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密立根油滴实验——基本电荷测定——基本电荷测定BobertAndrewMillikan华东理工大学物理实验中心一、实验历史背景及意义1897年汤姆逊发现了电子的存在,一个电子所带的电荷量是现代物理学重要的基本常数之一。由美国杰出的物理学家密立根首先设计并完成的密立根油滴实验,采用了宏观的力学模式来研究微观世界的量子特性。它证明了带电体所带的电荷都是某一最小电荷的整数倍,明确了电荷的电荷的量子化,并精确地测定了基本电荷e的数值。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。密立根本人也因此荣获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。1)学习密立根油滴实验的设计思想。2)验证电荷的不连续性,并测定基本电荷值。3)培养学生严谨的科学实验态度。二、实验目的三、实验原理如何测量微观电荷量q?油滴在极板间同时受到重力mg,电场力qE和空气浮力Ff的作用。平衡时有:EFmgqf思路:转化测量法找到一个宏观测量量0334amgamg0334gaf'3134由于表面张力的作用,油滴一般呈小球状。设油滴的密度为ρ,半径为a,则油滴的质量m为:重力及空气浮力可表示为:同时,考虑到平行板未加电压时,油滴在重力作用下降落时,受到空气对油滴的粘滞力作用。rFFmgrf6当空气的粘滞力、浮力和油滴的重力平衡时,油滴作匀速运动grFr3342/129gvrg其中)('0P229232123)2()(18gtlUdgq由此,对油滴所带电荷量q的测量,最终通过力F这个物理量作为桥梁,转化为对油滴运动的位移l和所需时间tg的测量。ggtlv当平行板电压为零时,油滴作匀速运动的速度有以上公式最后可得:2)对粘滞系数的修正起先计算所得的e值随油滴的减小而增大,密立根认为由于油滴甚小,其直径可和空气分子的平均自由程相比拟,所以不能再将空气看成是连续介质,油滴所受粘滞力必将减小,粘滞系数应予以修正。密立根对实验的改进最初,密立根用水滴作为电量的载体的,由于水滴的蒸发,改用了挥发性小的油滴。1)用油滴替代水滴q基本电荷e的计算为了证明电荷的不连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,我们可用“倒过来验证”的办法进行数据处理,即用公认的电子电荷值e=1.602×10-19C去除实验测得的电荷量q,得到一个接近与某一个整数的数值,这个整数就是油滴所带的基本电荷的数目n,再用这个n去除实验测得的电荷量q,即得电子的电荷值e。四、实验仪器MOD-5型密立根油滴仪电压显示计时显示油雾室平衡水泡CCD物距调节平衡电压调节电压转换开关电源开关计时键3.实验内容五、实验内容:用静态(平衡)法测定电子的电荷1、熟悉仪器的使用2、调整仪器3、练习控制油滴4、练习选择油滴5、对同一油滴进行10—12次测量11)调整仪器)调整仪器水平调节水平调节:调节水平螺丝,使水准泡指示水平,极板处于水平位置,电场方向与重力平行。打开电源开关,使仪器予热打开电源开关,使仪器予热1010分分钟钟将专用油从喷雾口喷入(只喷一次少量即可),从监视屏上可看到大量的油滴。2)控制油滴3)选择合适的油滴测量两个量,平衡电压U和油滴匀速下降距离l所需要的时间tg。1)测量平衡电压必须经过仔细的调节,将油滴置于分划板上某条横线附近,判断是否平衡。2)l一般取0.2cm比较合适。3)对同一颗油滴应进行10-12次测量,每次测量都要重新调整平衡电压。4)测量232123)2()(18gtlUdgq六、数据处理与分析电荷序号平衡电压下降时间qnt1t2t3t4t512345用“倒证法”计算电荷电量实验值:相对误差:10010000eeeEnqn1n2q1q2图解法已知参数值钟油密度:)20(98103ckgm30986(10)kgmc空气粘滞系数:115..1083.1smkg2.79.9smgcmHgmb.1017.66cmHgp076-35.0010mdm3102重力加速度:修正常数:大气压强:平行极板间距:油滴运动的距离:七、注意事项(选做项目一)用动态法测量油滴的电荷,求出电子电荷e。(选做项目二)用改变油滴所带电荷的方法,测量油滴电荷的改变量,求电...

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