密立根油滴

1、密立根油滴實(shí)驗(yàn),蘭州理工大學(xué)物理實(shí)中心,密立根油滴實(shí)驗(yàn),?密立根簡(jiǎn)介,?實(shí)驗(yàn)原理,?實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作步驟,?數(shù)據(jù)處理,?思考與討論,?注意事項(xiàng),?歷史背景及意義,?實(shí)驗(yàn)裝置,密立根簡(jiǎn)介,密立根 (Bobert Andrew Millikan),美國(guó)物理學(xué)家。1868 年3月22日生于伊利諾伊州的莫里森，1953年12月19日卒于加利福尼亞薩迪納 。1893 年取得奧伯林大學(xué)碩士學(xué)位。1895年獲哥倫比亞大學(xué)博

2、士學(xué)位后留學(xué)歐洲。1896年回國(guó)任教于芝加哥大學(xué)。,1907 ～ 1913年間做了一連串實(shí)驗(yàn)，用帶電油滴準(zhǔn)確地測(cè)定電子的電荷值，還驗(yàn)證了A.愛因斯坦的光電效應(yīng)方程，取得了普朗克常數(shù)的精密數(shù)值。因在基本電荷和光電效應(yīng)方面的研究而獲得1923年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1921年任加利福尼亞理工學(xué)院布里奇物理實(shí)驗(yàn)室主任，并領(lǐng)導(dǎo)一批物理學(xué)家研究宇宙射線，其中最重要的成就是C.D.安德森在1932年發(fā)現(xiàn)正電子。,,歷史背景及意義,密立

3、根油滴實(shí)驗(yàn)在近代物理學(xué)發(fā)展中占有非常重要的地位,該實(shí)驗(yàn)清楚地證明了電荷的顆粒性,并確定了最小單位電荷的量值。開設(shè)這個(gè)實(shí)驗(yàn),不僅是為了掌握一種實(shí)驗(yàn)方法,或驗(yàn)證一下前人已經(jīng)驗(yàn)證過的定律,更重要的是通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生獨(dú)立思考,掌握一種發(fā)現(xiàn)物理規(guī)律的方法———通過本實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電荷的顆粒特性,并確定電荷的最小值。,一個(gè)電子所帶的電荷量是現(xiàn)代物理學(xué)重要的基本常數(shù)之一。1897年湯姆遜測(cè)定了陰極射線的荷質(zhì)比，證實(shí)了陰極射線是帶電荷有質(zhì)量的離子，從而證實(shí)了電

4、子的存在。美國(guó)杰出的物理學(xué)家密立根，從1906年起就致力于細(xì)小油滴帶電量的測(cè)量，他用了11年時(shí)間，經(jīng)過多次重大改進(jìn)，終于以上千個(gè)油滴的確鑿實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出基本電荷的電量e=(1.5924±0.0017)×10-19C，首先直接證實(shí)了電荷的量子性，即任何電量都是基本電荷的整數(shù)倍，這個(gè)基本電荷就是電子所帶的電荷，密立根因測(cè)出電子電荷及其他方面的貢獻(xiàn)，榮獲1923年度諾貝爾物理獎(jiǎng)。,,實(shí)驗(yàn)原理,?動(dòng)態(tài)法測(cè)油滴帶電量（非平衡法）

5、,一個(gè)質(zhì)量為m、帶電量為q的油滴處在兩塊平行極板之間，在平行極板未加電壓時(shí)，油滴受重力作用而加速下降。由于空氣阻力的作用，下降一段距離后，油滴將作勻速運(yùn)動(dòng)，其速度為vg，這時(shí)重力與阻力平衡（空氣浮力忽略不計(jì)）。,根據(jù)斯托克斯定律，粘滯阻力為：,,這時(shí)有,,當(dāng)在平行極板上加電壓U時(shí)，油滴處在場(chǎng)強(qiáng)為E的靜電場(chǎng)中，設(shè)電場(chǎng)力qE與重力相反，使油滴受電場(chǎng)力加速上升，由于空氣阻力作用，上升一段距離后，油滴所受的空氣阻力、重力與電場(chǎng)力達(dá)到平衡（空氣浮

6、力忽略不計(jì)），油滴將以勻速上升，此時(shí)速度為ve,則有：,,,所以帶電油滴的電量為：,為測(cè)定油滴所帶電荷q，除應(yīng)測(cè)出U、d 和速度vg、ve外，還需知油滴質(zhì)量m。由于空氣的懸浮和表面張力作用，可將油滴看作均勻的圓球，其質(zhì)量為：,,油滴的半徑為,實(shí)驗(yàn)時(shí)取油滴勻速下降和勻速上升的距離相等，設(shè)都為l，測(cè)出油滴勻速下降的時(shí)間tg,勻速上升的時(shí)間為te,則,,,粘滯系數(shù)η的修正式:,式中，b為修正常數(shù)，p為空氣壓強(qiáng)，a為油滴半徑。,由以上公式聯(lián)立，

7、求得油滴帶電量為,?靜態(tài)法測(cè)油滴帶電量（平衡法）,調(diào)節(jié)平行板間的電壓，使油滴不動(dòng)，ve=0，即te→∞,由式(10)可求得：,,上式即為靜態(tài)法測(cè)油滴電荷的公式，電壓U是恰好能夠使帶電油滴靜止在電場(chǎng)中所需電壓，我們稱它為平衡電壓。,為了求電子電荷e，在實(shí)驗(yàn)中，要對(duì)多個(gè)不同的油滴進(jìn)行測(cè)量，然后求這些油滴電量的最大公約數(shù)，此數(shù)就是基本電荷e的電量值。另外，也可以測(cè)量同一油滴所帶電荷的改變量△qi（可以用紫外線或放射源照射油滴，使它所帶電荷改變

8、），這時(shí)帶電油滴的電荷變化量△q應(yīng)近似為某一最小單位的整數(shù)倍，此最小單位即為基本電荷e。,,實(shí)驗(yàn)裝置,實(shí)驗(yàn)儀器用MOD-5型密立根油滴儀，它改變了從顯微鏡中觀察油滴的傳統(tǒng)方式，而用CCD攝像頭成像，將油滴在監(jiān)視器屏幕上顯示。視眼寬廣，觀測(cè)省力，免除眼睛疲勞，這是油滴儀的重大改進(jìn)。,,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及操作步驟,☆儀器調(diào)整,用噴霧器將油從油霧室旁的噴霧口噴入（噴一次即可），推上油霧孔擋板，以免空氣流動(dòng)而使油滴亂漂移，微調(diào)測(cè)量顯微鏡的調(diào)焦手輪，這時(shí)

9、視場(chǎng)中即出現(xiàn)大量清晰的油滴，如夜空繁星。 對(duì)MOD—5C型與CCD一體化的屏顯油滴儀，則叢監(jiān)視器熒光屏上觀察油滴的運(yùn)動(dòng)。如油滴斜向運(yùn)動(dòng)，則可轉(zhuǎn)動(dòng)顯微鏡上的圓形CCD，使油滴垂直方向運(yùn)動(dòng)。,將儀器放平穩(wěn)，調(diào)整左右兩只調(diào)平螺栓，使水準(zhǔn)泡指示水平，這時(shí)平行極板處于水平狀態(tài)。預(yù)熱10分鐘，利用預(yù)熱時(shí)間從測(cè)量顯微鏡中觀察，如果分劃板位置不正，則轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡頭，將分化板放正，目鏡頭要插到底。調(diào)節(jié)接目鏡，使分劃板刻線清晰。,☆練習(xí)測(cè)量,練

10、習(xí)控制油滴。如果用平衡法實(shí)驗(yàn)噴入油滴后，在平行極板上加工作（平衡）電壓250伏特左右，工作電壓選擇開關(guān)置“平衡”檔，驅(qū)走不需要的油滴，直到剩下幾顆緩慢運(yùn)動(dòng)的油滴為止。注視其中的某一顆，仔細(xì)調(diào)節(jié)平衡電壓，使這顆油滴靜止不動(dòng)。然后去掉平衡電壓，讓它自由下降，下降一段距離后再加上“提升”電壓，使油滴上升。如此反復(fù)多次地進(jìn)行練習(xí)，以掌握控制油滴的方法。,練習(xí)測(cè)量油滴運(yùn)動(dòng)的時(shí)間。任意選擇幾顆運(yùn)動(dòng)書速度快慢不同的油滴，用計(jì)時(shí)器測(cè)出它們下降一段距離所

11、用的時(shí)間。如此反復(fù)多練幾次，以掌握測(cè)量油滴運(yùn)動(dòng)時(shí)間的方法。,練習(xí)選擇油滴。要做好本實(shí)驗(yàn)，很重要的一點(diǎn)是選擇合適的油滴。選的油滴體積不能太大，太大的油滴雖然比較亮，但一般帶的電量比較多，下降速度也比較多，下降速度也比較快時(shí)間不容易測(cè)準(zhǔn)。油滴也不能選的太小，太小則布朗運(yùn)動(dòng)明顯。通?？梢赃x擇平衡電壓在200伏特以上，其大小和帶電量都比較合適。,☆正式測(cè)量,靜態(tài)（平衡）測(cè)量法 用平衡測(cè)量法測(cè)量油滴勻速下降一段距離l時(shí)要測(cè)量的有兩個(gè)量。一是平衡

12、電壓U，另一個(gè)是油滴勻速下降一段距離l所需要的時(shí)間tg。平衡電壓必須經(jīng)過仔細(xì)的調(diào)節(jié)，并將油滴置于分化板上某條橫線附近，以便準(zhǔn)確判斷出這顆油滴是否平衡了。,測(cè)量油滴下降l所需要的時(shí)間tg時(shí)，為了在按動(dòng)計(jì)時(shí)器時(shí)有所思想準(zhǔn)備，應(yīng)先讓它下降一段距離后再測(cè)量時(shí)間。選定測(cè)量的一段距離l，應(yīng)該在平衡極板之間的中央部分，即視場(chǎng)中分劃的中央部分。若太靠近上極板，電場(chǎng)不均勻，會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。太靠近下電極板，測(cè)量完時(shí)間后，油滴容易丟失，影響測(cè)量。一般取l=0

13、.200cm比較合適。,對(duì)同一顆油滴進(jìn)行6—10次測(cè)量，而且每次測(cè)量都要重新調(diào)整平衡電壓。如果油滴逐漸變得模糊，要微調(diào)測(cè)量顯微鏡跟蹤油滴，勿使丟失。,測(cè)完一顆油滴后，將平衡電壓調(diào)為零，并打在“下落”檔，重新噴油，選擇油滴測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)中要對(duì)多個(gè)油滴進(jìn)行測(cè)量。,（選做項(xiàng)目一）,用動(dòng)態(tài)法測(cè)量油滴的電荷，求出電子電荷e 。,（選做項(xiàng)目二）,用改變油滴所帶電荷的方法,測(cè)量油滴電荷的改變量,求電子電荷e .,,? 調(diào)整儀器時(shí)，如要打開有機(jī)玻璃油霧

14、室，應(yīng)先將工作電壓選擇開關(guān)放在“下落”位置。,注 意 事 項(xiàng),? 在噴油后，若視場(chǎng)中沒有發(fā)現(xiàn)油滴，可能有以下幾個(gè)原因：傳感線接觸不良；油滴孔被堵。處理方法：檢查線路；打開有機(jī)玻璃油霧室，利用脫脂棉擦拭小孔，或利用細(xì)絲（直徑小于0.4mm）捅一捅小孔。,? 噴油時(shí)，切忌頻繁噴油，要充分利用資源。,,? 測(cè)量時(shí)，要隨時(shí)調(diào)整工作電壓，若發(fā)現(xiàn)工作電壓有明顯改變，應(yīng)放棄測(cè)量，重新選擇油滴。,數(shù)據(jù)處理,1 “倒證法”,設(shè)實(shí)驗(yàn)得到m個(gè)油

15、滴的帶電量分別為q1,q2,…..,qm,由于電荷的量子化特性，應(yīng)有qi=nie,此為一直線方程，n為自變量，q為因變量，e為斜率。因此m個(gè)油滴對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)在n～q坐標(biāo)系中將在同一條過原點(diǎn)的直線上，若找到滿足這一關(guān)系的曲線，就可用斜率求得e值。將e值的實(shí)驗(yàn)值與公認(rèn)值比較，求相對(duì)誤差。,,,,實(shí)驗(yàn)值：,相對(duì)誤差：,,已知參數(shù)值,鐘油密度：,空氣粘滯系數(shù)：,重力加速度 ：,修正常數(shù) ：,大氣壓強(qiáng)：,平行極板間距 ：,油滴運(yùn)動(dòng)的距離：,2 “

16、最大公約數(shù)法”,此法需要大量的油滴數(shù)據(jù)，計(jì)算出各油滴的電荷后，求它們的最大公約數(shù)，即為基本電荷e值。此法是在不知道單位電荷的公認(rèn)值的前提下，從對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理中獲得單位電荷的實(shí)驗(yàn)值。這樣比較符合研究物理實(shí)驗(yàn)的規(guī)律，而且此法在理論上容易讓學(xué)生接受。然而在實(shí)際處理中是件比較困難的事，第一必須測(cè)量大量的油滴數(shù)據(jù)，第二必須具備較好的數(shù)學(xué)功底，所以在實(shí)驗(yàn)中不易實(shí)現(xiàn)。,3 “二維作圖法”,建立二維坐標(biāo)，將所測(cè)的帶電油滴數(shù)據(jù)Qi標(biāo)于縱坐標(biāo)軸，并通過

17、這些點(diǎn)作平行于橫軸的直線。然后沿橫軸等間隔地描出若干個(gè)點(diǎn)，沿這些點(diǎn)作平行于縱軸的直線，于是在坐標(biāo)上形成網(wǎng)格，橫縱直線的交點(diǎn)稱為節(jié)點(diǎn)，用一條過原點(diǎn)且與縱軸重合的直線按順時(shí)針方向掃，當(dāng)恰好在某一位置使得線上的節(jié)點(diǎn)最多，則這條直線剛好滿足直線方程Qi=nie，而此線的斜率即為基本電荷電量的實(shí)驗(yàn)值e。,,思考與討論,1、如何判斷油滴盒內(nèi)兩平行極板是否水平？如果不水平對(duì)實(shí)驗(yàn)有何影響？,2、為什么向油霧室噴油時(shí)，一定要使電容器的兩平行極板短路？這時(shí)