密立根油滴实验报告

-密立根油滴实验摘要：本文阐述了在密立根油滴实验中，测量带电油滴的电荷数从而验证电荷的不连续性，并测定电荷的电荷值e的方法。本文使用静态测量法和动态测量法两种方法,利用密立根油滴仪测量带电油滴下落时间，列出统计表格，由此计算出电荷的电荷值e，并对实验结果进展误差分析。关键词：带电油滴静态测量法动态测量法一、 引言自电子的荷质比确实定初步判定电子的存在以来，科学界便开场对电子电荷进展测定1。其中由美国物理学家密立根()设计完成的密立根油滴实验，在近代物理学的开展史上是一个十分重要的实验,它不但有深刻的哲学意义2，还证明了任何带电体所带的电荷都是*一最小电荷根本电荷的整数倍；明确了电荷的不连续性；并准确地测定了根本电荷的数值，为从实验上测定其它一些根本物理量提供了可能性。密立根油滴实验设计巧妙，原理清楚，设备简单，结果准确，所以它历来是一个著名而有启发性的物理实验。通过学习密立根油滴实验的设计思想和实验技巧，可以提高学生的实验能力和素质。二、 实验方案本实验使用OM99 CCD微立根油滴仪,其为用于验证电荷的不连续性及测量根本电荷电量的物理实验仪器，也是学习了解CCD图像传感器的原理与应用、学习电视显微测量方法的实验仪器。仪器主要由油滴盒、CCD电视显微镜、电路箱、监视器等组成。油滴盒是重要部件，加工要求很高，其构造见图1：8上盖板9喷雾口10油雾孔11上电极压簧12油滴盒基座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座架图1试验仪面板构造如图2所示：1电源线 2指示灯 3调平水泡 4电源开关 5视频电缆 6显微镜- 0 V 计时/停 平衡电压+ 提升平衡7上电极压簧 8K1 9K2 10联动 11K3 12W图2联动具体实验步骤如下:练习测量选择一颗适宜的油滴，大而亮的油滴必然质量大，所带电荷也多，而匀速下降时间则很短，增大了测量误差和给数据处理带来困难3。通常选择平衡电压为(200 300) V，匀速下落1. 50 mm6格的时间在(8 20) s左右的油滴较适宜。喷油后，K2置“平衡档，调“平衡电压电位器W使极板电压为(200 300) V，注意几颗缓慢运动、较为清晰明亮的油滴。试将K2置“0 V档，观察各颗油滴下落大概的速度，从中选一颗作为测量对象过小的油滴观察困难，布朗运动明显，会引入较大的测量误差。判断油滴是否平衡要有足够的耐性。用K2将油滴移至*条刻度线上，仔细调节平衡电压，这样反复操作几次，经一段时间观察，油滴确实不再移动才认为是平衡了。测准油滴上升或下降*段距离所需的时间，一是要统一油滴到达刻度线什么位置才认为油滴已踏线，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，并且对油滴的控制比拟熟练。正式测量：1.平衡法静态法测量(1) 连接好仪器，将仪器外表调水平，翻开监视器和油滴仪的电源；(2) 向喷雾口喷油后，关上油雾孔开关；(3) 将K1置向一极，K2置“平衡档，按下联动开关；(4) 选择一颗适宜的油滴，调节“平衡电压电位器W，使之到达平衡；(5) 将已调平衡的油滴用K2控制移到“起跑线上一般取第2格上线，按K3计时/停，让计时器停顿计时值未必为0；(6) 将K2拨向“0 V，油滴开场匀速下降的同时，计时器开场计时。到“终点一般取第7格下线时迅速将K2拨向“平衡，油滴立即静止，计时也停顿，此时电压值和下落时间值显示在屏幕上，记录下相应的数据，同一油滴测量7次；(7) 重新选取油滴进展试验，共5次；(8) 数据处理，求出e值，计算误差，结果分析及总结等。2.动态法测量(1) 选定测量的一段距离取第2格上线至第7格下线，然后把开关拨向“下降，使油滴自由下落；(2) 测量油滴匀速下降经过选定测量距离所需要的时间tg，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；(3) 测完tg把K2拨向“平衡，做好记录后，再施加400V的上升电压，将K2拨向“提升，使油滴匀速上升经过原选定的测量距离，测出所需时间te,在整个测量时最好将K2与K3的联动断开。同一油滴测量8次；(4) 重新选取油滴进展试验，共3次；(5) 数据处理，求出e值，计算误差，结果分析及总结等。三、 结果与讨论表1 平衡法测量油滴编号测量序次12平衡电压平衡电压1241V0219V8.432241V219V8.433241V219V8.434240V22.84220V8.305240V23.46220V8.506240V22.01220V8.317240V22.82220V8.35平均值油滴编号测量序次34平衡电压平衡电压1250V8.300、231V9.482250V8.41231V9.383250V8.31230V9.494250V8.27230V9.485249V8.20230V9.576249V8.33230V9.357249V8.36230V9.59平均值油滴编号测量序次5平衡电压1201V11.242201V11.243201V11.444201V11.145201V11.116201V11.467201V11.14平均值根据平衡法公式：式中其中油的密度重力加速度匀速下降距离空气粘滞系数修正系数大气压强平行板间距离将各数值带入公式，便可求出每次测量的油滴的电荷量。表2 非平衡法测量油滴编号测量序次1111.1011.48211.3311.43311.2911.77411.1711.45511.1811.41611.0911.60711.1711.48811.1911.51的平均值油滴编号测量序次2122.5114.61222.5514.19322.9214.25422.8613.84523.0914.33623.1014.50723.4814.62823.4014.40的平均值油滴编号测量序次3113.5611.62213.2612.04313.0611.71413.2511.74513.2312.18613.3311.86713.1611.95813.3312.00的平均值将数据带入由以下公式求得油滴的电荷量如表2所示：式中验证根本电荷数：1.“倒过来验证法4对油滴的电荷量进展处理，即用公认的电子电荷值去除实验测得的电荷量，得到一个接近于*一整数的数值，即该油滴所带的根本电荷数目，再用去除实验测得的电量，即得电子的电荷值，表3和表4分别为平衡法和非平衡法所测得的e值。表3油滴编号123电荷数73632e/C油滴45电荷数2825e/C表4油滴编号123电荷数251120e/C由表3和表4可求得平衡法中平均值，非平衡法中平均值。计算得：平衡法下测量误差，相对误差；同理非平衡法下测量误差，相对误差2.作图法验证以油滴电量与所带电子数为坐标轴，建立坐标得：对数据进展直线拟合，可得直线斜率为k=，即根本电荷数为实验结果误差分析本实验中油滴密度、空气粘滞系数随温度变化，重力加速度和大气压强又随实验地点变化，从而导致计算有一定误差。本实验使用的“倒过来验证法只能作为一种实验验证，仅在油滴带电量较少时可以使用。当n值较大时，匀速下降的时间很短，带来误差的0.5个电子的电荷在分配给电子时，误差必然很小，测得e值接近，这也是实验中不宜使用带电较多油滴的原因。在实验前要对仪器进展水平调平，否则会导致测量时油滴无法在垂直方向做直线运动。再加上布朗运动，测量时判断油滴运动开场和完毕的时间误差，都会影响最终的计算结果。在实验中油滴虽然是先经一段变速运动然后进入匀速运动的，但这变速运动时间非常短，远小于0. 01 s，与计时器精度相当。因此可以看作，当油滴自静止开场运动时，油滴是立即作匀速运动的；运动的油滴突然加上原平衡电压时，将立即静止下来5。四、 结论本实验使用静态测量法和动态测量法两种方法,利用密立根油滴仪测量带电油滴下落时间，列出统计表格，由此计算出电荷的电荷值e。由平衡法测得电子电荷值为，相对误差为；由非平衡法测得电子电荷值为，相对误差为，以上二者为“倒过来验证法测得。对所有数据进展作图法处理，求得电荷值为图像斜率，即。参考文献:1 Thomson J J. *L. Cathode RaysJ. The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science, 1897, 44(269).2 王延锋. 密立根油滴实验历史评价中的哲学背景分析J. 自然辩证法通讯. 2014(02).3 翠云. 密立根油滴实验中油滴选取探讨J. 科学. 2011(04).4 师文庆,吕楠,劲民.验证法处理密立根油滴实验探讨J. 海洋大学学报. 2009(04).5 安长星,郝博. 密立根油滴到达匀速运动状态确实认J. 工业学院学报. 2003(04). z.