： 15s-30s ；平衡电压上：200V 以上。

参考资料】[百度百科 ------ 密立根油滴实验] [大学物理实验教程蒋达娅、肖井华、朱洪波、张雨田北京邮电大学出版社] 。