密立根油滴实验报告

密立根油滴实验实验报告 密立根(R.A.Millikan)在 1910-1917年的七年间，致力于测量微小油滴上 所带电荷的工作，这即是著名的密立根油滴实验，它是近代物理学发展过程中 具有重要意义的实验。密立根经过长期的实验研究获得了两项重要的成果：一 是证明了电荷的不连续性。即电荷具有量子性，所有电荷都是基本电荷e 的整 数倍；二是测出了电子的电荷值—即基本电荷的电荷值 19 10 ) 002 . 0 602 . 1 (     e 库仑。 本实验就是采用密立根油滴实验这种比较简单的方法来测定电子的电荷值 e。由于实验中产生的油滴非常微小(半径约为 9 10  m，质量约为 15 10  kg) ，进行 本实验特别需要严谨的科学态度、严格的实验操作、准确的数据处理，才能得 到较好的实验结果。【实验目的】 1. 验证电荷的不连续性，测定基本电荷的大小。 2 . 学会对仪器的调整、油滴的选定、跟踪、测量以及数据的处理。 【实验仪器】 密立根油滴仪，显示器，喷雾器，钟油 【实验仪器介绍】 密立根油滴仪包括油滴盒、油滴照明装置、调平系统、测量显微镜、供电 电源以及电子停表、喷雾器等部分组成。MOD-5 型油滴仪的外形以实验装置图如图 1所示，其改进为用 CCD 摄像 头代替人眼观察，实验时可以通过黑白电视机来测量。 图 1 MOD5 型油滴仪 油滴盒是由两块经过精磨的平行极板(上、下电极板)中间垫以胶木圆环 组成。平行极板间的距离为d。 胶木圆环上有进光孔、观察孔和石英窗口。油 滴盒放在有机玻璃防风罩中。上电极板中央有一个 0.4mm 的小孔，油滴从油 雾室经过雾孔和小孔落入上下电极板之间，上述装置如图 2所示。油滴由照明 装置照明。油滴盒可用调平螺丝调节，并由水准泡检查其水平。 电源部分提供四种电压 (1)2.2伏特油滴照明电压。 (2)500伏特直流平衡电压。该电压可以连续调节，并从电压表上直接读出，还可由平衡电压换向开关换向，以改变上、下电极板的极性。换向开关倒 向“+”侧时，能达到平衡的油滴带正电，反之带负电。换向开关放在“0”位 置时，上、下电极板短路，不带电。 (3)300伏特直流升降电压。该电压可以连续调节，但不稳压。它可通过 升降电压换向开关叠加(加或减)在平衡电压上，以便把油滴移到合适的位置。 升降电压高，油滴移动速度快，反之则慢。该电压在电表上无指示。 (4) 12V 的 CCD 电源电压。 8.油滴仪托板 7.铝质下电极 6.上下电极绝缘电圈 5.铝质上电极 4.油滴盒防风罩 3.油雾孔开关 2.油雾室 1.油雾室提把 10.油滴喷雾口 9.油雾室上盖 12.上电极压簧 11.油雾孔 14.油滴盒绝缘座 13.上电极电源的插孔 15.照明孔 16.漫反射屏 图 2 油滴盒剖面图 【实验原理】 图 3 实验中，用喷雾器将油滴喷入两块相距为 d的水平放置的平行极板之间， 如图 3所示。油滴在喷射时由于摩擦，一般都会带电。设油滴的质量为 m，所 带电量为 q，加在两平行极板之间的电压为 V，油滴在两平行极板之间将受到 两个力的作用，一个是重力 mg，一个是电场力 d V q qE  。通过调节加在两极板 之间的电压 V，可以使这两个力大小相等、方向相反，从而使油滴达到平衡， 悬浮在两极板之间。此时有d V q mg (1) 为了测定油滴所带的电量 q，除了测定 V 和 d外，还需要测定油滴的质量m。但是，由于 m 很小，需要使用下面的特殊方法进行测定。 因为在平行极板间未加电压时，油滴受重力作用将加速下降，但是由于空 气的粘滞性会对油滴产生一个与其速度大小成正比的阻力，油滴下降一小段距 离而达到某一速度v 后，阻力与重力达到平衡(忽略空气的浮力) ，油滴将以此 速度匀速下降示。 由斯托克斯定律可得mg v a f r     6(2) 其中，  是空气的粘滞系数， a 是油滴的半径(由于表面张力的作用，小油滴 总是呈球状) 。 设油滴的密度为  ，油滴的质量 m 可用下式表示   3 3 4 a m (3) 将(2)式和(3)式合并，可得油滴的半径为g v a   2 9 (4) 由于斯托克斯定律对均匀介质才是正确的，对于半径小到 10 -6 m 的油滴小 球，其大小接近空气空隙的大小，空气介质对油滴小球不能再认为是均匀的了， 因而斯托克斯定律应该修正为 aP b v a f r   1 6   式中b为一修正常数，取 6 10 17 . 6    b cmHg m  ；P 为大气压强，单位是 cmHg。 利用平衡条件和(3)式可得 aP b g v a    1 1 2 9  (5) 上式根号下虽然还包含油滴的半径 a ，因为它是处于修正项中，不需要十分精 确，仍可用(4)式来表示。将(5)代入(3)式得                    2 3 1 1 2 9 3 4 aP b g v m(6) 当平行极板间的电压为 0时，设油滴匀速下降的距离为 l ，时间为 t ，则油 滴匀速下降的速度为 t l v (7) 将(7)式代入(6)式，再将(6)式代入(1)式得 V d aP b t l g q                 2 3 1 1 2 18   (8) 实验发现，对于同一个油滴，如果改变它所带的电量，则能够使油滴达到 平衡的电压必须是某些特定的值 n V 。研究这些电压变化的规律可以发现，他们 都满足下面的方程 n d q ne mg V   式中   , 2 , 1    n ，而e 则是一个不变的值。 对于不同的油滴，可以证明有相同的规律，而且e 值是相同的常数，这即 是说电荷是不连续的，电荷存在着最小的电荷单位，也即是电子的电荷值e。 于是， (8)式可化为n V d aP b t l g ne                 2 3 1 1 2 18   (9) 根据上式即可测出电子的电荷值 e，验证电子电荷的不连续性。【实验内容与步骤】 (一) (一) 仪器调节 1．将油滴照明灯接 2.2V 电源，平行极板接 500V 直流电源，电源插孔都在电 源后盖上。 2．调节调平螺丝，使水准仪的气泡移到中央，这时平行极板处于水平位置，电 场方向和重力平行。 3．将“均衡电压”开关置于“0”位置， “升降电压”开关也置于“0”位置。 将油滴从喷雾室的喷口喷入，视场中将出现大量油滴，犹如夜空繁星。如果油 滴太暗，可转动小照明灯，使油滴更明亮，微调显微镜，使油滴更清楚。 (二) (二) 测量练习 1．练习控制油滴：当油滴喷入油雾室并观察到大量油滴时，在平行极板上加上 平衡电压(约 300V 左右， “+”或“-”均可) ，驱走不需要的油滴，等待一至 二分钟后，只剩下几颗油滴在慢慢移到，注意其中的一颗，微调显微镜，使油 滴很清楚，仔细调节电压使这颗油滴平衡；然后去掉平衡电压，让它达到匀速 下降(显微镜中看上去是在上升)时，再加上平