浙江理工大学物理实验中心.ppt
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1、浙江理工大学物理实验中心,密立根油滴实验,密立根油滴实验,密立根简介,实验原理,实验内容及操作步骤,数据处理,思考与讨论,注意事项,历史背景及意义,实验装置,密立根简介,密立根 (Bobert Andrew Millikan),美国物理学家。1868 年3月22日生于伊利诺伊州的莫里森,1953年12月19日卒于加利福尼亚萨迪纳 。1893 年取得奥伯林大学硕士学位。1895年获哥伦比亚大学博士学位后留学欧洲。1896年回国任教于芝加哥大学。,1907 1913年间做了一连串实验,用带电油滴准确地测定电子的电荷值,还验证了A.爱因斯坦的光电效应方程,取得了普朗克常数的精密数值。因在基本电荷和光
2、电效应方面的研究而获得1923年诺贝尔物理学奖。1921年任加利福尼亚理工学院布里奇物理实验室主任,并领导一批物理学家研究宇宙射线,其中最重要的成就是C.D.安德森在1932年发现正电子。,历史背景及意义,密立根油滴实验在近代物理学发展中占有非常重要的地位,该实验清楚地证明了电荷的颗粒性,并确定了最小单位电荷的量值。开设这个实验,不仅是为了掌握一种实验方法,或验证一下前人已经验证过的定律,更重要的是通过实验使学生独立思考,掌握一种发现物理规律的方法通过本实验发现电荷的颗粒特性,并确定电荷的最小值。,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。1897年汤姆逊测定了阴极射线的荷质比,证实
3、了阴极射线是带电荷有质量的离子,从而证实了电子的存在。美国杰出的物理学家密立根,从1906年起就致力于细小油滴带电量的测量,他用了11年时间,经过多次重大改进,终于以上千个油滴的确凿实验数据得出基本电荷的电量e=(1.59240.0017)10-19C,首先直接证实了电荷的量子性,即任何电量都是基本电荷的整数倍,这个基本电荷就是电子所带的电荷,密立根因测出电子电荷及其他方面的贡献,荣获1923年度诺贝尔物理奖。,实验原理,动态法测油滴带电量(非平衡法),一个质量为m、带电量为q的油滴处在两块平行极板之间,在平行极板未加电压时,油滴受重力作用而加速下降。由于空气阻力的作用,下降一段距离后,油滴将
4、作匀速运动,其速度为vg,这时重力与阻力平衡(空气浮力忽略不计)。,根据斯托克斯定律,粘滞阻力为:,这时有,当在平行极板上加电压U时,油滴处在场强为E的静电场中,设电场力qE与重力相反,使油滴受电场力加速上升,由于空气阻力作用,上升一段距离后,油滴所受的空气阻力、重力与电场力达到平衡(空气浮力忽略不计),油滴将以匀速上升,此时速度为ve,则有:,所以带电油滴的电量为:,为测定油滴所带电荷q,除应测出U、d 和速度vg、ve外,还需知油滴质量m。由于空气的悬浮和表面张力作用,可将油滴看作均匀的圆球,其质量为:,油滴的半径为,实验时取油滴匀速下降和匀速上升的距离相等,设都为l,测出油滴匀速下降的时
5、间tg,匀速上升的时间为te,则,粘滞系数的修正式:,?,式中,b为修正常数,p为空气压强,a为油滴半径。,由以上公式联立,求得油滴带电量为,静态法测油滴带电量(平衡法),调节平行板间的电压,使油滴不动,ve=0,即te,由式(10)可求得:,上式即为静态法测油滴电荷的公式,电压U是恰好能够使带电油滴静止在电场中所需电压,我们称它为平衡电压。,为了求电子电荷e,在实验中,要对多个不同的油滴进行测量,然后求这些油滴电量的最大公约数,此数就是基本电荷e的电量值。另外,也可以测量同一油滴所带电荷的改变量qi(可以用紫外线或放射源照射油滴,使它所带电荷改变),这时带电油滴的电荷变化量q应近似为某一最小
6、单位的整数倍,此最小单位即为基本电荷e。,实验装置,实验仪器用MOD-5型密立根油滴仪,它改变了从显微镜中观察油滴的传统方式,而用CCD摄像头成像,将油滴在监视器屏幕上显示。视眼宽广,观测省力,免除眼睛疲劳,这是油滴仪的重大改进。,实验模拟,实验内容及操作步骤,仪器调整,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,如夜空繁星。 对MOD5C型与CCD一体化的屏显油滴仪,则丛监视器荧光屏上观察油滴的运动。如油滴斜向运动,则可转动显微镜上的圆形CCD,使油滴垂直方向运动。,将仪器放平稳,调整
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