密立根油滴法测电子比荷和试验数据处理思考.docx

密立根油滴法测电子比荷及关于数据处理的思考实验人：杨谨鸿 20111135016阎善为 20111135004摘要：熟练实验原理，掌握实验环境，精确实验操作，准确记录数据，是准确测定电子电荷的前提保障；在处理数据时，如采取一定技巧，也能对得到准确结果起到很大的帮助。本实验采用“倒过来验证”的方法处理试验数据，还可以采用图像法和“逐次相减法”处理试验数据，并且从实验的误差分析的角度来考虑方法的合理与否，提出自己关于测量微小量m 的设想。关键词：处理数据；技巧；方法；误差分析1 试验过程回顾1.1 试验原理基本设计思想是使带电油滴在测量范围内处于受力平衡的状态。按油滴作匀速运动或静止运动两种运动方式分类，油滴法测电子电荷分动态测量法和平衡测量法。一、动态测量法（1）考虑重力场中一个足够小油滴的，设此油滴半径为r，质量为m,空气是粘滞流体，故此运动油滴除重力和浮力外还受粘滞阻力的作用。由斯托克斯定律，粘滞阻力与物体运动速度成正比。设油滴以匀速度vf下落，则有（1）受力情况如图1。（2）若此油滴带电荷为q，并处在场强为E的均匀电场中，设电场力qE方向与重力方向相反，如图2所示，如果油滴以匀速v上升，则有 （2）由（1）和（2）消去K ，可解出q为 （3）（3）由喷雾器喷出的小油滴的半径r是微米数量级，直接测量其质量也是困难的，为此希望消去，而代之以容易测量的量。设油与空气的密度分别为、，于是半径为r的油滴的视重为： （4）由斯托克斯定律，粘滞流体对球形运动物体的阻力与物体速度成正比，其比例系数K为，此处为粘度，r为半径。于是可将式（4）带入式（1），有： （5）因此（6）以此代入式（3）并整理得到（7）（4）考虑到油滴的直径与空气分子的间隙相当，空气已不能看成连续介质，其粘度需作相应的修正此处p为空气压强，b为修正常数，b=0.00823，因此， （8）当精确度要求不太高时，常采用近似计算方法先将v值代入（6）计算得（9）再将r值代入中，并以代入（7），得（10）实验中常常固定油滴运动的距离，通过测量它通过此距离s所需要的时间来求得其运动速度，且电场强度 ，d为平行板间的距离，U为所加电压，因此，式（10）可写成（11）二、平衡测量法平衡测量法的出发点是，使油滴在均匀电场中静止在某一位置，或在重力场中作匀速运动。三、元电荷的测量法(1)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，分别测出其所带的电荷值q，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。(2) 实验中常采用紫外线、X射线或放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，而值应是元电荷的整数倍。即＝（其中为一整数）　　　 （13）也可以用作图法求e值，根据（13），e为直线方程的斜率，通过拟合直线，即可求得e值。1.2 试验仪器密立根油滴仪包括油滴盒系统，油滴照明装置，调平装置，测量显微镜，CCD 电子显示系统，供电电源以及计时器，喷雾器等。油滴室是由两块平行极板（上下电极板）中间垫以绝缘圆环组成，平行板间的距离为d，绝缘圆环上有发光二极管的照明孔，显微镜观察孔和紫外线进光的石英玻璃窗口。油滴盒放在防风罩里。上电极板中间有直径为0.4mm 的小孔，油滴从油雾室经过油雾孔和小孔进入上下电极板之间。油滴的运动情况经过防风罩外面的显微镜成像，其图像经CCD 电子显示系统转换后显示在监视屏幕上。油滴下落的距离l 通过视场所见的分划板刻度尺测量。油滴运动时间由计时器测定。油滴盒可用调平螺丝调节水平，并由水平仪进行检查。密立根油滴仪装有紫外线光线，按下显微镜筒右侧版面上的汞灯按钮，紫外线通过石英玻璃窗口进入油滴室内，可使油滴室内空气电离后改变油滴所带的电量q。电源部分提供四种电压：? 500V 直流工作电压；? 200V 左右的提升电压；? 5V 的数字电压表、数字计时器、发光二极管等的电源电压；? 12V 的CCD 电源电压。1.3 试验内容1.3.1. 调整仪器通过调节仪器底部的调平螺母，使仪器水预热10 分钟。将油喷入，微调显微镜的调焦手轮，使视出现大量清晰地油滴。1.3.2 测量工作练习控制油滴：在平行极板上加平衡电压作电压选择开关置于“平衡”挡，注视某一颗仔细调节平衡电压使油滴静止不动，然后去掉电压使其自由下落，下落一段距离后再加“提电压，使其上升，反复多次。测量油滴运行时间：选择快慢不同的油滴计时器测量它们下降一段距离的时间，或者上段距离的时间，反复多次。1.3.3 正式测量从式（11）中可见，实验测量中主要有两理量需要测量：平衡电压U，另一个去掉平衡下降一段距离