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1、密立根油滴实验密立根油滴实验著名的美国物理学家密立根（RobbertA.Milliken）在1909年到1917年期间，苦心钻研，以卓越的研究方法和精湛的实验技术，用油滴实验证明了(1)电荷是量子化的，具有不连续性；(2)测量了电子电荷，其值为：e=1.6010-19C。从而荣获了1923年的诺贝尔物理学奖。【目的要求】【目的要求】 1、了解密立根油滴仪的结构，油滴实验测定电子电荷的设计思想和方法。2、了解CCD图像传感器的原理和电视显微测量方法。3、平衡法测量电子电量的大小。4、验证电荷的量子性。 一个质量为m，带电量为q的油滴处在二块平行极板之间，在平行极板未加电压时，油滴受重力作用加速下
2、降，由于空气阻力的作用，下降一段距离后，油滴将作匀速运动，速度为Vg，这时重力与阻力平衡（空气浮力忽略不计），如图（301）所示。根据斯托克斯定律，粘滞阻力为 , 式中是空气的粘滞系数，a是油滴的半径当在平行极板上加电压当在平行极板上加电压V时，油滴处在场强为时，油滴处在场强为E的静电场中，设电场力的静电场中，设电场力qE与重与重力相反，如图（力相反，如图（302）所示，使油滴受电场力加速上升，由于空气阻力作用，）所示，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
3、忽略不计），则油滴将以匀速上升，此时速度为略不计），则油滴将以匀速上升，此时速度为Ve，则有则有可将油滴看作圆球，其质量为可将油滴看作圆球，其质量为代入代入得油滴的半径得油滴的半径 空气的粘带系数应修正为空气的粘带系数应修正为实验时取油滴匀速上升的距离相等，都设为实验时取油滴匀速上升的距离相等，都设为l，测出油滴匀速下降的时间测出油滴匀速下降的时间tg，匀速匀速上升的时间上升的时间te，则则调节平行极板间的电压，使油滴不动，即静态法测油滴电荷的公式调节平行极板间的电压，使油滴不动，即静态法测油滴电荷的公式 将将m ,Vg和和Ve代入可得代入可得动态法测油滴电荷的公式动态法测油滴电荷的公式 1、
4、仪器的调节与使用、仪器的调节与使用油雾杯油雾杯油雾孔开关油雾孔开关防风罩防风罩上电极上电极油滴盒油滴盒下电极下电极座架座架上盖板上盖板喷雾口喷雾口油雾孔油雾孔上电极压簧上电极压簧油滴盒基座油滴盒基座油滴仪样品室结构示意图油滴仪样品室结构示意图电源开关功能键升降电压调节旋钮平衡电压调节旋钮数字电压显示表数字秒表秒表清零键电极板极性调节按钮水平仪照明灯室上、下电极成像显微镜CCD油滴仪面板图油滴仪面板图 交流220V输入座视频输出插座CCD视频输入和CCD电源共用座1.调节仪器底座上的三只调平手轮，将水泡调平。由于底座空间较小，调调节仪器底座上的三只调平手轮，将水泡调平。由于底座空间较小，调手轮时
5、将手心向上，用中指和无名指夹住手轮调节较为方便。手轮时将手心向上，用中指和无名指夹住手轮调节较为方便。 照明光路不需调整，只需将显微镜筒前端和底座前端对齐，喷油后再稍照明光路不需调整，只需将显微镜筒前端和底座前端对齐，喷油后再稍稍前后微调即可。在使用中，前后调焦范围不要过大，取前后调焦稍前后微调即可。在使用中，前后调焦范围不要过大，取前后调焦1mm内的内的油滴较好。油滴较好。2.2.功能键有平衡、升降、测量三档，当处于中间位置功能键有平衡、升降、测量三档，当处于中间位置“平衡平衡”档时，可用平衡档时，可用平衡电压调节旋钮来调节平衡电压大小，使被测油滴处于平衡状态；当处于上沿电压调节旋钮来调节平
6、衡电压大小，使被测油滴处于平衡状态；当处于上沿“升降升降”档时，上下电极在平衡电压的基础上自动增加提升电压，提升电压大档时，上下电极在平衡电压的基础上自动增加提升电压，提升电压大小由升降电压调节旋钮调节；当处于下沿小由升降电压调节旋钮调节；当处于下沿“测量测量”档时，极板间电压为档时，极板间电压为0V，被被测量油滴处于被测量阶段而匀速下落，并自动计时，油滴下降到预定距离时，测量油滴处于被测量阶段而匀速下落，并自动计时，油滴下降到预定距离时，迅速拨到平衡档，同时自动停止计时迅速拨到平衡档，同时自动停止计时 3. 选择适当的油滴选择适当的油滴通常选择平衡电压为通常选择平衡电压为100300V，匀速
7、下落匀速下落1.5mm的时间在的时间在830秒左右的油滴秒左右的油滴较适宜。喷油后，功能键置较适宜。喷油后，功能键置“平衡平衡”档，调节平衡电压调节旋钮使极板电压为档，调节平衡电压调节旋钮使极板电压为200V左右，注意几颗缓慢运动、较为清晰明亮的油滴。试将功能键置左右，注意几颗缓慢运动、较为清晰明亮的油滴。试将功能键置“平衡平衡”档，观察各颗油滴下落大概的速度档，观察各颗油滴下落大概的速度, , 目视油滴直径在目视油滴直径在0.51mm左右的较适宜。左右的较适宜。4 4 、正式测量、正式测量 平衡法测量，可将已调平衡的油滴用功能键控制移动在平衡法测量，可将已调平衡的油滴用功能键控制移动在“起跑
8、起跑”线上，然后线上，然后将功能键拨向将功能键拨向“测量测量”，油滴开始匀速下降的同时，计时器开始计时。到，油滴开始匀速下降的同时，计时器开始计时。到“终终点点”时迅速将功能键拨向时迅速将功能键拨向“平衡平衡”，油滴立即静止，计时也立即停止。，油滴立即静止，计时也立即停止。【数据处理】【数据处理】对某颗油滴重复对某颗油滴重复510次测量，选择次测量，选择1020颗油滴，求得电子电荷的平均颗油滴，求得电子电荷的平均值值e。在每次测量时都要检查和调整平衡电压，以减小偶然误差和因为在每次测量时都要检查和调整平衡电压，以减小偶然误差和因为油滴挥发而使平衡电压发生变化。油滴挥发而使平衡电压发生变化。油的
9、密度油的密度重力加速度重力加速度 空气粘滞系数空气粘滞系数油滴匀速下降距离油滴匀速下降距离 修正常数修正常数 大气压强大气压强 平行极板间距离平行极板间距离式中的时间式中的时间 应为测量数次时间的平均值应为测量数次时间的平均值 油滴的半径油滴的半径 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。若求最值。若求最大公约数有困难，可用作图法求大公约数有困难，可用作图法求e值。设实验得到值。设实验得到m个油滴的带电量分别为个油滴的带电量分别为q1，q2，qm，由于电荷的量子化特性，应有由于电荷的量子化特性，应有 ，此为一直线方程，此
10、为一直线方程，n为自为自变量，变量，q为因变量，为因变量，e为斜率。因此为斜率。因此m为油滴对应的数据在为油滴对应的数据在nq坐标系中将在同一坐标系中将在同一条过原点的直线上，若找到满足这一关条过原点的直线上，若找到满足这一关系的直线，就可用斜率求得系的直线，就可用斜率求得e值。将值。将e的实的实验值与公认值比较，求相对误差。（公认值库仑）验值与公认值比较，求相对误差。（公认值库仑）【注意事项】【注意事项】 1喷喷雾雾器器内内的的油油不不可可装装得得太太满满，否否则则会会喷喷出出很很多多“油油”而而不不是是“油油雾雾”，堵堵塞塞上电极的落油孔。每次实验完毕应及时揩擦及油雾室内的积油！上电极的落
11、油孔。每次实验完毕应及时揩擦及油雾室内的积油！2喷喷雾雾时时喷喷雾雾器器应应竖竖拿拿喷喷雾雾器器，玻玻璃璃口口对对准准油油雾雾室室的的喷喷雾雾口口，轻轻轻轻喷喷入入少少许许油油即即可可。切切勿勿将将喷喷雾雾器器插插入入油油雾雾室室，甚甚至至将将油油倒倒出出来来。更更不不该该将将油油雾雾室室拿拿掉掉后后对对准准上电极落油小孔喷油。否则会将落油孔堵塞。上电极落油小孔喷油。否则会将落油孔堵塞。3水平仪一定要水平，否则油滴的横向漂移很厉害。水平仪一定要水平，否则油滴的横向漂移很厉害。【思考题】【思考题】 （1）对实验结果造成影响的主要因素有哪些？）对实验结果造成影响的主要因素有哪些？（2）如何判断油滴盒内平衡极板是否水平？不水平对实验结果有何影响？）如何判断油滴盒内平衡极板是否水平？不水平对实验结果有何影响？（3）用）用CCD成像系统观测油滴比直接从显微镜中观测有何优点？成像系统观测油滴比直接从显微镜中观测有何优点？（4）为什么必须使油滴作匀速运动或静止？实验中如何保证油滴在测量范围内）为什么必须使油滴作匀速运动或静止？实验中如何保证油滴在测量范围内做匀速做匀速
