1、密立根油滴实验,基本电荷测定,一、密立根（R. A. Millikan）与基本电荷测定,密立根（R. A. Millikan）是著名的实验物理学家，1907年开始，他在总结前人实验的基础上，着手电子电荷量的测量研究，之后改为以微小的油滴作为带电体，进行基本电荷量的测量，并于1911年宣布了实验的结果，证实了电荷的量子化。,密立根的实验设备简单而有效，构思和方法巧妙而简洁，他采用了宏观的力学模式来研究微观世界的量子特性，所得数据精确且结果稳定，无论在实验的构思还是在实验的技巧上都堪称是第一流的，是一个著名的有启发性的实验，因而被誉为实验物理的典范。,密立根（R. A. Millikan）,二、实
2、验目的,学习密立根油滴实验的设计思想。通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，验证电荷的不连续性，并测定基本电荷值。通过对实验仪器的调整，油滴的选择、跟踪和测量，以及实验数据处理等，培养学生严谨的科学实验态度。,三、实验原理,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,所带的微观电荷量的测量转化为油滴宏观运动速度的测量。,1. 静态平衡测量法,带电油滴在平行板电压为U 的电场中，受重力、空气浮力作用而平衡时的电荷量为,其中，当平行板电压为零时，可测得油滴作匀速运动时下降的距离l 和相应的时间tg。,2. 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
3、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 所需时间 ，则可得,其中,3. 对粘滞系数的修正,斯托克斯定律适用于连续介质中球状物体所受的粘滞力。由于油滴甚小，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。,4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e1.60210-19C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
4、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,油滴盒,照明装置,水准泡在油滴盒内,水准泡具体位置,物镜调焦手轮,数字电压表,工作电压调节旋钮,工作电压反向开关,升降电压调节旋钮,升降电压反向开关,低压汞灯,汞灯按钮,喷雾器,CCD,监视器,上极板,下极板,胶木圆环,防风罩,上电极中央的小孔,油雾室,油雾孔,显微镜中分划板,1、仪 器 的 调 整,五、实验方法,2油滴的选择和控制,控制油滴,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，让它匀速下降，下降一段距离后再加上平衡电压和升降电压，使
5、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。,测量油滴运动的时间,任意选择几颗运动速度快慢不同的油滴，用停表测出它们下降一段距离所需要的时间。或者加上一定的电压，测出它们上升一段距离所需要的时间。如此反复多练几次，以掌握测量油滴运动时间的方法。,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，但带的电荷比较多，下降速度也比较快，时间不容易测准确。油滴也不能选的太小，太小则布朗运动明显。通常选择平衡电压在200伏特以上，在2030秒时间内匀速下降2毫米的油滴，其大小和带电量都比较合适。,改变油滴的带电量,对MOD-5型密立根油滴仪，可
6、以改变油滴的带电量。按下汞灯按扭，低压汞灯亮，约5秒钟，油滴的运动速度发生改变，这是油滴的带电量已经改变了。,六、研究课题,1、静态平衡测量法测电子电荷,提示：,用静态平衡测量法实验时要测量的有两个量，一个是平衡电压U，另一个是油滴匀速下降一段距离l所需要的时间tg。测量平衡电压必须经过仔细的调节，并将油滴置于分划板上某条横线附近，以便准确判断出这颗油滴是否平衡。,显微镜中看到的油滴,测量油滴匀速下降一段距离l所需要的时间tg时，应先让油滴下降一段距离后再测量时间。选定测量的一段距离l，应该在平行板之间的中央部分，即视场中分划板的中央部分。若太靠近上电极板，小孔附近有气流，电场也不均匀，会影响
7、测量结果。若太靠近下电极板，测量完时间tg后，油滴容易丢失，影响测量。一般取l为0.2厘米比较合适。,用同样方法分别对45颗油滴进行测量，对MOD-5B型密立根油滴仪，也可用改变油滴带电量的办法，反复对同一颗油滴进行实验，求得电子电荷e。,对同一颗油滴应进行1012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，勿让油滴丢失。,2、动态非平衡测量法测电子电荷,3、改变油滴的带电量，验证电荷的不连续性,4、观测油滴的布朗运动,研究课题,七、思考题,若平行极板不水平，对测量有何影响？如何选择合适的油滴进行测量？实验上怎样做才能保证油滴做匀速运动？怎样判断油滴所带电荷量的改变？,八、参考文献,R.A.Millikan，Phys.Rev. Vol.21(1923)483; Vol.22(1923)409潘人培等，物理实验教学参考书，高等教育出版社（1990）,九、实验已知参数,重力加速度油滴密度空气密度极板间的距离200C时的粘滞系数200C时的大气压修正系数,编 导： 叶庆好解 说： 贺 瞿视频拍摄： 沈学浩 白志刚视频剪辑： 倪卫海音频编辑： 陈 璋平面设计： 周 峰 游 明整体设计： 倪邦辉录音合成： 陈 璋,上海交通大学应用物理系物理实验中心上海交通大学物理协会CAI小组联合制作1999年6月,
