大学物理《密立根油滴实验》精品课件

密立根油滴实验——基本电荷测定一、实验历史背景及意义1897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。

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的量子特性。它证明了带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，并精确地测定了基本电荷e的数值（1.5924±0.0017）×10-19C（目前电子电量的最佳实验值为

e=（1.6021892±0.0000046）×10-19C）

。

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。密立根本人也因此荣获1923年诺贝尔物理学奖。1)学习密立根油滴实验的设计思想。2)验证电荷的“量子化”，即电量是不连续的，而是基本电荷的整数倍。并测定基本电荷值。3)培养严谨的科学实验态度。二、实验目的三、实验原理如何测量微观电荷量q？思路：转化测量法找到一个宏观测量量

实验设计思想:

使带电油滴在测量范围内处于受力平衡状态静态平衡测量法动态非平衡测量法油滴在极板间同时受到重力mg，电场力qE

和空气浮力Ff的作用。平衡时有：1.静态平衡测量法加电场，油滴静止由于表面张力的作用，油滴一般呈小球状。设油滴的密度为ρ，半径为r，则油滴的质量m为：重力及空气浮力可表示为：油滴半径r的测量当空气的粘滞力、浮力和油滴的重力平衡时，油滴作匀速运动匀速下落速度的测量不加电场，油滴匀速下落由此，对油滴所带电荷量q的测量，最终通过力F这个物理量作为桥梁，转化为对油滴运动的位移l和所需时间tg以及平衡电压U

的测量。当平行板电压为零时，油滴作匀速运动的速度对粘滞系数的修正

起先计算所得的e值随油滴的减小而增大，密立根认为由于油滴甚小（直径10-6m)

，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，油滴所受粘滞力必将减小，粘滞系数应予以修正。b为修正系数，p为空气压强，r油滴的半径。修正后的q公式测量tg时，U=?该式就是静态法测量油滴所带电荷的公式P2292.动态非平衡测量法

为解决静态平衡法中由于气流扰动而产生的非预期的影响以及油滴蒸发引起的误差，在平行极板上加一方向与重力方向相反电场，使带电油滴向上作匀速运动，测量通过距离l所需时间t1，则可得其中q基本电荷e的计算

为了证明电荷的不连续性和所有电荷都是基本电荷e的整数倍，并得到基本电荷e值，我们可用“倒过来验证”的办法进行数据处理，即用公认的电子电荷值e＝1.602×10-19C去除实验测得的电荷量q，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n，再用这个n去除实验测得的电荷量q，即得电子的电荷值e。四、实验仪器MOD-5型密立根油滴仪电压显示计时显示油雾室平衡水泡CCD聚焦手轮平衡电压调节电压转换开关电源开关计时键3.实验内容五、实验内容：用静态、动态法测定油滴所带电荷量，验证电荷的“量子化”；计算电子电荷e值，并与公认值比较。1、仪器调整（1）油滴盒水平调节。（2）显微筒前端和底座前端对齐。（3）喷雾，要求观察到清晰可见的油滴。

2、测量练习（1）练习控制油滴。（2）练习测量油滴运动的时间，即测量速度。（3）练习选择油滴。

①平衡电压约150～250V左右。

②油滴匀速下降时间约10～25s左右。操作步骤水平调节寻找合适的油滴：

预置电压～220伏 大小合适，屏幕中央 粗测tg～20s，熟练控制油滴的上下

调节平衡电压测量匀速下落时间

测量tg时，起始位置在哪里？1）调整仪器水平调节：调节水平螺丝，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。

打开电源开关，使仪器予热10分钟

实验仪器：CCD成像系统电荷的产生：摩擦对比度，亮度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。2）控制油滴123456平均qieiE1U/V

tg/s2U/V

tg/s3U/V

tg/s求带电量q基本电荷e百分误差A六、数据处理与分析用“倒证法”计算电荷电量保留一位小数e0＝1.602×10-19C已知参数值

钟油密度：空气粘滞系数：重力加速度：

修正常数：大气压强：平行极板间距：油滴运动的距离：七、注意事项1.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“0”。2.喷油时，不要喷得太多，否则会堵塞小孔。3.对选定油滴进行跟踪测量过程中，应随时调节显微镜镜筒的位置，对油滴聚焦；对任何一个油滴进行的任何一次测量中都应随时调节显微镜，以保证油滴处于清晰状态。4.每次测量都应调节平衡电压。注意事项

通常选择平衡电压在150至250伏特之间，在15～25秒时间内匀速