密立根油滴探究实验报告

朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页对密立根油滴实验的研究石琦（06A11331）（电子科学与工程学院，南京211189）如何判断和控制油滴在测量范围内作匀速直线运动或如何控制油滴使其静止在视场中以及挑选合适的油滴较为艰难。但这亦是本实验的重点所在。密立根油滴；平衡测量法；正态分布ThestudyofMillikanOil—dropExperimentShiQi(06A11331)(DepartmentofElectronicScienceandEngineering,Nanjing,211189)Howtojudgeandcontroloildropletsinthemeasurementrangemoreuniformlyandinastraightlineorhowtocontrolthemovementofoildropsintheviewofthestaticandchooseappropriateoildropletsisdifficult.Butitisalsothekeyofthisexperiment.MillikanOil—drop;balancemethodmeasuring;normaldistribution朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页一．引言出色的美国物理学家密立根在1909年至1917年所做的测量极小油滴上带的电荷的工作，即所谓油滴实验。在全世界是享负盛名的，堪称物理实验的典范.Millikan在这一实验工作中花费里近10年的心血，而取得了有重大意义的结果，那就是：(1)证实电荷的不延续性(具有颗粒性)，所有电荷都是基本电荷e的整数倍。(2)测量并得到了基本电荷即为电子电荷，其值为e=1.60´10-19库仑。现公认e是基本电荷，对其值的测量测量精度不断提高，目前给出的最好结果为：e=(1.1±0.9)´10-19库仑。，石琦，1993年6月18日，男，江苏正是因为这一实验成就，他荣获了1932年诺贝尔物理奖金。八十多年过去了，物理学发生了根本的变化，而这个实验又重新站到了实验物理的前列。近年来，按照这一实验的设计思想改进的用磁飘荡的主意测量分数电荷的实验，使古老的实验又焕发青春，也就更说明，Millikan油滴实验是宽裕庞大生命力的实验。二．实验原理按油滴作匀速直线运动或静止两种运动方式分类，油滴法测电子电荷分为动态测量法和平衡测量法。本次采用的主意为平衡测量法。平衡测量法的出发点是，使油滴在匀称电场中静止在某一位置，或在重力场中作匀速运动。用喷雾器喷入油滴于间距为d的两平行极板间。油在喷射撕裂成油滴时，普通都是带电的。设油滴的质量为m，所带电量为q，两极板间的电压为，如图2所示。调节，使：（1）为了测出油滴所带的电量q，除了需测定平衡电压V和极板间距离d外，还需要测量油滴的质量m。因m很小，需用如下异常主意测定：平行极板不加电压时，油滴受重力作用而加速下降，因为空气阻力的作用，下降一段距离达到某一速度后，阻力与重力mg平衡，如图2所示（空气浮力忽略不计），油滴将匀速下降。此时有：（2）其中是空气的粘滞系数，是油滴的半径。经过变换及修正，可得斯托克斯定律：（3）其中b是修正常数，b=6.17×10-6m•cmHg,p为大气压强，单位为厘米汞高。至于油滴匀速下降的速度，可用下法测出：当两极板间的电压V为零时,设油滴匀速下降的距离为，时光为t，则（4）最后得到理论公式：(5)除此之外，还有一种元电荷的测量主意：测量油滴上带的电荷的目的是找出电荷的最小单位e。为此可以对不同的油滴，分离测出其所带的电荷值qi，它们应近似为某一最小单位的整数倍，即油滴电荷量的最大公约数，或油滴带电量之差的最大公约数，即为元电荷。实验中采用紫外线，X射线或发射源等改变同一油滴所带的电荷，测量油滴上所带电荷的改变值qi，而qi值应是元电荷的整数倍。即：（ni为整数1~5）（6）也可以用作图法求e的值，按照（6）式，e为直线方程的斜率，通过拟合直线，即可求得e值。三．实验过程1.调节仪器将仪器放安稳，调节仪器底部左右两只调平螺丝，使水准泡指示水平，这时平行极板处于水平位置。预热10分钟，利用预热时光从测量显微镜中看见，倘若分划板位置不正，则转动目镜头，将分划板放正，目镜头要插究竟。调节接目镜，使分划板刻线清晰。将油从油雾室旁的喷雾口喷入（喷一次即可），微调测量显微镜的调焦手轮，这时视场中即浮上大量清晰的油滴，如夜空繁星。对MOD－5C型与CCD一体化的屏显油滴仪，则从监视器荧光屏上看见油滴的运动。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。2.练习测量（1）练习控制油滴倘若用平衡法实验喷入油滴后，加工作（平衡）电压250伏特左右，工作电压挑选开关置“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，使油滴升高。如此反复多次地举行练习。（2）练习测量油滴运动的时光随意挑选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距离所需要的时光。或者加上一定的电压，测出它们升高一段距离所需要的时光。如此反复多练几次。（3）练习挑选油滴选的油滴体积不能太大，太大的油滴固然比较亮，但普通带的电量比较多，下降速度也比较快，时光不容易测确切。若油滴太小则布朗运动显然。通常可以挑选平衡电压在200伏特以上，在10s左右时光内匀速下降2mm的油滴，其大小和带电量都比较合适。（4）练习改变油滴的带电量对MOD－5B、5BC、5BCC型密立根油滴仪，可以改变油滴的带电量。按下汞灯按钮，低压汞灯亮，约5s，油滴的运动速度发生改变，这时油滴的带电量已经改变了。3.正式测量用平衡测量法时要测量的有两个量，一个是平衡电压V，另一个是油滴匀速下降一段距离所需要的时光tg。仔细调节“平衡电压”旋钮，使油滴置于分划板上某条横线附近，以便确切判断出这颗油滴是否平衡了。当油滴处于平衡位置，选定测量的一段距离（普通取l=0.200cm比较合适），然后把开关拨向“下降”，使油滴自由下落。测量油滴匀速下降经过选定测量距离所需要的时光te，为了在按动计时器时有思想决定，应先让它下降一段距离后再测量时光。测量完一次后，应把开关拨向“平衡”，做好记录后，再拨向“提升”，加大电场使油滴回到本来高度，为下次测量做好决定。对同一颗油滴应举行6次测量，而且每次测量都要重新调节平衡电压。改变油滴带电量的操作主意：按下汞灯按钮约5s，油滴的运动状态发生改变，此时油滴的带电量即发生变化。变化量的大小，由紫外线强弱和照耀时光决定，普通ni约为1~5个。测量尽可能多的，绘制—的图像，利用斜率求出。四．实验验证与数据记录1实验装置我统计了两个班的数据，部分记录如下：油滴编号次数12UTUT125228.020619.9225328.620620.3325527.420520.7425527.220520.5525227.620520.6625527.820620.6平均值25427.8205.520.4油滴编号次数34UTUT126028.125622.1226028.325223.1326129.325522.7426329.025222.2526129.625122.3625928.225322.2平均值260.6728,75253.1722.43油滴编号次数56UTUT128625.620624.5228225.920624.3328626.420524.0427826.220624.2528427.020725.1627526.220624.8平均值281.8326.2220624.5油滴编号次数78UTUT129327.027221.4229527.727021.2329226.026821.3429226.826521.6529326.426822.1629326.327022.0平均值29326.7268.8321.6油滴编号次数910UTUT128326.020221.4228226.320020.8328626.620221.9428526.720420.8528526.720221.6628626.320320.6平均值28526.4202.1721.02油滴编号次数1112UTUT124231.321521.0224031.021620.8324131.621521.1424030.621420.7524130.021421.2624131.021720.8平均值24130.921521.0还有300余组就不一一罗列了。由式（5）可得：也可以由元电荷测量法，作图求e的值，按照（6）式，e为直线方程的斜率，通过拟合直线，即可求得e值。五．分析与感悟我觉得在密立根油滴实验中，如何判断和控制油滴在测量范围内作匀速直线运动或如何控制油滴使其静止在视场中以及挑选合适的油滴较为艰难。但这亦是本实验的重点所在。通过本实验，验证了电荷的不联系性，并测定了电荷的电荷值。我们学习和理解了密立根利用宏观量测量微观量的巧妙构思和设想。通过本实验过程中对实验仪器的调节、油滴的挑选、耐心地跟踪和测量以及数据的处理等，培养了我们郑重仔细一丝不苟的科学研究的主意和态度。从图像中可以看出，电荷是不延续的，所有电荷都是基本电荷e的整数倍，且大约在1.6*10^(-19)参考文献：马文蔚等.物理学.第五版，北京：高等教诲出版社.2006:245.钱峰,潘人培.大学物理实验(修订版)[M].北京:高等教诲出版社,2005:196.朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页则计算得：=3.305*10^(-19)C=4.637