1、 云南大学物理教学实验中心云南大学物理教学实验中心典型多媒体课件（典型多媒体课件（2）近代物理实验近代物理实验主讲教师：戴本忠主讲教师：戴本忠 教授教授24密立根油滴实验近代物理实验之一近代物理实验之一密立根（R.A.Millikan 1868-1953）（获诺贝尔物理奖实验）（获诺贝尔物理奖实验）24o由美国物理学家密立根(Millikan R.A.)完成的测量微小油滴上所带电荷的实验:油滴实验，是物理学发展史上具有重要意义的实验。这一实验首次证明了电荷的不连续性，即任何带电体所带的电量都是基本电荷的整数倍，并精确测定了基本电荷1.6010-19库仑。电子电荷是物理学中基本常数之一，在理论和
2、实际工作中都有重要意义，它的精确测定，为从实验上测定许多基本物理量提供了可能性。o密立根油滴实验设计精巧，设备简单，而实验结论却有不容置疑的说服力，因此这一实验历来被看做是物理实验的一个光辉典范。密立根由于这一杰出工作和在光电效应方面的研究成果而荣获年诺贝尔物理奖。24o通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，验证电荷的不连续性，并测定基本电荷量e；o通过对实验仪器的调整，油滴的选择、跟踪和测量，以及实验数据处理等，培养学生严谨的科学实验态度o学习并了解CCD图像传感器的原理与应用，学习电视显微测量方法。学习密立根油滴实验的设计思想；24o用喷雾器将油喷入两块相距为用喷雾器将油喷入两块相距
3、为d的水平放置的水平放置的平行极板之间，油在喷射撕裂成油滴时，的平行极板之间，油在喷射撕裂成油滴时，一般都带上电荷，假如油滴的质量为一般都带上电荷，假如油滴的质量为m，所，所带的电量为带的电量为q，两极板间的电压为，两极板间的电压为U。油滴。油滴在极板间同时受到重力和电场力两个力的作在极板间同时受到重力和电场力两个力的作用。用。E为两极板间的电场强度。为两极板间的电场强度。利用带电荷的微小油滴在均匀电场中运动的利用带电荷的微小油滴在均匀电场中运动的受力分析，可将油滴所带的微观电荷量受力分析，可将油滴所带的微观电荷量q的测的测量转化为油滴宏观运动速度的测量。量转化为油滴宏观运动速度的测量。24m
4、gf1f2dUqqEmg如果调节两极板间的电压如果调节两极板间的电压U 可使重力和电场力可使重力和电场力平衡，则有关系式：平衡，则有关系式：此时油滴会静止地悬浮在电场中，并保持平衡。此时油滴会静止地悬浮在电场中，并保持平衡。平行板不加电压时，油滴在空气中自由下落，下落平行板不加电压时，油滴在空气中自由下落，下落过程中受三个力的作用：重力过程中受三个力的作用：重力mg；空气浮力；空气浮力f1；空气；空气对它的阻力对它的阻力f2。24334am gamg334gaf3134 由于表面张力的作用由于表面张力的作用,油滴一般呈小球状。油滴一般呈小球状。设油滴的密度为设油滴的密度为,半径为半径为a,则油
5、滴的质量则油滴的质量m为为:重力及空气浮力可表示为：重力及空气浮力可表示为：24af62由斯托克斯定律知由斯托克斯定律知空气阻力可表示为空气阻力可表示为agaga6343433)(29ga 式中式中是空气的粘滞系数。当油滴下落速度达到某一数是空气的粘滞系数。当油滴下落速度达到某一数值，油滴所受合外力等于零时，油滴匀速下降。此时有：值，油滴所受合外力等于零时，油滴匀速下降。此时有：24ga29pab1pabaf162当当 时，空气浮力可以忽略。有时，空气浮力可以忽略。有 斯托克斯定律是以连续介质为前提的，对于半径小到斯托克斯定律是以连续介质为前提的，对于半径小到1010-6-6m m的微小油滴，
6、的微小油滴，半径与空气分子间的间隙大致相等，半径与空气分子间的间隙大致相等，已不能将空气看作连续介质已不能将空气看作连续介质，因此空气的粘滞系数修改，因此空气的粘滞系数修改为：为：斯托克斯定律修改为斯托克斯定律修改为24最终可得：最终可得：2392)1(218LgtpbtLUdgqgg 此式是本实验计算油滴电荷的基本公式。式中此式是本实验计算油滴电荷的基本公式。式中b 为修正常数，为修正常数，b=6.1710-6m米米厘米汞高，厘米汞高，p为大气为大气压强，单位为厘米汞高。其中压强，单位为厘米汞高。其中tg为油滴下降为油滴下降L距离所距离所测量的时间。测量的时间。24电压显示电压显示计时显示计
7、时显示平衡水泡平衡水泡CCD物距调节物距调节平衡电压平衡电压调节调节电压转换电压转换开关开关电源开关电源开关计时键计时键MOD-5型油滴仪包括：油滴盒，测量显微镜，型油滴仪包括：油滴盒，测量显微镜，数字电压表，工作电压调节旋钮，工作电数字电压表，工作电压调节旋钮，工作电压反向开关，升降电压调节旋钮，升降电压反向开关，升降电压调节旋钮，升降电压反向开关，压反向开关，CCD和监视器等。和监视器等。24油滴盒结构如图所示油滴盒是由两块经过精磨的平行极板，上极板中央有一个直径0.4毫米的小孔，油滴从油雾室经油雾孔落入小孔，进入上下极板之间。油滴盒防风罩前装有测量显微镜，用以观察平行极板间的油滴。测量显
8、微镜目镜头中装有分划板，其垂直总刻度相当于视场中的0.3厘米，用以测量油滴运动的距离。241.仪器调整仪器调整2.练习控制油滴练习控制油滴3.练习选择油滴练习选择油滴4.测量（对同一油滴进行测量（对同一油滴进行610次测量）次测量）24仪器调整仪器调整o将仪器放平稳，调整左右两只调平螺栓，使水准泡指示将仪器放平稳，调整左右两只调平螺栓，使水准泡指示水平，这时平行极板处于水平状态。预热水平，这时平行极板处于水平状态。预热10分钟，利分钟，利用预热时间从测量显微镜中观察，如果分划板位置不正，用预热时间从测量显微镜中观察，如果分划板位置不正，则转动目镜头，将分化板放正，目镜头要插到底。调节则转动目镜
9、头，将分化板放正，目镜头要插到底。调节目镜，使分划板刻线清晰。目镜，使分划板刻线清晰。o用喷雾器将油从油雾室旁的喷雾口喷入（喷一次即可），用喷雾器将油从油雾室旁的喷雾口喷入（喷一次即可），推上油雾孔挡板，以免空气流动而使油滴乱漂移，微调推上油雾孔挡板，以免空气流动而使油滴乱漂移，微调测量显微镜的调焦手轮，这时视场中即出现大量清晰的测量显微镜的调焦手轮，这时视场中即出现大量清晰的油滴。油滴。对与对与CCD一体化的屏显油滴仪，则从监视器荧一体化的屏显油滴仪，则从监视器荧光屏上观察油滴的运动。如油滴斜向运动，则可转动显光屏上观察油滴的运动。如油滴斜向运动，则可转动显微镜上的圆形微镜上的圆形CCD，使
10、油滴垂直方向运动。，使油滴垂直方向运动。2424练习测量练习测量o练习控制油滴：练习控制油滴：如果用平衡法实验喷入油滴如果用平衡法实验喷入油滴后，在平行极板上加工作（平衡）电压后，在平行极板上加工作（平衡）电压250伏特左右，工作电压选择开关置伏特左右，工作电压选择开关置“平衡平衡”档，档，驱走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动驱走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动的油滴为止。注视其中的某一颗，仔细调节的油滴为止。注视其中的某一颗，仔细调节平衡电压，使这颗油滴静止不动。然后去掉平衡电压，使这颗油滴静止不动。然后去掉平衡电压，让它自由下降，下降一段距离后平衡电压，让它自由下降，下降一段距离后再加
11、上再加上“提升提升”电压，使油滴上升。如此反电压，使油滴上升。如此反复多次地进行练习，以掌握控制油滴的方法。复多次地进行练习，以掌握控制油滴的方法。24o练习测量油滴运动的时间：练习测量油滴运动的时间：任意选择几颗运动速度任意选择几颗运动速度快慢不同的油滴，用计时器测出它们下降一段距离快慢不同的油滴，用计时器测出它们下降一段距离所用的时间。如此反复多练几次，以掌握测量油滴所用的时间。如此反复多练几次，以掌握测量油滴运动时间的方法。运动时间的方法。o练习选择油滴：练习选择油滴：要做好本实验，很重要的一点是选要做好本实验，很重要的一点是选择合适的油滴。选的油滴体积不能太大，太大的油择合适的油滴。选
12、的油滴体积不能太大，太大的油滴虽然比较亮，但一般带的电量比较多，下降速度滴虽然比较亮，但一般带的电量比较多，下降速度也比较快，时间不容易测准。也不能选太小的油滴，也比较快，时间不容易测准。也不能选太小的油滴，太小则布朗运动明显。通常选择平衡电压在太小则布朗运动明显。通常选择平衡电压在200伏伏特以上，在特以上，在2030秒内匀速下落秒内匀速下落2毫米的油滴，毫米的油滴，其大小和带电量比较合适。其大小和带电量比较合适。24正式测量正式测量静态（平衡）测量法静态（平衡）测量法 1.用平衡测量法测量油滴匀速下降一段距离用平衡测量法测量油滴匀速下降一段距离l时要测时要测量的有两个量。一是量的有两个量。
13、一是平衡电压平衡电压U，另一个是油滴匀，另一个是油滴匀速下降一段距离速下降一段距离l所需要的所需要的时间时间tg。平衡电压必须经。平衡电压必须经过仔细的调节，并将油滴置于分化板上某条横线附过仔细的调节，并将油滴置于分化板上某条横线附近，以便准确判断出这颗油滴是否平衡了。近，以便准确判断出这颗油滴是否平衡了。2.测量油滴下降测量油滴下降l所需要的时间所需要的时间tg时，时，为了在按动计时为了在按动计时器时有所思想准备，应先让它下降一段距离后再测器时有所思想准备，应先让它下降一段距离后再测量时间量时间。选定测量的一段距离。选定测量的一段距离l，应该在平衡极板，应该在平衡极板之间的中央部分，即视场中
14、分划的中央部分。之间的中央部分，即视场中分划的中央部分。若太若太靠近上极板，电场不均匀，会影响测量结果。太靠靠近上极板，电场不均匀，会影响测量结果。太靠近下电极板，测量完时间后，油滴容易丢失，影响近下电极板，测量完时间后，油滴容易丢失，影响测量。测量。一般取一般取l=2mm比较合适。比较合适。24正式测量正式测量静态（平衡）测量法静态（平衡）测量法 3.对同一颗油滴进行对同一颗油滴进行610次测量，而且每次测次测量，而且每次测量都要重新调整平衡电压。如果油滴逐渐变量都要重新调整平衡电压。如果油滴逐渐变得模糊，要微调测量显微镜跟踪油滴，勿使得模糊，要微调测量显微镜跟踪油滴，勿使油滴丢失。油滴丢失
15、。4.测完一颗油滴后，将平衡电压调为零，并打在测完一颗油滴后，将平衡电压调为零，并打在“下落下落”档，重新喷油，选择油滴测量。本档，重新喷油，选择油滴测量。本实验中要对实验中要对4-6颗油滴进行测量。颗油滴进行测量。24o在喷油后，若视场中没有发现油滴，可能有以下几在喷油后，若视场中没有发现油滴，可能有以下几个原因：传感线接触不良；油滴孔被堵。处理方法：个原因：传感线接触不良；油滴孔被堵。处理方法：检查线路；打开有机玻璃油雾室，利用脱脂棉擦拭检查线路；打开有机玻璃油雾室，利用脱脂棉擦拭小孔，或利用细丝（直径小于小孔，或利用细丝（直径小于0.4mm）捅一捅小）捅一捅小孔。孔。o调整仪器时，如要打
16、开有机玻璃油雾室，应先将工调整仪器时，如要打开有机玻璃油雾室，应先将工作电压选择开关放在作电压选择开关放在“下落下落”位置。位置。o喷油时，切忌频繁喷油，否则会堵塞油滴盒上盖的喷油时，切忌频繁喷油，否则会堵塞油滴盒上盖的小孔小孔。o测量时，要随时调整工作电压，若发现工作电压有测量时，要随时调整工作电压，若发现工作电压有明显改变，应放弃测量，重新选择油滴。明显改变，应放弃测量，重新选择油滴。24o完成本实验的关键在于控制油滴和选择合适完成本实验的关键在于控制油滴和选择合适的油滴。测量数据之前应熟练掌握控制油滴的油滴。测量数据之前应熟练掌握控制油滴的技巧，并选择合适的油滴。否则就会造成的技巧，并选
17、择合适的油滴。否则就会造成实验失败。实验失败。o实验中选择的油滴不能太大，太大的油滴虽实验中选择的油滴不能太大，太大的油滴虽然较亮，但带电量比较多，下降速度较快，然较亮，但带电量比较多，下降速度较快，时间不容易测准确。太小的油滴布朗运动明时间不容易测准确。太小的油滴布朗运动明显。通常选择平衡电压显。通常选择平衡电压200伏左右伏左右的油滴，的油滴，这时其大小和带电量比较适当。这时其大小和带电量比较适当。24o计算出每个油滴电量计算出每个油滴电量qi后，用后，用e的公认值的公认值(e=1.60210-19C)去除，得到每个油滴带基去除，得到每个油滴带基本电荷个数的近似值本电荷个数的近似值ni，将
18、，将ni四舍五入取整，四舍五入取整，再用这个整数去除再用这个整数去除qi，所得结果为测出的电，所得结果为测出的电子电量子电量ei。o求出求出ei的平均值，并与公认值比较求出相对的平均值，并与公认值比较求出相对误差误差。验证法验证法24设实验得到设实验得到m个油滴的带电个油滴的带电量分别为量分别为q1,q2,.,qm，由于电荷的量子化特性，由于电荷的量子化特性，应有应有qi=nie,此为一直线方此为一直线方程，程，n为自变量，为自变量，q为因变为因变量，量，e为斜率。因此为斜率。因此m个个油滴对应的数据在油滴对应的数据在nq坐坐标系中将在同一条过原点标系中将在同一条过原点的直线上，若找到满足这的
19、直线上，若找到满足这一关系的曲线，就可用斜一关系的曲线，就可用斜率求得率求得e值。将值。将e值的实验值的实验值与公认值比较，求相对值与公认值比较，求相对误差。误差。倒证法倒证法nqn1n2q1q224o如何判断油滴盒内两平行极板是否水平？如果不水如何判断油滴盒内两平行极板是否水平？如果不水平对实验有何影响？平对实验有何影响？o为什么向油雾室喷油时，一定要使电容器的两平行为什么向油雾室喷油时，一定要使电容器的两平行极板短路？这时平行电压的换向开关置于何处？极板短路？这时平行电压的换向开关置于何处？o应选什么样的油滴进行测量？选太小的油滴对测量应选什么样的油滴进行测量？选太小的油滴对测量有什么影响？选太大或带电太多的油滴又存在什么有什么影响？选太大或带电太多的油滴又存在什么问题？问题？o观察中发现油滴形象变模糊，是什么问题？为什么观察中发现油滴形象变模糊，是什么问题？为什么会发生？如何处理？会发生？如何处理？o利用某一颗油滴的实验数据，计算出作用在该油滴利用某一颗油滴的实验数据，计算出作用在该油滴上的浮力，将其大小与重力、粘滞力、电场力相比上的浮力，将其大小与重力、粘滞力、电场力相比较。较。24
