实验密立根油滴实验.DOC

实验三十 密立根油滴实验 实验内容 测定电子的电荷值e，验证电荷的不连续性 教学要求 了解基本电荷的性质，学习基本电荷的一种测量方法。 通过实验培养学生进行物理实验的坚韧精神和严谨的科学态度。 实验器材 密立根油滴仪 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得出了两个重要的结论：（1）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；（2）测出了电子的电荷值—即基本电荷的电荷值库仑。 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10-9m，质量约为10-15kg），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。 实验原理 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30-1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。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 （30-1） 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 （30-2） 其中，是空气的粘滞系数，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 （30-3） 将（30-2）式和（30-3）式合并，可得油滴的半径为 （30-4） 由于斯托克斯定律对均匀介质才是正确的，对于半径小到10-6m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 式中b为一修正常数，取m.cmHg；P为大气压强，单位是cmHg。利用平衡条件和（30-3）式可得 （30-5） 上式根号下虽然还包含油滴的半径，因为它是处于修正项中，不需要十分精确，仍可用（30-4）式来表示。将（30-5）代入（30-3）式得 （30-6） 当平行极板间的电压为0时，设油滴匀速下降的距离为，时间为，则油滴匀速下降的速度为 （30-7） 将（30-7）式代入（30-6）式，再将（30-6）式代入（30-1）式得 （30-8） 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。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 式中，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，（30-8）式可化为 （30-9） 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。 操作步骤 仪器调节 1．将油滴照明灯接2.2V电源，平行极板接500V支流电源，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。 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