密立根油滴实验 原子分子物理技术及应用 教学课件

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1、密立根油滴实验信大理学院物理实验室密立根油滴实验密立根简介实验原理实验内容及操作步骤数据处理思考与讨论注意事项历史背景及意义实验装置密立根简介密立根 (Bobert Andrew Millikan)美国物理学家。1868 年3月22日生 于伊利诺伊州的莫里森，1953年12月 19日卒于加利福尼亚萨迪纳 。1893 年 取得奥伯林大学硕士学位。1895年获哥 伦比亚大学博士学位后留学欧洲。1896 年回国任教于芝加哥大学。1907 1913年间做了一连串实验，用带电油滴准 确地测定电子的电荷值，还验证了A.爱因斯坦的光电效 应方程，取得了普朗克常数的精密数值。因在基本电荷 和光电效应方面的研究

2、而获得1923年诺贝尔物理学奖。 1921年任加利福尼亚理工学院布里奇物理实验室主任， 并领导一批物理学家研究宇宙射线，其中最重要的成就 是C.D.安德森在1932年发现正电子。历史背景及意义密立根油滴实验在近代物理学发展中占有非常重要的地位,该实 验清楚地证明了电荷的颗粒性,并确定了最小单位电荷的量值。开设 这个实验,不仅是为了掌握一种实验方法,或验证一下前人已经验证 过的定律,更重要的是通过实验使学生独立思考,掌握一种发现物理 规律的方法通过本实验发现电荷的颗粒特性,并确定电荷的最 小值。 一个电子所带的电荷量是现代物理学重要的基本常数之一。 1897年汤姆逊测定了阴极射线的荷质比，证实了

3、阴极射线是带电 荷有质量的离子，从而证实了电子的存在。美国杰出的物理学家密 立根，从1906年起就致力于细小油滴带电量的测量，他用了11年 时间，经过多次重大改进，终于以上千个油滴的确凿实验数据得出 基本电荷的电量e=(1.59240.0017)10-19C，首先直接证实了电 荷的量子性，即任何电量都是基本电荷的整数倍，这个基本电荷就 是电子所带的电荷，密立根因测出电子电荷及其他方面的贡献，荣 获1923年度诺贝尔物理奖。 实验原理动态法测油滴带电量（非平衡法） dUqEmg一个质量为m、带电量为q的油滴处在两 块平行极板之间，在平行极板未加电压时， 油滴受重力作用而加速下降。由于空气阻力 的

4、作用，下降一段距离后，油滴将作匀速运 动，其速度为vg，这时重力与阻力平衡（空 气浮力忽略不计）。根据斯托克斯定律，粘滞阻力为：mgvg这时有 当在平行极板上加电压U时，油滴处在场强为E的静电场中， 设电场力qE与重力相反，使油滴受电场力加速上升，由于空气阻力 作用，上升一段距离后，油滴所受的空气阻力、重力与电场力达到 平衡（空气浮力忽略不计），油滴将以匀速上升，此时速度为ve, 则有： mgve所以带电油滴的电量为： 为测定油滴所带电荷q，除应测出U、d 和速度vg、ve外， 还需知油滴质量m。由于空气的悬浮和表面张力作用，可将油 滴看作均匀的圆球，其质量为： 油滴的半径为 实验时取油滴匀速

5、下降和匀速上升的距离相等，设都为 l，测出油滴匀速下降的时间tg,匀速上升的时间为te,则 粘滞系数的修正式: 式中，b为修正常数，p为空气压强，a为油滴半径。 由以上公式联立，求得油滴带电量为静态法测油滴带电量（平衡法） 调节平行板间的电压，使油滴不动，ve=0，即te,由式 (10)可求得： 上式即为静态法测油滴电荷的公式，电压U是恰好能够使带 电油滴静止在电场中所需电压，我们称它为平衡电压。为了求电子电荷e，在实验中，要对多个不同的油滴进行测量， 然后求这些油滴电量的最大公约数，此数就是基本电荷e的电量值 。另外，也可以测量同一油滴所带电荷的改变量qi（可以用紫外 线或放射源照射油滴，使

6、它所带电荷改变），这时带电 油滴的电 荷变化量q应近似为某一最小单位的整数倍，此最小单位即为基 本电荷e。实验装置实验仪器用MOD-5型密立根油滴仪，它改变了从显微镜中观 察油滴的传统方式，而用CCD摄像头成像，将油滴在监视器屏幕上 显示。视眼宽广，观测省力，免除眼睛疲劳，这是油滴仪的重大改 进。 1实验装置2357891电压换向开关 、2电压 调节旋钮、3数字电压表 4 、数字计时器5油滴盒、6 计时按钮，7、监视器8、 显微镜、9、CCD摄像头，10 、计时复位按钮1064实验内容及操作步骤仪器调整 用喷雾器将油从油雾室旁的喷雾口喷入（喷一次即可），推上 油雾孔挡板，以免空气流动而使油滴乱

7、漂移，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MOD5C型与CCD一体化的屏显油滴仪，则丛监视器荧光 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。将仪器放平稳，调整左右两只调平螺栓，使水准泡指示水平， 这时平行极板处于水平状态。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，将分化板放正 ，目镜头要插到底。调节接目镜，使分划板刻线清晰。 练习测量 练习控制油滴。如果用平衡法实验喷入油滴后，在平行极板上 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

8、，直到剩下几颗缓慢运动的油滴为止。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，以掌握控制油滴的方法。 练习测量油滴运动的时间。任意选择几颗运动书速度快慢不 同的油滴，用计时器测出它们下降一段距离所用的时间。如此反复 多练几次，以掌握测量油滴运动时间的方法。 练习选择油滴。要做好本实验，很重要的一点是选择合适的油 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，下降速度也比较多，下降速度也比较快时间不容易测 准。油滴也不能选的太小，太小则布朗运动明显。通

9、常可以选择平 衡电压在200伏特以上，其大小和带电量都比较合适。 正式测量 静态（平衡）测量法 用平衡测量法测量油滴匀速下降一段距 离l时要测量的有两个量。一是平衡电压U，另一个是油滴匀速下降 一段距离l所需要的时间tg。平衡电压必须经过仔细的调节，并将油 滴置于分化板上某条横线附近，以便准确判断出这颗油滴是否平衡 了。 测量油滴下降l所需要的时间tg时，为了在按动计时 器时有所 思想准备，应先让它下降一段距离后再测量时间。选定测量的一 段距离l，应该在平衡极板之间的中央部分，即视场中分划的中央 部分。若太靠近上极板，电场不均匀，会影响测量结果。太靠近下 电极板，测量完时间后，油滴容易丢失，影

10、响测量。一般取 l=0.200cm比较合适。对同一颗油滴进行610次测量，而且每次测量都要重新调整 平衡电压。如果油滴逐渐变得模糊，要微调测量显微镜跟踪油滴， 勿使丢失。 测完一颗油滴后，将平衡电压调为零，并打在“下落”档，重新 喷油，选择油滴测量。本实验中要对多个油滴进行测量。 （选做项目一）用动态法测量油滴的电荷，求出电子电荷e 。（选做项目二）用改变油滴所带电荷的方法,测量油滴电荷的改 变量,求电子电荷e . 调整仪器时，如要打开有机玻璃油雾室，应先将工作 电压选择开关放在“下落”位置。注 意 事 项 在喷油后，若视场中没有发现油滴，可能有以下几个 原因：传感线接触不良；油滴孔被堵。处理

11、方法：检查线 路；打开有机玻璃油雾室，利用脱脂棉擦拭小孔，或利用 细丝（直径小于0.4mm）捅一捅小孔。 喷油时，切忌频繁喷油，要充分利用资源。 测量时，要随时调整工作电压，若发现工作电压有明 显改变，应放弃测量，重新选择油滴。数据处理 1 “倒证法”设实验得到m个油滴的带电量分别为q1,q2,qm,由于电荷的 量子化特性，应有qi=nie,此为一直线方程，n为自变量，q为因变量 ，e为斜率。因此m个油滴对应的数据在nq坐标系中将在同一条 过原点的直线上，若找到满足这一关系的曲线，就可用斜率求得e 值。将e值的实验值与公认值比较，求相对误差。 电荷序号平衡电压下降时间qnt1t2t3t4t51

12、2345实验值： 相对误差： nqn1n2q1q2已知参数值 钟油密度： 空气粘滞系数： 重力加速度 ： 修正常数 ： 大气压强： 平行极板间距 ： 油滴运动的距离： 2 “最大公约数法 ”此法需要大量的油滴数据，计算出各油滴的电荷后，求它们的 最大公约数，即为基本电荷e值。此法是在不知道单位电荷的公认 值的前提下，从对实验数据的处理中获得单位电荷的实验值。这样 比较符合研究物理实验的规律，而且此法在理论上容易让学生接受 。然而在实际处理中是件比较困难的事，第一必须测量大量的油滴 数据，第二必须具备较好的数学功底，所以在实验中不易实现。 3 “二维作图法”建立二维坐标，将所测的带电油滴数据Qi

13、标于纵坐标轴，并通 过这些点作平行于横轴的直线。然后沿横轴等间隔地描出若干个点 ，沿这些点作平行于纵轴的直线，于是在坐标上形成网格，横纵直 线的交点称为节点，用一条过原点且与纵轴重合的直线按顺时针方 向扫，当恰好在某一位置使得线上的节点最多，则这条直线刚好满 足直线方程Qi=nie，而此线的斜率即为基本电荷电量的实验值e。思考与讨论1、如何判断油滴盒内两平行极板是否水平？如果不水平对实 验有何影响？ 2、为什么向油雾室喷油时，一定要使电容器的两平行极板短 路？这时平行电压的换向开关置于何处？ 3、应选什么样的油滴进行测量？选太小的油滴对测量有什么 影响？选太大或带电太多的油滴又存在什么问题？ 4、你对本实验的数据处理有没有更好的方法？谈谈你的想 法。 6. 利用某一颗油滴的实验数据，计算出作用在该油滴上的浮力 ，将其大小与重力、粘滞力、电场力相比较。 5. 观察中发现油滴形象变模糊，是什么问题？为什么会发生？ 如何处理？