实验七密立根油滴实验.docVIP

实验五 密立根油滴实验 【预习重点】 了解密立根实验思想的发展过程。 2、了解显微摄像油滴仪的原理、结构和操作方法。 3、了解非整最大公约数的数值求解方法。 【实验目的】 1、学习密立根的敬业创新精神，学做一个有心人。 2、尝试用现代化测量仪器计算手段研究经典课题，实测基本电荷e 。 3、培养耐心细致的工作风格和技巧。 【学史背景】 密立根（Robert Andrews Millikan, 1868-1953）出身贫寒，上学较晚，除希腊语和数学外几乎没有什么特长。一个偶然的机会使他投身物理学，那是在奥伯林学院大二即将结束的时候，协助老师给预科班开设基础物理课。密立根刻苦钻研教学，在课堂上经常采用生动的演示实验，比之教授们的照本宣科大受欢迎。他本科毕业后一边教学一边自修硕士学位，之后获奖学金赴哥伦比亚大学攻读博士，继而到欧洲留学；返美后应迈克耳孙之邀到芝加哥大学任教。而立之年的密立根，教学工作非常优秀，科学研究尚未起步。为此他很着急，决心向科学前沿出击。J.J.汤姆孙1897年发现电子的论文给了他极大启发，他选定基本电荷的测量作为科研切入点。 因研究气体导电获1906年度诺贝尔物理奖的J.J. 汤姆孙爵士（Sir Joseph John Thomson, 1856-1940）并不擅长实验技术，但思路敏锐善于设计，在同事和学生协助下完成了许多精采实验。他证明了阴极射线是带负电的粒子流，这种粒子的尺度远小于分子原子，他将之命名为电子（electron），还测算了电子荷质比。接下来的工作就是要确定电子带电量，许多学者投入这项工作。著名科学家卢瑟福的赞赏激发了密立根的创新灵感，密立根在改进别人的云室法时突发奇想：为使云雾稳定不动，可否加上一个与重力反向的电场力？结果大出所料，雾粒在很短时间内以不同速度散得一干二净。失败了吗？否！密立根从意外现象的背后看到出路，一举创造了测量单个带电液滴的著名实验方法，以确凿的数据证明了电荷的量子性，荣获1923年度诺贝尔物理奖。 当初汤姆孙研究阴极射线，面对电子速度、电子电荷、电子质量3个未知量，手中只有电场力、洛仑兹力两个方程，求解条件不完备，只能求出荷质比而不是电子电荷；密立根手中具备了重力、粘滞力、电场力3个方程，他就站到了巨人肩上。斯托克斯公式尽人皆知，只有密立根首先想到用它补足自己的方程组，可见把物理模型由阴极射线换成带电液滴是高明的，也是幸运的。但这决不是偶然的侥幸，它源于密立根长期不懈的磨炼，厚积薄发。机遇只青睐有准备的人，否则撞个满怀也会失之交臂，科学史上此等例证屡见不鲜。密立根的创新特色就在于用足人类已有知识，巧妙解决未知问题。密立根的业绩告诉我们，从平庸到杰出没有太高的台阶，世上无难事，只怕有心人。 【实验原理】 1．动态法物理模型分析 密立根先后设计了静态法、动态法、改变电荷法，本实验采用动态法。 由于油的表面张力和空气的悬浮作用，油滴形状近似圆球。设半径为r的油滴在重力场中自由下落如图1(a)。经过几毫秒变速运动之后，空气粘滞力fg和油滴重力mg达到平衡，fg=mg，油滴便以收尾速度vg匀速下落，其所带电荷不影响运动状态。油滴重力为 mg=r3g， （1） 图 1 粘滞力按斯托克斯定律为 fg=6rvg （2） 设油滴带电量q，现在给油滴施加一个向上的电场力qE如图1（b）。起初油滴下落速度减慢，随着电场力的增大油滴渐趋静止，继而上升。设电场电压最终稳定在UE，收尾速度为vE。此时粘滞力fE=6rvE 方向向下，三力平衡如下式： qE=mg+fE=fg+fE （3） 当油滴静止时，对应的电场电压U0称为平衡电压。U0不参与运算，但它是一个重要参数，实验中务必要做记录。 以上三式中收尾速度是可以测量的，外加电场是已知的，粘滞力表达式只有油滴半径未知。联立（1）、（2）可得 将vg代换成路程时间之比h/tg， （4） 将场强E代换成上升电压与平行电极间距之比UE/d；将vE代换成h/tE，由（3）式可得 考虑到油滴很小，空气已不能看成连续介质，应修正为 式