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文档简介
1、2密立根简介密立根简介 密立根密立根 (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
2、要的成就是C.D.安德森在1932年发现正电子。3 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
3、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。 4实验原理实验原理动态法测油滴带电量(非平衡法)动态法测油滴带电量(非平衡法) dUqEmg 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:6(1
4、)rgfa v mgrfvg这时有 6(2)ga vmg 5 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: 6(3)ea vmgqE mgrfveqE(4)UEd所以带电油滴的电量为: ()(5)gegvvdqmgUv6 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: 34,(6)3ma129()( 7 )2g
5、vag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间tg,匀速上升的时间为te,则 ggtv(8)eevt7粘滞系数粘滞系数 的修正式的修正式: : (9 )1bp a ?式中,b为修正常数,p为空气压强,a为油滴半径。 321218111()()(10)21eggdqbU tttgpa由以上公式联立,求得油滴带电量为由以上公式联立,求得油滴带电量为8静态法测油滴带电量(平衡法)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: 3218(11)2(1)gdqbUgtpa 上式即为静态法测油滴电荷的公式
6、,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应近似为某一最小单位的整数倍,此最小单位即为基本电荷e。9实验装置实验装置 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。 1 实验装置2357891电压换向
7、开关 、2电压调节旋钮、3数字电压表 4、数 字 计 时 器 5 油 滴 盒 、6计时按钮,7、监视器8、显微镜、9、CCD摄像头,10、计时复位按钮1064实验模拟实验模拟10 实验内容及操作步骤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,调整左右两只调平螺栓,使水准泡指示水平,这时平行极
8、板处于水平状态。预热10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,则转动目镜头,将分化板放正,目镜头要插到底。调节接目镜,使分划板刻线清晰。 11练习测量 练习控制油滴。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250伏特左右,工作电压选择开关置“平衡”档,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,下降一段距离后再加上“提升”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。 练习测量油滴运动的时间。任意选择几颗运动书速度快慢不同的油滴,用计时器测出它们
9、下降一段距离所用的时间。如此反复多练几次,以掌握测量油滴运动时间的方法。 练习选择油滴。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,太大的油滴虽然比较亮,但一般带的电量比较多,下降速度也比较多,下降速度也比较快时间不容易测准。油滴也不能选的太小,太小则布朗运动明显。通常可以选择平衡电压在200伏特以上,其大小和带电量都比较合适。 12正式测量 静态(平衡)测量法静态(平衡)测量法 用平衡测量法测量油滴匀速下降一段距离l时要测量的有两个量。一是平衡电压U,另一个是油滴匀速下降一段距离l所需要的时间tg。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近,以便准确判
10、断出这颗油滴是否平衡了。 测量油滴下降l所需要的时间tg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量时间。选定测量的一段距离l,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。若太靠近上极板,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,影响测量。一般取l=0.200cm比较合适。 对同一颗油滴进行610次测量,而且每次测量都要重新调整平衡电压。如果油滴逐渐变得模糊,要微调测量显微镜跟踪油滴,勿使丢失。 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,选择油滴测量。本实验中要对多个油滴进行测量。 13(选做项目一) 用动态法测量
11、油滴的电荷,求出电子电荷e 。(选做项目二) 用改变油滴所带电荷的方法,测量油滴电荷的改变量,求电子电荷e . 14 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“下落”位置。 注注 意意 事事 项项 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: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0.4mm)捅一捅小孔。 喷油时,切忌频繁喷油,要充分利用资源。 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。151 “倒证法” 设实验得到m个油滴的带电量分别为q1,q2,.,qm,
12、由于电荷的量子化特性,应有qi=nie,此为一直线方程,n为自变量,q为因变量,e为斜率。因此m个油滴对应的数据在nq坐标系中将在同一条过原点的直线上,若找到满足这一关系的曲线,就可用斜率求得e值。将e值的实验值与公认值比较,求相对误差。 gtgt162121nnqqe实验值: 相对误差: 10010000eeeEnqn1n2q1q217钟油密度: )20(98103ckgm30986(10)kgmc空气粘滞系数: 115.1083. 1smkg2.79. 9smgcmHgmb.1017. 66cmHgp076-35.00 10md m3102重力加速度 : 修正常数 : 大气压强: 平行极板
13、间距 : 油滴运动的距离: 182 “最大公约数法” 此法需要大量的油滴数据,计算出各油滴的电荷后,求它们的最大公约数,即为基本电荷e值。此法是在不知道单位电荷的公认值的前提下,从对实验数据的处理中获得单位电荷的实验值。这样比较符合研究物理实验的规律,而且此法在理论上容易让学生接受。然而在实际处理中是件比较困难的事,第一必须测量大量的油滴数据,第二必须具备较好的数学功底,所以在实验中不易实现。 3 “二维作图法” 建立二维坐标,将所测的带电油滴数据Qi标于纵坐标轴,并通过这些点作平行于横轴的直线。然后沿横轴等间隔地描出若干个点,沿这些点作平行于纵轴的直线,于是在坐标上形成网格,横纵直线的交点称为节点,用一条过原点且与纵轴重合的直线按顺时针方向扫,当恰好在某一位置使得线上的节点最多,则这条直线刚好满足直线方程Qi=nie,而此线的斜率即为基本电荷电量的实验值e。19思考与讨论 1、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
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