密立根油滴实验测电子电荷.doc

? P 胡鑫 PAGE ６ 得分：5 周 2006-4-20 密立根油滴实验测电子电荷 e 实验目的：学习用静态法测量元电荷e，并选取一个油滴计算所带电荷的标准偏差。 实验原理： 1．动态测量法 考虑重力场中一个足够小的油滴，质量为m,带电荷为q，在场强为E的均匀电场中，以匀速度vf下落，由斯托克斯定律 （1） 为同体积的空气的质量，K为比例系数，g为重力加速度。油滴在空气及重力场中的受力情况如图8.1.1-1所示。 设电场力与重力方向相反，如图8.1.1-2所示，若油滴以匀速v上升，则 （2） 解出q为 （3） 可以看出，要测量油滴上携带的电荷q，需要分别测出、、E、v、v等物理量。 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） 又由斯托克斯定律 （5） 因此 （6） 于是 （7） 因此，测出宏观量v、v和、、、E等即可得q值。 空气不能看成连续介质，粘度作修正 p为空气压强，b为修正常数，b=0.00823，因此， （8） 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） 实验中常固定油滴运动的距离s，测它通过此距离所需时间求其速度，因此 （11） 式中有些量如d、s、(及等，和实验仪器以及实验条件有关，选定之后在实验过程中不变，将这些量与常数一起用C代表，可称为仪器常数，于是（11）简化成 （11） 由此，油滴上的电荷量不同只表现在U、t、t的不同。对同一油滴， t相同，电荷的不同表现在U与t的不同。 2．平衡测量法 平衡测量法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。 当油滴在电场中平衡时，电场力qE、重力和浮力达到平衡，从而静止，即 油滴在重力场中作匀速运动时，类似动态测量法，但,有 （12） 3．元电荷的计算 为了找出电荷的最小单位，可对不同的油滴，分别测其电量q，它们应近似为某最小单位的整数倍，即为元电荷e。 给出的e最精确的结果是 e = (1.60217733010 C 实验中常用紫外线、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 ＝ （为整数）　　　　　 （13） 也可用线性回归法求e，，e为回归直线的斜率。 实验仪器：油滴实验装置是由油滴盒、油滴照明装置、调平系统、测量显微镜、供电电源以及电子停表、喷雾器等组成的，（如图8.1.1-3）。其中油滴盒是由两处经过精磨的金属平板，中间垫以胶木圆环，构成的平行板电容器。在上板中心处有落油孔，使微小油滴可进入电容器中间的电场空间，胶木圆环上有进光孔、观察孔。进入电场空间内的油滴由照明装置照明，油滴盒可通过调平螺旋调整水平，用水准仪检查。油滴盒防风罩前装有测量显微镜，用来观察油滴。在目镜头中装有分划板（如图8.1.1-4）。 电容器板上所加电压由直流平衡电压和直流升降电压两部分组成。其中平衡电压大小连续可调，并可从伏特计上直接读数，其极性换向开关控制,以满足对不同极性电压的需要。升降电压的大小可连续调节，并可通过换向开关叠加在平衡电压上，以控制油滴在电容器内的上下位置，但数值不能从伏特计读出，因此在控制油滴的运动和测量时，升降电压应拨到零。 实验步骤：结合实验室条件及试验要求，设计步骤如下： 调整油滴实验装置 调节调平螺丝，将平行电极板调到水平，使平衡电场方向与重力方向平行减小实验误差。 为使望远镜迅速、准确地调焦在油滴下落区，可将细铜丝或玻璃丝插入上盖板（8）的小孔中，此时上下极板必须处于短路状态。调整目镜使横丝清晰、位置适当，调整物镜位置使铜丝或玻璃丝成像在横丝平面上，并调整光源，使其均匀照亮，背景稍暗。调整好后望远镜不得移动。取出铜丝或玻璃丝，盖好屏幕盒盖板。 在喷雾器快速向油滴仪内喷油雾时，为了获得足够供挑选的油滴，要将油滴仪两极短路。 选择直径1mm左右的带电油滴，调节电压使油滴平衡。电压一般在50V到450V之间。 在重力场中测量油滴下