密立根油滴实验

密立根油滴实验由美国物理学家密立根（RAMillikan）一方面设计并完毕的密立根油滴实验，在近代物理学的发展史上是一种十分重要的实验。它证明了任何带电体所带的电荷都是某一最小电荷基本电荷的整数倍；明确了电荷的不持续性；精确地测定了基本电荷的值，并令人信服的揭示了电子的量子本性。由于密立根实验设计巧妙、原理清晰、装置简朴，而结论具有不容置疑的说服力，因此这一实验堪称为物理实验的精髓、典范。重温这一出名的油滴实验，不仅应当理解密立根所用的基本实验措施，更要借鉴与学习密立根采用宏观的力学模式揭示微观粒子的量子本性的物理构思、精湛的实验设计和严肃的科学作风，从而更好的提高我们的实验素质和能力。一、目的1验证电荷的不持续性，并测定电子的电荷值；2培养学生严肃认真的科学态度和一丝不苟的工作作风。二、原理图22 1 实验原理图用油滴法测量电子的电荷，可以用静态平衡法，也可以用动态测量法进行测量。平衡测量措施用喷雾器将油喷入两块相距为d的水平放置的平行板电极之间。油在喷射扯破成油滴时，由于摩擦一般都是带电的。设油滴的质量为m，所带的电荷为q ，两极板间的电压为V则油滴在平行极板间将同步受到重力mg 和静电力qE的作用, 如图22 - 1所示。如果调节两极板间的电压，可使两力达到平衡，这时可得 mg = qE = q （22-1）从式（22-1）可见，为了测出油滴所带的电量q ，除了需测定V和d外还需要测量油滴的质量m。因m很小，需采用如下特殊措施测定：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vg时，阻力fr与重力mg平衡，如图222所示（空气浮力忽视不计），油滴匀速下降。根据斯托克斯定律，油滴匀速下降时可得 f r = 6avg = mg （22-2）式中是空气的粘滞系数，a 是油滴的半径（由于表面张力的因素，油滴总是呈小球状）。设油滴的密度为，油滴的质量m可以用下式表达 m = a 3 （22-3）图22-2 油滴受力图frmgVg由式（22-2）和式（22-3）得到油滴的半径 a = （22-4）对于半径小到10-6m的小球，空气的粘滞系数 应作如下修正 = 这时斯托克斯定律应改写为：式中b = 8.2310 -3mPa ，为修正常数，p为大气压强，单位用Pa ，则a = （22-5）上式根号中还涉及油滴的半径a ，但因它处在修正项中，在不需十分精确的状况下，可用式（22-4）计算，将式（22-5）代入式（22-3），得下m = （22-6）至于油滴匀速下降的速度vg ，可用下法测出：当两极板间的电压V为零时，设油滴匀速下将的距离为，时间为tg ，则 （22-7） 图22-3 油滴受力图qEVefemg将式（22-7）代入式（22-6），将式（22-6）代入式（22-1），得 q = （22-8）式（22-8）是用平衡法测定油滴所带电荷的理论公式。 三、仪器仪器重要由油滴盒、CCD电视显微镜、电路箱、监视器等构成。油滴盒是个重要部件，加工规定很高，其构造见图22 - 4。电路箱体内装有高压产生、测量显示等电路。底部装有三只调平手轮，面板构造见图22-5。详尽的仪器构造、使用措施，请参阅“CCD微机密立根油滴仪使用阐明书”1 油雾杯2 油雾孔 开 关3 防风罩4 上电极5 油滴盒6 下电极7 座 架9 喷雾口11 上电 极压簧12 油滴 盒基座8 上盖板10油雾孔图22-4 图22-51.视频电缆 2.保险丝 3.电源线 4.电源开关 5.批示灯6.显微镜提高平衡计时/停平衡电压7.上电极压簧8.K19.K210.K311.V四、内容1调节仪器 将仪器放平稳，调节仪器底座上的三只调平手轮，使水泡批示水平，这时平行极板处在水平位置。由于底座空间较小，调手轮时将手心向上，用中指和无名指夹住手轮调节较为以便。照明光路不需调节。只需将显微镜筒前端和底座前端对齐，然后将油从油雾室旁的喷口9喷入，喷油后再稍稍前后微调即可。这时视场中浮现大量清晰的油滴，如夜空繁星。在使用中前后调焦范畴不要过大，取前后调焦1mm内看得清晰的油滴较好。2练习测量练习是顺利做好实验的重要一环，涉及练习控制油滴运动，练习测量油滴运动时间和练习选择合适的油滴。（1）练习控制油滴。判断油滴与否平衡要有足够的耐性。喷油后，注意观测，通过调节平衡电压，驱走不需要的油滴，直到剩余几颗缓慢运动的为止，注意其中的某一颗，用K2将油滴移至某条刻度线上，仔细调节平衡电压，使这颗油滴静止不动。经一段时间观测油滴的确不再移动才可觉得是平衡了。然后去掉平衡电压，让它匀速下降，下降一段距离后再加上平衡电压，使油滴上升。如此反复多次地进行练习，以掌握控制油滴的措施。 （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，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，以掌握测量油滴运动时间的措施。（3）练习选择油滴。选择一颗合适的油滴十分重要。大而亮的油滴必然质量大，所带电荷也多，而匀速下降时间则较短，增大了测量误差和给数据解决带来困难。用平衡法测量时，一般选择平衡电压为200300v，匀速下落1.5mm的时间在820s左右的油滴较合适。喷油后，K2 置“平衡”档，调W使极板电压为200300v，注意几颗缓慢运动、较为清晰明亮的油滴。试将K2置“0V”档，观测各颗油滴下落大概的速度，从中选一颗作为测量对象。对于9英寸监视器，目视油滴直径在0.51mm左右的较合适。过小的油滴观测困难，布郎运动明显，会引入较大的测量误差。 测准油滴上升或下降某段距离所需要的时间，一是要统一油滴达到刻度线什么位置才觉得油滴已踏线，二是眼睛要平视刻度线，不要有夹角。反复练习几次，使测出的各次时间的离散性较小。3正式测量（1）平衡测量法。由式（22-8）可知，用平衡测量法实验时要测量两个量。一种是平衡电压V，另一种是油滴匀速下降一段距离所需要的时间t 。实验中，可将已调平衡的油滴用K2控制移到“起跑”线上，按K3（计时/停），让计时器停止计时，然后将K2拨向“0V”，油滴开始匀速下降的同步，计时器开始计时。到“终点”时讯速将K2拨向“平衡”，油滴立即停止，计时也立即停止。油滴的运动距离一般取1.0mm1.5mm比较合适。对同一颗油滴应进行10次测量，并且每次测量都要重新调节平衡电压。如果油滴逐渐变得模糊，要微调显微镜跟踪油滴，勿使丢失。用同样措施选择610颗油滴进行测量，求得电子电荷的平均值e 。自拟表格。（2）动态测量法。选做项目：具体措施学生可根据实验原理，自拟。五、数据解决1参照公式（22-8）计算q值。2参照数据如下：（22-8）式中 a = 油的密度 = 981kgm3重力加速度 g = 9.80空气粘滞系数 = 1.83kgm1s1油滴匀速下降距离 = 1.5m修正常数 mPa大气压强 p = 1.01310 5 Pa平行极板间距离 d = 5.00m3计算基本电荷值e ：为了证明电荷的不持续性和所有电荷都是基本电荷e的整数倍，并得到基本电荷e值，我们应对实验测得的各个电量q求最大公约数。这个最大公约数就是基本电荷e值，也就是电子的电荷量。但由于学生实验技术不纯熟，测量误差也许要大些，规定出q的最大公约数有时比较困难，一般我们用“倒过来验证”的措施进行数据解决。即用公认的电子电荷值e =1.6010-19C（库仑）清除实验测得的电量q。得到一种接近于某一种整数的数值，这个整数就是油滴所带的基本电荷的数目n。再用这个n清除实验测得的电量，即得电子的电荷值e。用这种措施解决数据，只能是作为一种实验验证。并且仅在油滴的带电量比较少（少数几种电子）时，可以采用。当n值较大时状况如何?4将e的实验值与公认值比较，求相对误差。（公认值e =1.6010-19库仑）。注：油滴实验也可以用作图法解决数据，即以纵坐标表达电量q ，横坐标表达所选用的油滴的序号，作n q关系图，就可用斜率求e值。这种措施必须对大量油滴测出大量数据，作为学生实验，这是比较困难的。如条件容许可试之。