密立根油滴实验-2014密立根油滴实验-2014.pdfVIP

密立根油滴实验 Millikan Oil-Drop Experiment 【实验目的】 1. 了解密立根油滴仪的结构，掌握利用油滴测定电子电荷的设计思路和方法。 2. 了解CCD 图像传感器的原理和电视显微测量方法。 3. 用平衡法和动态法(选做)测量电子电量的大小，验证电子电荷的量子化特性。 4. 感受和体验物理经典真滋味 …… 【预备问题】 1. 密立根利用油滴测定电子电荷的基本原理和设计思路是什么？ 2. 什么是静态(平衡)测量法和动态(非平衡)测量法？两种方法有何不同与优缺点？测 量中需注意哪些问题？ 3. 为什么必须保证油滴在测量范围内做匀速运动或静止？怎样控制油滴运动？ 4. 使用油滴喷雾器应注意什么问题？若喷油后，在显示器看不到油滴如何处理？ 5. 如何判断油滴盒内平衡极板是否水平？不水平对实验结果有何影响？ 6. 用CCD 成像系统观测油滴比直接从显微镜中观测有何优点？ 【实验背景】 1897 年，英国物理学家汤姆逊(Thomson, Joseph John)发现了电子，又测量了这种基本粒 子的比荷（荷质比），并证实了这个比值是唯一的。因此，电子的电荷量的测量成为当时物 理学家面临的重大课题。 1917 年，美国物理学家密立根(Robert Andrews Millikan)历经9 年苦心钻研，以卓越的 研究方法和精湛的实验技术，设计了油滴实验，经过上千次测量，最早从实验上测得电子电 荷的精确数值为 e=1.60×10-19C ；明确了电荷的量子化，具有不连续性。密立根油滴实验堪 称物理学的经典实验，实验结果对近代物理学发展有重要意义，其实验思路和方法有着广泛 应用，其实验原理至今仍在当代物理科学研究的前沿发挥着作用。密立根因此获得了 1923 年的诺贝尔物理学奖。 目前，测量电子电荷的最好结果为：e=(10×10-19C 。 【实验原理】 用油滴法测量电子的电荷e，可以用静态(平衡)测量法或动态(非平衡)测量法，也可以通 1 过改变油滴的带电量，用静态法或动态法测量油滴带电量的改变量。 本实验主要采用静态测量法，原理如下： 设质量为m 带电量为q 的油滴在两平行极板间运动，两极板间电压为U，极板间距为d 。 则油滴在极板间将同时受到重力和电场力的作用，如图1 所示。如果调节两极板间的电压U， 可使电场力和重力达到平衡，即 U mg qE q (1) d 图1 静电场中的带电油滴( 电压U，板间距d) 当两平行极板间不加电压时，油滴在重力作用下加速下降，同时也受空气阻力(粘滞阻力)作 用，根据斯托克斯定律，粘滞阻力为f r 6avg ，这里，a 为油滴的半径，η 为空气的粘 滞系数，vg 为油滴运动的速度。油滴的速度达到一定值后，粘滞阻力和重力会平衡，油滴进 而做匀速直线运动，有 f r 6avg mg (2) 4 3 油滴的质量与半径的关系 m v a  (3) 3 9vg 由(2)和(3)式得 a (4) 2g -6 考虑到油滴的半径为10