云南大学物理教学实验中心ppt课件

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o由美国物理学家密立根(Millikan R. A.)完成的丈量微小油滴上所带电荷的实验:油滴实验，是物理学开展史上具有重要意义的实验。这一实验初次证明了电荷的不延续性，即任何带电体所带的电量都是根本电荷的整数倍，并准确测定了根本电荷1.6010-19库仑。电子电荷是物理学中根本常数之一，在实际和实践任务中都有重要意

2、义，它的准确测定，为从实验上测定许多根本物理量提供了能够性。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压服力，因此这一实验历来被看做是物理实验的一个光辉典范。密立根由于这一出色任务和在光电效应方面的研讨成果而荣获年诺贝尔物理奖。o经过对带电油滴在重力场和静电场中运动的丈量，验证电荷的不延续性，并测定根本电荷量e； o经过对实验仪器的调整，油滴的选择、跟踪和丈量，以及实验数据处置等，培育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运用，学习电视显微丈量方法。学习密立根油滴实验的设计思想； o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为d的程度放置的程度放置

3、的平行极板之间，油在放射撕裂成油滴时，的平行极板之间，油在放射撕裂成油滴时，普通都带上电荷，假设油滴的质量为普通都带上电荷，假设油滴的质量为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。油滴在极板间同时遭到重力和电场力两个力的作在极板间同时遭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的丈的丈量转化为油滴宏观运动速度的丈量。量转化为油滴宏观运动速度的丈量。 mgf1f2dUqqEmg假

4、设调理两极板间的电压假设调理两极板间的电压U 可使重力和电场力可使重力和电场力平衡，那么有关系式：平衡，那么有关系式：此时油滴会静止地悬浮在电场中，并坚持平衡。此时油滴会静止地悬浮在电场中，并坚持平衡。 平行板不加电压时，油滴在空气中自在下落，下落过程中受三个力的作用：重力mg ；空气浮力f1 ；空气对它的阻力f2。 334am gamg334gaf3134 由于外表张力的作用,油滴普通呈小球状。设油滴的密度为,半径为a,那么油滴的质量m为:重力及空气浮力可表示为：重力及空气浮力可表示为：af62由斯托克斯定律知空气阻力可表示为由斯托克斯定律知空气阻力可表示为agaga6343433)(29g

5、a 式中式中是空气的粘滞系数。当油滴下落速度到达某一数值，油滴所受合外是空气的粘滞系数。当油滴下落速度到达某一数值，油滴所受合外力等于零时，油滴匀速下降。此时有：力等于零时，油滴匀速下降。此时有：ga29pab1pabaf162当当 时，空气浮力可以忽略。有时，空气浮力可以忽略。有 斯托克斯定律是以延续介质为前提的，对于半径小到斯托克斯定律是以延续介质为前提的，对于半径小到10-6m10-6m的微小油滴，半径与空气分子间的间隙大致相等的微小油滴，半径与空气分子间的间隙大致相等，已不能将空气看作延续介质，因此空气的粘滞系数修，已不能将空气看作延续介质，因此空气的粘滞系数修正为：正为：斯托克斯定律

6、修正为斯托克斯定律修正为最终可得：最终可得：2392)1 (218LgtpbtLUdgqgg 此式是本实验计算油滴电荷的根本公式。式中b 为修正常数，b=6.1710-6m米厘米汞高，p为大气压强，单位为厘米汞高。其中tg为油滴下降L间隔所丈量的时间。电压显示电压显示计时显示计时显示平衡水泡平衡水泡CCD物距调理物距调理平衡电压平衡电压调理调理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，丈量显微镜，型油滴仪包括：油滴盒，丈量显微镜，数字电压表，任务电压调理旋钮，任务电数字电压表，任务电压调理旋钮，任务电压反向开关，升降电压调理旋钮，升降电压反向开关，升降

7、电压调理旋钮，升降电压反向开关，压反向开关，CCD和监视器等。和监视器等。油滴盒构造如下图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丈量显微镜，用以察看平行极板间的油滴。丈量显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，用以丈量油滴运动的间隔。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，使水准泡指示程度，这时平行极板处于程度形状。预热程度，这时平行极板处于程度形状。预热10分钟，利分钟，利用预热时间从丈量显微镜中察看，假设分

8、划板位置不正，用预热时间从丈量显微镜中察看，假设分划板位置不正，那么转动目镜头，将分化板放正，目镜头要插究竟。调那么转动目镜头，将分化板放正，目镜头要插究竟。调理目镜，使分划板刻线明晰。理目镜，使分划板刻线明晰。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，微调丈量显微镜的调焦手轮，这时视场中即出现大量明晰的丈量显微镜的调焦手轮，这时视场中即出现大量明晰的油滴。油滴。 对与对与CCD一体化的屏显油滴仪，那么从监视器一体化的屏显油滴仪，那么从监视器荧光屏上察

9、看油滴的运动。如油滴斜向运动，那么可转荧光屏上察看油滴的运动。如油滴斜向运动，那么可转动显微镜上的圆形动显微镜上的圆形CCD，使油滴垂直方向运动。，使油滴垂直方向运动。练习丈量练习丈量o练习控制油滴：假设用平衡法实验喷入油滴练习控制油滴：假设用平衡法实验喷入油滴后，在平行极板上加任务平衡电压后，在平行极板上加任务平衡电压250伏特左右，任务电压选择开关置伏特左右，任务电压选择开关置“平衡档，平衡档，驱走不需求的油滴，直到剩下几颗缓慢运动驱走不需求的油滴，直到剩下几颗缓慢运动的油滴为止。凝视其中的某一颗，仔细调理的油滴为止。凝视其中的某一颗，仔细调理平衡电压，使这颗油滴静止不动。然后去掉平衡电压

10、，使这颗油滴静止不动。然后去掉平衡电压，让它自在下降，下降一段间隔后平衡电压，让它自在下降，下降一段间隔后再加上再加上“提升电压，使油滴上升。如此反提升电压，使油滴上升。如此反复多次地进展练习，以掌握控制油滴的方法。复多次地进展练习，以掌握控制油滴的方法。o练习丈量油滴运动的时间：恣意选择几颗运动速度练习丈量油滴运动的时间：恣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间隔快慢不同的油滴，用计时器测出它们下降一段间隔所用的时间。如此反复多练几次，以掌握丈量油滴所用的时间。如此反复多练几次，以掌握丈量油滴运动时间的方法。运动时间的方法。o练习选择油滴：要做好本实验，很重要的一点是选

11、练习选择油滴：要做好本实验，很重要的一点是选择适宜的油滴。选的油滴体积不能太大，太大的油择适宜的油滴。选的油滴体积不能太大，太大的油滴虽然比较亮，但普通带的电量比较多，下降速度滴虽然比较亮，但普通带的电量比较多，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，太小那么布朗运动明显。通常选择平衡电压在太小那么布朗运动明显。通常选择平衡电压在200伏特以上，在伏特以上，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适宜。其大小和带电量比较适宜。正式丈量正式丈量静态平衡丈量法静态平衡丈量法 用平衡丈量法丈量油滴匀速下

12、降一段间隔用平衡丈量法丈量油滴匀速下降一段间隔l时要丈时要丈量的有两个量。一是平衡电压量的有两个量。一是平衡电压U，另一个是油滴匀，另一个是油滴匀速下降一段间隔速下降一段间隔l所需求的时间所需求的时间tg。平衡电压必需经。平衡电压必需经过仔细的调理，并将油滴置于分化板上某条横线附过仔细的调理，并将油滴置于分化板上某条横线附近，以便准确判别出这颗油滴能否平衡了。近，以便准确判别出这颗油滴能否平衡了。 丈量油滴下降丈量油滴下降l所需求的时间所需求的时间tg时，为了在按动计时时，为了在按动计时器时有所思想预备，应先让它下降一段间隔后再丈器时有所思想预备，应先让它下降一段间隔后再丈量时间。选定丈量的一

13、段间隔量时间。选定丈量的一段间隔l，应该在平衡极板，应该在平衡极板之间的中央部分，即视场中分划的中央部分。假设之间的中央部分，即视场中分划的中央部分。假设太接近上极板，电场不均匀，会影响丈量结果。太太接近上极板，电场不均匀，会影响丈量结果。太接近下电极板，丈量完时间后，油滴容易丧失，影接近下电极板，丈量完时间后，油滴容易丧失，影响丈量。普通取响丈量。普通取l=2mm比较适宜。比较适宜。正式丈量正式丈量静态平衡丈量法静态平衡丈量法 3. 对同一颗油滴进展对同一颗油滴进展610次丈量，而且每次丈次丈量，而且每次丈量都要重新调整平衡电压。假设油滴逐渐变量都要重新调整平衡电压。假设油滴逐渐变得模糊，要

14、微调丈量显微镜跟踪油滴，勿使得模糊，要微调丈量显微镜跟踪油滴，勿使油滴丧失。油滴丧失。 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“下落档，重新喷油，选择油滴丈量。本下落档，重新喷油，选择油滴丈量。本实验中要对实验中要对4-6颗油滴进展丈量。颗油滴进展丈量。 o在喷油后，假设视场中没有发现油滴，能够有以下在喷油后，假设视场中没有发现油滴，能够有以下几个缘由：传感线接触不良；油滴孔被堵。处置方几个缘由：传感线接触不良；油滴孔被堵。处置方法：检查线路；翻开有机玻璃油雾室，利用脱脂棉法：检查线路；翻开有机玻璃油雾室，利用脱脂棉擦拭小孔，或利用细丝直径小于擦

15、拭小孔，或利用细丝直径小于0.4mm捅一捅一捅小孔。捅小孔。o调整仪器时，如要翻开有机玻璃油雾室，应先将任调整仪器时，如要翻开有机玻璃油雾室，应先将任务电压选择开关放在务电压选择开关放在“下落位置。下落位置。o喷油时，切忌频繁喷油，否那么会堵塞油滴盒上盖喷油时，切忌频繁喷油，否那么会堵塞油滴盒上盖的小孔的小孔 。o丈量时，要随时调整任务电压，假设发现任务电压丈量时，要随时调整任务电压，假设发现任务电压有明显改动，应放弃丈量，重新选择油滴。有明显改动，应放弃丈量，重新选择油滴。o完本钱实验的关键在于控制油滴和选择适宜完本钱实验的关键在于控制油滴和选择适宜的油滴。丈量数据之前应熟练掌握控制油滴的油

16、滴。丈量数据之前应熟练掌握控制油滴的技巧，并选择适宜的油滴。否那么就会呵的技巧，并选择适宜的油滴。否那么就会呵斥实验失败。斥实验失败。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伏左右的油滴，伏左右的油滴，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。o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

17、，得到每个油滴带根去除，得到每个油滴带根本电荷个数的近似值本电荷个数的近似值ni，将，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,此为不断线方此为不断线方程，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，假设找到满足的直线上，假设找到满足这一关系的曲线，就可用这一关系的曲线，就可用斜率求得斜率求得e值。将值。将e值的实值的实验值与公认值比较，求相验值与公认值比较，求相对误差。对误差。倒证法倒证法nqn1n2q1q2o如何判别油滴盒内两平行极板能否程度？假设不程如何判别油滴盒内两平行极板能否程度？假设不程度对实验有何影响？度对实验有何影响？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