1、密立根油滴实验密立根油滴实验Millikanillikans s Oil-Drop Experiment Oil-Drop Experiment贾友见昆明理工大学物理实验中心注意：本教学片中引用的图片或其它资料，无论注明与否，版权均属原作者或单位所有。2内容内容OUTLINESOUTLINESn一、实验目的（Purpose&Aims）n二、背景知识(Introduction)n三、实验原理（Theory of the Experiment)n四、实验（Experiment）n五、分析（Analysis）n六、结论和讨论（Conclusion&Discussion）n七、思考题（Further
2、Study）3问题问题P PREPARATORYREPARATORY Q QUESTIONSUESTIONSnQ:电子的电量公认值是多少？（有无理论值？）A：e=1.6022X10-19C e=(1.602177310.00000049)10-19C（目前最新结果）nQ:物体带电荷是量子化，还是连续的？或者说基本电荷是否存在？A：是，电荷具有量子化特征4一、实验目的一、实验目的PURPOSEn学习测量基本电荷的方法；n验证电荷不连续性特征；n体会密立根油滴实验简洁之”美”，掌握实验方法和实验技巧；美：参与人少，设计精巧，计算工具简单，结果准确。n训练实验时应有的严谨态度和坚韧不拔的科学精神。5
3、二、背景知识二、背景知识 INTRODUCTIONINTRODUCTIONn原子存在的证据：布朗运动等实验n原子是由什么组成的？6电子的发现电子的发现DISCOVERY OF ELECTRONSDISCOVERY OF ELECTRONSn1890年J.斯通尼(Stoney)最早提出“electron“，即”电子”一词，表示基本电荷的载体。n1897年，J.J.Thomson,C.T.Wilson和P.Lenard曾以阴极射线管、气体云室证实电子的存在，并测定了电子的荷质比。ne/m7电子的发现电子的发现阴极射线管实验，测定了电子的荷质比81833年，法拉弟电解定律实际上为电荷的不连续结构 提
4、供了证据但其本人当时却并不认同。法拉第电解定律法拉第电解定律Faradays Law of ElectrolysisFaradays Law of Electrolysis9意义和地位意义和地位n物理学史上最重要的实验之一验证了电荷的量子性（不连续性）测量了基本电荷，准准:e=1.591 x 10-19 Cn此外，该实验设计技巧，结果准确，具有启发性科学史上最美的科学实验之一Sciences 10 Most Beautiful Experiments1，rank 31 GEORGE JOHNSON，September 24,2002 The New York Times10密立根密立根Robe
5、rt Andrews MillikanRobert Andrews Millikan（1868-19531868-1953）1891年他从奥伯林学院毕业后，自学获硕士学位。1893年，密立根获奖学金到哥伦比亚大学，以炽热表面发光的偏振性为题获博士学位。1896年接受迈克耳逊邀请到芝加哥大学任教。1909年至1917年期间，测量微小油滴电荷的工作，即油滴实验.1923年获诺贝尔物理学奖 11密立根论实验密立根论实验n Science walks forward on two feet,namely theory and experimentnSometimes it is one foot wh
6、ich is put forward first,sometimes the other,but continuous progress is only made by the use of both-by theorizing and then testing,or by finding new relations in the process of experimenting and then bringing the theoretical foot up and pushing it on beyond,and so on in unending alternations1.n科学靠两
7、只脚前行:理论和实验有时一只脚先行，但只有采用两只脚,科学才能得以持续进步-1ROBERT A.MILLIKAN Nobel Lecture,May 23,192412协作协作nIn 1907，Harvey Fletcher,Robert Millikans young collaborator 2got the idea of watching the motion of a single,charged,microscopic oil dropletproduced microscopic droplets with an“atomizer“won Millikan the Nobel P
8、rize2 Massachusetts Institute of Technology Physics Department.Millikans Oil Drop Experiment.Aug.200013密立根的团队密立根的团队nMillikans Group14基本电荷测量基本电荷测量-原实验室布局原实验室布局ndetermine elementary charge,e15密立根油滴实验密立根油滴实验-仪器和论文仪器和论文From Millikans first paperReproduced in Holton,1978小小观察者观察者16李耀邦李耀邦-密立根方法实验中国第一人密立根方法
9、实验中国第一人n李耀邦（1884-1940），广东番禺人。n中国第一个物理学博士学位获得者，密立根的学生n博士论文题目是以密立根的方法利用固体球粒测定值，研究的问题：以不同于使用液滴的方法，用固体球粒是否能得出值；对于固体球粒和液滴二者，斯托克斯定律的修正项是否相同 采用的是虫胶，磨细过滤虫胶酒精溶液喷入油滴仪，酒精挥发后就得到虫胶固体颗粒。17三、实验原理三、实验原理密立根油滴仪示意图密立根油滴仪示意图巧巧水滴如何？油滴不易蒸发18现象观察现象观察OBSERVATIONOBSERVATIONnlike a brilliant star on a black background 3如夜空繁星
10、3Sciences 10 Most Beautiful Experiments by Jerry Becker，www.phy.ntnu.edu.tw/19如何测得基本电荷值？如何测得基本电荷值？HOW TO?HOW TO?n第一步：测量油滴的电量q平衡法，本实验采用此法。动态法n第二步，求各油滴带电量q的最大公约数。由于测量误差，通常难求最大公约数。如果选择的油滴数较少，建议采用验证的方法。我们采用讲义提供的方法（先分组，求出最小差值或最小电荷值作为估计值，再用最小二乘法求斜率）。20平衡法平衡法测量油滴电量测量油滴电量METHODMETHODn油滴静止时，受力分析：电场力（Electros
11、tatic force）,qV/d,重力（Gravitational force）,mg,空气浮力忽略(buoyant force)n简化结果:n如何确定m？V，d容易测量，m?.dqm gV343ma21平衡法测量油滴电量平衡法测量油滴电量n1、确定 .未加电压时，油滴加速下落，直至收尾速度Vg根据斯托克斯定律，Stokes law：半径为r的球形物体,在静止的均匀流体中运动时，若物体运动的雷诺数Re1，则物体所受的粘滞阻力为上式。369423rggfa vmgvagma a22平衡法测量油滴电量平衡法测量油滴电量（续）（续）n对于半径小到接近空气空隙的大小，对斯托克斯定律修正，上式变为n上
12、式中，由于a处于修正项中，不需要很精确，假定仍采用上张幻灯片的表达式计算的结果。b为常量8.22*10-3 m.Pa.，p为大气压强 369112143grga vfmgbvaaPbgaPma pab123平衡法测量油滴电量平衡法测量油滴电量（续）（续）n2.油滴质量n3.测油滴速度。当电压为零，油滴匀速下降的距离为 ，下降时间为 则n4.油滴电量公式为，n只要我们测出平衡电压V，油滴匀速下降的时间 和 ,即可求得qgt32941321gvmbgaPl/ggvl t3218121gldqbtVgaPgtl24四、实验四、实验-任务和条件任务和条件 EXPERIMENTEXPERIMENTn测量
13、参数（只有两个）1、平衡电压。读取油滴静止时的平衡电压值。2、测量油滴匀速下降的时间和距离。其中距离我们约定采用 为1.5mm，即屏幕上6格的距离。3、记录室温、湿度、气压。（通常实验室给出）n实验条件油滴盒水平（为何？）电场方向与重力方向平行消除空气对流影响。关闭进油孔。l25实验仪器实验仪器APPARATUSAPPARATUS26实验仪器实验仪器（续）（续）照明系统上电极板下电极板27实验仪器实验仪器（续）（续）注意喷油角度和用力，注意喷油角度和用力，防止折断玻璃喷嘴防止折断玻璃喷嘴28实验仪器实验仪器（续）（续）CCD摄像头电极水平仪计时按钮平衡电压摄像头聚焦调节进油孔电极极性29实验仪
14、器实验仪器（续）（续）平衡电压计时30测量步骤测量步骤PROCEEDURESPROCEEDURESn1、调节仪器水平。n2、首先练习正确选择和控制油滴，需要耐心和细致。合适的油滴：o大小：直径在0.51mm（监视器）左右，撤电压匀速下降6格的时间830s左右。o电量：加提升电压能上，调平衡电压能静止。一般平衡电压在200-300之间。31测量步骤测量步骤(续续)观察油滴是否平衡时，需要时间。调节平衡电压时，需要细致熟能生巧（Practice makes perfect.）n3、用平衡法测量油滴匀速下降6格的时间。选择1020个油滴，每个油滴测量5次。32注意事项注意事项n使用喷雾器往油雾室喷油
15、时，不要连续喷多次，一般喷一下即可。以防堵塞极板上的小孔。n油滴选定之后，应及时关闭电极进油孔，再开始正式测量。n油滴的选取一定要大小合适，一般在直径0.5mm-1mm左右（屏幕显示）。n为使平衡电压测值准确，应适当延长观察平衡状态的时间。n在测量过程中，不断校准平衡电压，每一次测量都要记录平衡电压值。若发现平衡电压有明显改变，则应作为一颗新的油滴记录其测量数据。33五、分析五、分析 ANALYSISANALYSISn随机误差（random errors of measurement）多次测量（由于课堂时间的限制，我们通常难以进行更多次的测量）n系统误差（systematic error）电压
16、的测量精度，计时器的精度34六、结论和讨论六、结论和讨论 CONCLUSIONCONCLUSIONAND DISCUSSIONSAND DISCUSSIONSn本实验结果表明了（shows）油滴所带电量是量子化的，基本电荷的测量值为(例)：e=（1.590.09）10-19CnMillkan以后的实验（Johnsons shot noise experiment）与该实验的量级一致。至于基本电荷值是 还是看起来(appears)是该值，至今仍旧是一个哲学问题，还没有足够的证据完全确定4。n随着粒子物理学的发展，的确发现了比基本电荷小的电荷(Quarks)，仅有基本电荷的1/3，但“通常”（No
17、rmal）情况下，总是以三个一组的情形出现3。因此，对于我们“普通”物理实验课程来说，实验中观察到的值，就是基本电荷值。n来源4http:/people.ccmr.cornell.edu/muchomas/8.04/Lecs/lec_Millikan/node8.html35七、思考题七、思考题FURTHER STUDYFURTHER STUDYn描述另外一种与密立根方法不同的测量电子电荷的方法nDescribe another completely independent method for determining the value of the electron charge.36谢谢大家！37油滴仪技术指标和实验参数油滴仪技术指标和实验参数n极板间距：5.000.01mmn分划板：每个0.25mm，6格1.50mmn毫秒计：99.99 0.01sn昆明大气压：8.12104Pa38平均自由程直径空气（27，105P）7.6 10-83.5 10-10油滴-10-6-10-7温度密度kg/m301.293101.247201.205301.165401.123
