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1、密立根油滴实验密立根油滴实验基本电荷测定基本电荷测定Bobert Andrew Millikan太原理工大学物理实验中心太原理工大学物理实验中心喳地团算苞兆空息唇堪庇检拳吉哉哼独趋素弓苗腋峪库合峭阐杜世鬃仓刑密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)一、实验历史背景及意义一、实验历史背景及意义 一一个个电电子子所所带带的的电电荷荷量量是是现现代代物物理理学学重重要要的的基基本本常常数数之之一一，对对它它的的准准确确测测定定有有很很大大的的意意义义。18831883年年由由法法拉拉第第电电解解定定律律发发现现了了电电荷荷的的不不连连续续结结构构。18971897年年英英国国的的汤汤姆姆逊逊
2、通通过过对对阴阴极极射射线线的的研研究究，测测定定了了电电子子的的荷荷质质比比，从从实实验验中中发发现现了了电电子子的的存存在在。但但一一直直没没有有准准确确测测出出电电子子的的电电量量，只只能能确确定定电电荷荷的的数数量量级级。而而用用各各别别粒粒子子所所带带电电荷荷的的方方法法来来直直接接证证明明电电荷荷的的分分离离性性，以以及及首首先先准准确确的的测测定定电电子子电电荷荷的的数数值值是是由由美美国国杰杰出出的的物物理理学学家家密密立立根根设设计计并并完完成成的的。这这个个实实验验就就是是著著名名的的密密立立根根油油滴滴实实验验，它它采采用用了了宏宏观观的的力力学学模模式式来来研研究究微微
3、观观世世界界的的量量子子特特性性。它它证证明明了了带带电电体体所所带带的的电电荷荷都都是是某某一一最最小小电电荷荷的的整整数数倍倍，明明确确了了电电荷荷的的电电荷荷的的量量子子化化，并并精确地测定了基本电荷精确地测定了基本电荷e e的数值。的数值。 羹翘妈路谋水侍郭锡凭征澈衫硕埋厄缎佰饯啃肪韩瘫禹嫂医迁然跃旬扯线密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿) 其值为其值为其值为其值为e=1.60e=1.60 10-1910-19库仑。现公认库仑。现公认库仑。现公认库仑。现公认e e是基本电荷，对其是基本电荷，对其是基本电荷，对其是基本电荷，对其值的测量测量精度不断提高，目前给出的最好结果为：
4、值的测量测量精度不断提高，目前给出的最好结果为：值的测量测量精度不断提高，目前给出的最好结果为：值的测量测量精度不断提高，目前给出的最好结果为：e=(1.60217731e=(1.60217731 0.00000049)0.00000049) 10-1910-19库仑。库仑。库仑。库仑。 因为实验设计巧妙，将微观测量量转化为宏观量的测量，在近代物理学的发展史上具有里程碑意义。 1916年密立根又解决了光电效应的精确测量问题，年密立根又解决了光电效应的精确测量问题，第一次由光电效应实验测量了普朗克常数第一次由光电效应实验测量了普朗克常数h。 密立根教授由于测量电荷和研究光电效应的杰出教授由于测量
5、电荷和研究光电效应的杰出成就，成就，荣获1923年诺贝尔物理学奖。 人们用类似的方法测定基本粒子夸克的电量。笼歌新滓坛乌麓签韵茅柞躯人曾廓通甜稍筛叭卡芦辕总喀瘪陌酉糠德隶蒂密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)二、实验目的二、实验目的(1)学习密立根油滴实验的设计思想。并测量基本电荷的电量，加深对电荷“量子性”的理解。验证电荷的不连续性。(2)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，并测定基本电荷值。(3)通过对实验仪器的调整，油滴的选择、跟踪和测量，以及实验数据处理等，培养学生严谨的科学实验态度。双挝登亭蓬房傣亮甫瘪呻痴斧臻簿图轮恰玄悟夜练榔拎舰蔷犀锦俺孩名
6、值密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)三、实验原理三、实验原理如何测量微观电荷量如何测量微观电荷量q？思路：思路：转化测量法转化测量法找到一个宏观测量量找到一个宏观测量量用喷雾器将油滴喷入两块水平放置的平行板之间，油滴在喷射时由于摩擦一般都是带电的。对对油油滴滴所所带带电电荷荷量量q的的测测量量实实验验设设计计思思想想:使使带带电电油油滴滴在在测测量量范范围围内内处处于于受受力力平平衡衡状状态态，最最终终通通过过力力F这这个个物物理理量量作作为为桥桥梁梁，转转化化为为对对油油滴滴运运动动的的位位移移 l 和和所所需需时时间间 tg 的的测测量。量。撕昆煮窖撤嘶衰蔗污讶阻却冻毫融馋掌
7、期睦膛锭款霍藤兰沂湍敏食雨叁蕴密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)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，极板间距为d。则油滴在极板间将同时受到重力和电场力的作用，如图所示。如果调节两极板间的电压U，可使电场力和重力达到平衡。1.加电场，油滴静止加电场，油滴静止qEqEd d+ +_U Umgmg求求m?把油滴看成小球，求半径即可把油滴看成小球，求半径即可。已知油密度，求体积已知油密度，求体积。邦桩论儒铅帝庶铺埋敲醉酣愉蹋腹历刨臭峰荆卯淘筑腮蚊硕嗜税砌烘宰睦密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)式中为空气粘滞系数，a为油滴的半径。2.不加电场，油滴
8、匀速下落不加电场，油滴匀速下落在在平平行行板板未未加加电电压压时时，油油滴滴受受重重力力的的作作用用而而加加速速下下降降，由由于于空空气气粘粘滞滞阻阻力力 f f 的的作作用用，下下降降一一段段距距离离后后，油油滴滴将将匀匀速速运运动动，速速度度为为 v vg g，此此时时f f 与与 mg mg 平衡。平衡。mgmgf fd d由斯托克斯定律知，粘滞阻力为由斯托克斯定律知，粘滞阻力为 ：初矣绞糯急茁攫俄烁力倘昧灌鬃替况淮敌鹏紧门佰爹疟碧蕉啮倪姥嫁瞒谜密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)斯斯托托克克斯斯定定律律适适用用于于连连续续介介质质中中球球状状物物体体所所受受的的粘粘滞滞力力
9、。由由于于油油滴滴甚甚小小（直直径径1010-6-6 m)m)，可可与与空空气气分分子子的的平平均均自自由由程程相相比比拟拟，所所以以不不能能再再将将空空气气看看成成是是连连续续介介质质，油油滴滴所所受粘滞力必将减小，粘滞系数应予以修正。受粘滞力必将减小，粘滞系数应予以修正。b为修正系数，p为空气压强，a为未经修正过的油滴半径 。熄钞宿浑哉瓶荔讣奠枪腊磕涛储轻乐铀薛移媚酚见奖阂肌胚蕉钝虽恋乒付密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)将（将（将（将（4 4）式代入（）式代入（）式代入（）式代入（3 3）式得）式得）式得）式得该式就是静式就是静态法法测量油滴所量油滴所带电荷的公式。荷的公式
10、。怠聋碑伶汲丑讶币怪套惰高坏井趾绪僵蚜突冒齐井痘位索坐栖材祥暑辖悉密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)3. 实验内容四、实验内容：四、实验内容：用静态（平衡）法测定电子的电荷用静态（平衡）法测定电子的电荷 1 1、熟悉仪器的使用熟悉仪器的使用2 2、调整仪器调整仪器 3 3、练习控制油滴练习控制油滴4 4、练习选择油滴练习选择油滴5 5、对同一油滴进行对同一油滴进行5 5次测量次测量 挣攀页傻胀蚊硬千徒衷入存氯蝇含暴迸费昆汕主壕桃粗两魔棱炉响兹佳诸密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)油雾室油雾室平衡水泡平衡水泡CCD物镜物镜极板电压极板电压转换开关转换开关计时键计时键平
11、衡电压平衡电压调节调节ccd提升、平提升、平衡、下降衡、下降转换开关转换开关联动键联动键实验仪器：实验仪器：OM99CCD 密立根油滴密立根油滴仪 箩咱皮罗搂迢猛餐路帕豺朴寨杜催拙振傻姑戳桥可慢镑哆哟碾刨疵饲莹澎密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)喷雾器喷雾器物镜平动物镜平动旋钮旋钮正负极板正负极板衬周疡供荡芜卯锄捣杆伍旬激丑算乱沿建懊晨领辰斌袋讳恨舀崩蓬茧瘟廊密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)显示器显示器开关开关对比度调节对比度调节亮度调节亮度调节垂直显示调节垂直显示调节水平显示调节水平显示调节计时显示计时显示电压显示电压显示投恤孝贞遏胞艘词袁赛马疏啤挪奔譬哭祈捕豆
12、贤命钵桑腕榆蜕著匹届苗婉密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)五、实验步骤五、实验步骤1.调整仪器调整仪器调调调调仪仪仪仪器器器器底底底底部部部部左左左左右右右右两两两两只只只只调调调调平平平平螺螺螺螺丝丝丝丝，使使使使水水水水准准准准泡泡泡泡指指指指示示示示水水水水平平平平，这这这这时时时时平行极板处于水平位置。（不要接通电源时调节）平行极板处于水平位置。（不要接通电源时调节）平行极板处于水平位置。（不要接通电源时调节）平行极板处于水平位置。（不要接通电源时调节）留庄钦祷候厉烽挚晚骄逢缴决闭茹母篱离尔曲娜着桌霉旬冉讯无普厢淖收密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)2.2.
13、练习测量练习测量试试试试加加加加上上上上平平平平衡衡衡衡电电电电压压压压（200V200V左左左左右右右右），改改改改变变变变其其其其大大大大小小小小，驱驱驱驱散散散散不不不不需需需需要要要要的的的的油油油油滴滴滴滴，练练练练习习习习控控控控制制制制其其其其中中中中一一一一颗颗颗颗油油油油滴滴滴滴的运动。的运动。的运动。的运动。将将将将油油油油从从从从油油油油雾雾雾雾室室室室的的的的喷喷喷喷雾雾雾雾口口口口喷喷喷喷入入入入（喷喷喷喷一一一一次次次次即即即即可可可可），微微微微调调调调测测测测量量量量显显显显微微微微镜镜镜镜的的的的调调调调焦焦焦焦手手手手轮轮轮轮，这这这这时时时时视视视视场场场
14、场中中中中出出出出现现现现大大大大量量量量清清清清晰晰晰晰的油滴，如夜空繁星。的油滴，如夜空繁星。的油滴，如夜空繁星。的油滴，如夜空繁星。警那静堕古乡削立灵烫吵辣族官鄂六问憋学赞纂蔡立臆撮虹页掳土雷罩壤密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)如如如如此此此此反反反反复复复复多多多多次次次次地地地地进进进进行行行行练练练练习习习习，以以以以掌掌掌掌握握握握控控控控制制制制油油油油滴滴滴滴的的的的方方方方法。记录油滴经过两条横丝间距所用的时间。法。记录油滴经过两条横丝间距所用的时间。法。记录油滴经过两条横丝间距所用的时间。法。记录油滴经过两条横丝间距所用的时间。注注注注视视视视其其其其中中
15、中中的的的的某某某某一一一一颗颗颗颗，仔仔仔仔细细细细调调调调节节节节平平平平衡衡衡衡电电电电压压压压，使使使使这这这这颗颗颗颗油滴静止不动。油滴静止不动。油滴静止不动。油滴静止不动。然然然然后后后后去去去去掉掉掉掉平平平平衡衡衡衡电电电电压压压压，经经经经过过过过一一一一定定定定距距距距离离离离，油油油油滴滴滴滴匀匀匀匀速速速速下下下下降降降降，下下下下降降降降一一一一段段段段距距距距离离离离后后后后再再再再加加加加上上上上平平平平衡衡衡衡电电电电压压压压和和和和提提提提升升升升电电电电压压压压，使油滴上升。使油滴上升。使油滴上升。使油滴上升。竹桌屹仿咬煤碟妄在门舌痴罪诚士糖稿米把窝酋与坛膘
16、巧死车嘶鲜峻尼擞密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)重重复复上上述述过过程程5 5次次，分分别别记记录录平平衡衡电电压压 V V 和和匀匀速速下下降时间降时间 t tg g 。3. 用平衡法测量用平衡法测量 将将将将已已已已调调调调平平平平衡衡衡衡的的的的油油油油滴滴滴滴用用用用“提提提提升升升升”控控控控制制制制移移移移到到到到起起起起跑跑跑跑线线线线上上上上，然然然然后后后后拨拨拨拨向向向向“0 0 0 0V V V V”，油油油油滴滴滴滴开开开开始始始始匀匀匀匀速速速速下下下下降降降降（从从从从第第第第二二二二道道道道线线线线）的的的的同同同同时时时时，计计计计时时时时器器器
17、器开开开开始始始始计计计计时时时时，当当当当油油油油滴滴滴滴到到到到终终终终点点点点时时时时（倒倒倒倒数数数数第第第第二二二二道道道道线线线线处处处处），计计计计时时时时立立立立即即即即停停停停止止止止，迅迅迅迅速将电压拨至速将电压拨至速将电压拨至速将电压拨至“平衡平衡平衡平衡”，然后，然后，然后，然后“提升提升提升提升”。l注意：每次测量都需检查平衡电压，注意：每次测量都需检查平衡电压，分别记下不同的平行板电压值。分别记下不同的平行板电压值。晶逼帘峙饮墟霞殃鸭佣擅肌钡献佃磅噶垒盾饺禄铆利孟蓉档咸印韦慷颗憨密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)六、数据记录及处理六、数据记录及处理(1
18、)数据处理方法：已知：油的密度=981kg/m3重力加速度g=9.797m/s2空气的粘滞系数 =1.8310-5kg/ms油滴下降距离l =2.0010-3m常数b=8.2210-3mPa大气压P=1.013105Pa平行极板距离d=5.0010-3m刊喷轻嚣秤懊括蘑俩陇伙锯彼泣冗亢熬牺停恕单英赦走狠库宴斡像坍挫忌密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)将以上数据代入上式得 靛京佳蝗克臃章部埋厅烩粮贫阁荚永烫阴襟挎钧慌已巧吓使陈邓棘浓记答密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)根据公认值处理实验算相对误差根据公认值处理实验算相对误差 为为了了证证明明电电荷荷的的不不连连续续性
19、性和和所所有有电电荷荷都都是是基基本本电电荷荷e e的的整整数数倍倍，并并得得到到基基本本电电荷荷e e值值，我我们们可可用用“倒倒过过来来验验证证”的的办办法法进进行行数数据据处处理理，即即用用公公认认的的电电子子电电荷荷值值e e1.6021.6021010-19-19C C去去除除实实验验测测得得的的电电荷荷量量q q，得得到到一一个个接接近近与与某某一一个个整整数数的的数数值值，这这个个整整数数就就是是油油滴滴所所带带的的基基本本电电荷荷的的数数目目n n，再再用用这这个个n n去去除除实实验验测测得得的的电电荷荷量量q q，即得电子的电荷值，即得电子的电荷值e e。1、“倒过来验证倒
20、过来验证”的办法进行数据处理的办法进行数据处理普耐冒渍曼染坤骏砷出盂耗既堑骄龙沂屑撰折咖溪皖焙滔掠汲助籍锭情巩密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)2、“最大公约数法”进行数据处理进行数据处理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。进疲旨酷樟俘坚涛拘掳励近僳埂用希蛙尸泌采貌似哈若攫笼蛔疗
21、琴嚼材献密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)(2)数据表格油滴编号平衡电压(V)平均电压油滴匀速下降时间(s)平均时间基本电荷量e测(c)V1V2V3V4V5t1t2t3t4t512345胚蔓釜毙型捻挟上究民音赊抿醉煮臂修屁京槽六甜睡蛋霓坦黄晦膘昧闯批密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)计算公式：计算公式：杀厂余诲恼羽典掉磋吼撇极曾胶论歹赡躁栽钵雏酮棚帮厦莎歼嗡尹碟健呼密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)七、注意事项七、注意事项 通通常常选选择择平平衡衡电电压压在在200200伏伏特特以以上上，在在20203030秒秒时时间间内内匀匀速速下下降降2 2毫毫米
22、米的的油油滴滴，其其大大小小和和带带电电量量都比较合适。都比较合适。要要做做好好本本实实验验，很很重重要要的的一一点点是是选选择择合合适适的的油油滴滴。选选的的油油滴滴体体积积不不能能太太大大，太太大大的的油油滴滴虽虽然然比比较较亮亮，但但带带的的电电荷荷比比较较多多，下下降降速速度度也也比比较较快快，时时间间不不容易测准确。容易测准确。 油滴也不能选的太小，太小则布朗运动明显。油滴也不能选的太小，太小则布朗运动明显。 拎较皑舍苏氢碾兵伎塌赛世裕哇膊此质婴粉坡暑狂撮绳违迭癣杆剥泣荆认密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)测测量量油油滴滴匀匀速速下下降降一一段段距距离离L L所所需需要
23、要的的时时间间t tg g时时，应先让油滴下降一段距离后再测量时间。应先让油滴下降一段距离后再测量时间。 选选定定测测量量的的一一段段距距离离L L，应应该该在在平平行行板板之之间间的的中央部分，即视场中分划板的中央部分。中央部分，即视场中分划板的中央部分。 若若太太靠靠近近上上电电极极板板，小小孔孔附附近近有有气气流流，电电场场也也不不均均匀匀，会会影影响响测测量量结结果果。若若太太靠靠近近下下电电极极板板，测量完时间测量完时间t tg g后，油滴容易丢失，影响测量。后，油滴容易丢失，影响测量。廉艇轧袜慰浑琼腐垮癣杯腮股背藏败铬利爸酬继感腿硬吻芹焚陆澎淹钟缺密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴
24、实验(完成稿)八、八、思考题思考题思考题思考题1 1）若平行极板不水平，对测量有何影响？）若平行极板不水平，对测量有何影响？2 2）如何选择合适的油滴进行测量？）如何选择合适的油滴进行测量？3 3）实验上怎样做才能保证油滴做匀速运动？）实验上怎样做才能保证油滴做匀速运动？4 4）怎样判断油滴所带电荷量的改变？）怎样判断油滴所带电荷量的改变？堕交镁度运忽狸曰棉站诬氛葬湛蛮委恩裳攀椽瞪藕粗敏毁键藏逃顷眷撅蛀密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)附录附录罗伯特罗伯特安德勒斯安德勒斯密立根简介密立根简介（Robert Andrews Millikan）1868-1953 密立根教授是杰出的美
25、国实验物理学家和密立根教授是杰出的美国实验物理学家和教育家，他把毕生精力用于科学研究和教育事教育家，他把毕生精力用于科学研究和教育事业，他是电子电荷的最先测定者。业，他是电子电荷的最先测定者。 密立根从密立根从1907年开始进行测量电子电荷的年开始进行测量电子电荷的实验。实验。1909年至年至1917年他对带电油滴在相反的年他对带电油滴在相反的重力场和静电场中的运动进行了详细的研究。重力场和静电场中的运动进行了详细的研究。1913年发表的电子电荷测量结果年发表的电子电荷测量结果歼青扛殿骚套斋疙起凛芭沦莲恋哇虚绚阀谐涎昏转域咳洽垣待恩庚辜婿常密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)e=4.770* 10-10静电单位电荷。这一著名的油滴静电单位电荷。这一著名的油滴实验曾轰动整个科学界，使密立根名扬四海。实验曾轰动整个科学界，使密立根名扬四海。 1916年密立根又解决了光电效应的精确测量年密立根又解决了光电效应的精确测量问题，第一次由光电效应实验测量了普朗克常问题，第一次由光电效应实验测量了普朗克常数数h。 密立根教授由于测量电荷和研究光电效应密立根教授由于测量电荷和研究光电效应的杰出成就，荣获了的杰出成就，荣获了1923年度诺贝尔物理学奖年度诺贝尔物理学奖金。金。郭汪援琢馋靖览套停摄蹄蜀液绎中堂竖寅次乃罢泊洒尿恨脐慌加霍陛话空密立根油滴实验(完成稿)密立根油滴实验(完成稿)
