密立根油滴实验报告材料.doc

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近代物理实验报告
密立根油滴实验
学院数理与信息工程学院
班级物理
某某
学号
时间2013年12月9日
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密立根油滴实验
【摘要】
本实验我们根据密立根油滴实验原理，引进了CCD摄像技术，从监视器上观察油滴运动，测定了油滴带电量，并运用差值法处理了相应数据，得出了元电荷e的值，验证了电荷的量子性，同时也了解了密立根巧妙的设计思想，进一步提高了实验技能。
【关键词】油滴；平衡态；非平衡态；电荷大小
【引言】
1917年密立根设计并完成了密立根油滴实验，其重要意义在于它直接地显示出了电量的量子化，并最早测定了电量的最小单位——根本电荷电量，即电子所带电量。这一成就大大促进了人们对电和物质结构的研究和认识。油滴实验中将微观量测量转化为宏观量测量的巧妙设想和准确构思，以与用比拟简单的仪器，测得比拟准确而稳定的结果等都是富有创造性的。由于上述工作，密立根获得了1923年度诺贝尔物理学奖。密立根的实验装置随着技术的进步而得到了不断的改良，但其实验原理至今仍在当代物理科学研究的前沿发挥着作用，例如，科学界用类似的方法测定出根本粒子——夸克的电量。
【实验方案】
一、实验原理
1、静态〔平衡〕测量法
用喷雾器将油滴喷入两块相距为d的平行极板之间。油在喷射撕裂成油滴时，一般都是带电的。设油滴的质量为m，所带的电量为q，两极板间的电压为V ，如图 1 所示。
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图1
如果调节两极板间的电压V ，可使两力达到平衡，这时：
(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，需用如下特殊方法测定：平行极板不加电压时，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。经过变换与修正，可得斯托克斯定律：
(3)
其中b是修正常数，×10-6m·cmHg,p为大气压强，单位为厘米汞高。
图2
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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，时间为t ，如此
(4)
最后得到理论公式：
(5)
2、动态〔非平衡〕测量法
非平衡测量法如此是在平行极板上加以适当的电压V ，但并不调节V 使静电力和重力达到平衡，而是使油滴受静电力作用加速上升。由于空气阻力的作用，上升一段距离达到某一速度υ后，空气阻力、重力与静电力达到平衡〔空气浮力忽略不计〕，油滴将匀速上升，如图 3 所示。这时：
〔6〕
图3
当去掉平行极板上所加的电压V 后，油滴受重力作用而加速下降。当空气阻力和重力平衡时，油滴将以匀速υ下降，这时：
〔7〕
化简，并把平衡法中油滴的质量代入，得理论公式：
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〔8〕
二、实验仪器
根据实验原理，实验仪器——密立根油滴仪，应包括水平放置的平行极板〔油滴盒〕，调平装置，照明装置，显微镜，电源，计时器〔数字毫秒计〕，改变油滴带电量从q变到q′的装置，实验油，喷雾器等。MOD－5 型密立根油滴仪的根本外形和具体结构示于图 4。
三、实验步骤

将仪器放平稳，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，利用预热时间从测量显微镜中观察，如果分划板位置不正，如此转动目镜头，将分划板放正，目镜头要插到底。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，这时视场中即出现大量清晰的油滴，如夜空繁星。
对 MOD－5C型与 CCD一体化的屏显油滴仪，如此从监视器荧光屏上观察油滴的运动。如油滴斜向运动，如此可转动显微镜上的圆形 CCD，使油滴垂直方向运动。

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〔1〕练衡法实验喷入油滴后，加工作〔平衡〕电压 250 伏特左右，工作电压选择开关置“平衡〞档，驱走不需要的油滴，直到剩