1、密立根油滴实验密立根油滴实验基本电荷测定Bobert Andrew Millikan华东理工大学物理实验中心华东理工大学物理实验中心一、实验历史背景及意义一、实验历史背景及意义18971897年汤姆逊发现了电子的存在，一个电子所带的电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。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的量子特性。它证明了带
2、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确地测定了基本电荷e e的数值。的数值。实验设计巧妙，将微观测量量转化为宏观量的测量，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人也因此荣获19231923年诺贝尔物理学奖。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。人们用类似的方法测定基本粒子夸克的电量。1)1)学习密立根油滴实验的设计思想。学习密立根油滴实验的设计思想。2)2)验证电荷的
3、不连续性，并测定基本电荷值验证电荷的不连续性，并测定基本电荷值。3)3)培养学生严谨的科学实验态度。培养学生严谨的科学实验态度。二、实验目的二、实验目的三、实验原理三、实验原理如何测量微观电荷量如何测量微观电荷量q？油滴在极板间同时受到重力油滴在极板间同时受到重力mgmg，电场力，电场力qEqE和空气浮力和空气浮力F Ff f的作用。平衡时有：的作用。平衡时有：EFmgqf 思路：思路：转化测量法转化测量法找到一个宏观测量量找到一个宏观测量量0334 am gamg0334 gaf3134 由于表面张力的作用，油滴一般呈小球状。设油滴由于表面张力的作用，油滴一般呈小球状。设油滴的密度为的密度为
4、 ，半径为，半径为a a，则油滴的质量，则油滴的质量m 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：同时，考虑到平行板未加电压时，油滴在重力作用下同时，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。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，油滴作匀速运动匀速运动grFr334 2/129 gvrg其中其中)(0 P229232123)2()(18 gtlUdgq 由此，对油滴所带电荷量由此，对油滴所带电荷量q q的测量，最终通过力的测量，最终通过力F F
5、这个这个物理量作为桥梁，转化为对油滴运动的位移物理量作为桥梁，转化为对油滴运动的位移l l和所需和所需时间时间t tg g的测量。的测量。ggtlv 当平行板电压为零时，油滴作匀速运动的速度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：有以上公式最后可得：2 2）对粘滞系数的修正）对粘滞系数的修正起先计算所得的起先计算所得的e e值随油滴的减小而增大，密立根认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
6、将减小，粘滞系数应予以修正。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。滴的蒸发，改用了挥发性小的油滴。1 1）用油滴替代水滴）用油滴替代水滴q基本电荷基本电荷e e的计算的计算 为了证明电荷的不连续性和所有电荷都是基本为了证明电荷的不连续性和所有电荷都是基本电荷电荷e e的整数倍，并得到基本电荷的整数倍，并得到基本电荷e e值，我们可用值，我们可用“倒过来验证倒过来验证”的办法进行数据处理，即用公认的的办法进行数据处理，即用公认的电子电荷值电子电荷
7、值e e1.6021.6021010-19-19C C去除实验测得的电荷量去除实验测得的电荷量q q，得到一个接近与某一个整数的数值，这个整数就，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是油滴所带的基本电荷的数目n n，再用这个，再用这个n n去除实去除实验测得的电荷量验测得的电荷量q q，即得电子的电荷值，即得电子的电荷值e e。四、实验仪器四、实验仪器MOD-5型密立根油滴仪型密立根油滴仪电压显示电压显示计时显示计时显示油雾室油雾室平衡水泡平衡水泡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3.实验内容五、实
8、验内容：五、实验内容：用静态（平衡）法测定电子的电荷用静态（平衡）法测定电子的电荷 1 1、熟悉仪器的使用熟悉仪器的使用2 2、调整仪器调整仪器 3 3、练习控制油滴练习控制油滴4 4、练习选择油滴练习选择油滴5 5、对同一油滴进行对同一油滴进行10121012次测量次测量 ：调节水平螺丝调节水平螺丝 ，使水准泡指示水平，极，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板处于水平位置，电场方向与重力平行。将专用油从喷雾口喷入（只喷一次少量即可），从监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。视屏上可看到大量的油滴。2 2）控制油滴）控制油滴3 3）选择合适
9、的油滴）选择合适的油滴测量两个量，平衡电压测量两个量，平衡电压U U和油滴匀速下降距离和油滴匀速下降距离l l所需所需要的时间要的时间t tg g。1 1）测量平衡电压必须经过仔细的调节，将油滴置于）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。分划板上某条横线附近，判断是否平衡。2 2）l l一般取一般取0.2cm0.2cm比较合适。比较合适。3 3）对同一颗油滴应进行）对同一颗油滴应进行10-1210-12次测量，每次测量都次测量，每次测量都要要 重新调整平衡电压。重新调整平衡电压。4 4）测量）测量232123)2()(18 gtlUdgq 六、数据处理与
10、分析六、数据处理与分析电荷序号电荷序号平衡平衡电压电压下降时间下降时间q nt1t2t3t4t51 2 3 4 5 用用“倒证法倒证法”计算电荷电计算电荷电量量2121nnqqe实验值：实验值：相对误差：相对误差：10010000eeeEnqn1n2q1q2图解法图解法已知参数值已知参数值 钟油密度：钟油密度：)20(98103ckgm30986(10)kgmc空气粘滞系数：空气粘滞系数：115.1083.1smkg2.79.9smgcmHgmb.1017.66cmHgp076-35.00 10md m3102重力加速度重力加速度 ：修正常数修正常数 ：大气压强：大气压强：平行极板间距平行极板
11、间距 ：油滴运动的距离：油滴运动的距离：七、注意事项七、注意事项（选做项目一）（选做项目一）用动态法测量油滴的电荷，求出电子电荷用动态法测量油滴的电荷，求出电子电荷e e。（选做项目二）（选做项目二）用改变油滴所带电荷的方法用改变油滴所带电荷的方法,测量油滴电荷的改变测量油滴电荷的改变 量量,求电子电荷求电子电荷e.e.1 1）调整仪器时，如果打开有机玻璃油雾室，必须）调整仪器时，如果打开有机玻璃油雾室，必须将平衡电压反向开关置将平衡电压反向开关置“0”0”。2 2）同一颗油滴反复多次测量时，不要丢失油滴。）同一颗油滴反复多次测量时，不要丢失油滴。八、思考题思考题1 1）若平行极板不水平，对测量有何影响？）若平行极板不水平，对测量有何影响？2 2）如何选择合适的油滴进行测量？）如何选择合适的油滴进行测量？3 3）实验上怎样做才能保证油滴做匀速运动？）实验上怎样做才能保证油滴做匀速运动？4 4）怎样判断油滴所带电荷量的改变？）怎样判断油滴所带电荷量的改变？
