1、 参考实验报告 密立根油滴实验测电子电荷 e - 1 - 浙江大学宁波理工学院 物理实验报告 一、 实验名称： 密立根油滴实验测电子电荷 e 二、 实验目的： 1、 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，并测定电子电荷的电荷值 e。 2、 通过实验过程中，对仪器的调整、油滴的选择、耐心地跟踪和测量以及数据的处理等，培养学生严肃认真和一丝不苟的科学实验方法和态度。 3、 学习和理解密立根利用宏观量测量微观量的巧妙设想和构思。 三、 仪器用具： 密立根油滴实验仪 四、 实验原理： 动态测量法 假设重力场中一个足够小油滴的运动，设此油滴半径为 r ，质量为1m，空气是粘滞流
2、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。设油滴以速度fv匀速下落，则有 12 fm g m g K v（ 1） 此处2m为与油滴同体积的空气质量， 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 1 所示： 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，如果油滴以速度rv匀速上升，则有 12() fq E m m g K v （ 2） 参考实验报告 密立根油滴实验测电子电荷 e - 2 - 由式（ 1）和（ 2）消去 K ，可解出 q 为 12() ()
3、frfm m gq v vEv （ 3） 由式（ 3）可以看出，要测量油滴上携带的电荷 q ，需要分别测出1m、2m、 E 、fv、rv等物理量。 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1m也是困难的，为此希望消去1m，而代之以容易测量的量。设油与空气的密度分别为 1 、 2 ，于是半径为 r 的油 滴的视重为 3421 gmgm gr )( 213 （ 4） 五、 实验内容： 学习控制油滴在视场中的运动，并选择合适的油滴测量元电荷。要求至少测量5 个不同的油滴，每个油滴的测量次数应在 3次以上。 1、 调整油滴实验仪 水平调整 调整实验仪底部的旋钮 (顺时针仪器升高，逆
4、时针仪器下降 )，通过水准仪将实验平台调平，使平衡电场方向与重力方向平行以免引起实验误差。极板平gm2fKvgm1图 1 重力场中油滴受力示意图 qEgm2rKvgm1图 2 电场中油滴受力示意图 参考实验报告 密立根油滴实验测电子电荷 e - 3 - 面是否水平决定了油滴在下落或提升过程中是否发生前后、左右的漂移。 喷雾 器调整 将少量钟表油缓慢的倒入喷雾器的储油腔内，使钟表油湮没提油管下方，油不要太多，以免实验过程中不慎将油倾倒至油滴盒内堵塞落油孔。将喷雾器竖起，用手挤压气囊，使得提油管内充满钟表油。 仪器硬件接口连接 主机接线：电源线接交流 220V/50Hz； Q9视频输出接监视器视频
5、输入（ IN）。 监视器：输入阻抗开关拨至 75 （ ohm）， Q9视频线缆接 IN输入插座。电源线接 220V/50Hz 交流电压。前面板调整旋钮自左至右依次为左右调整、上下调整、亮度调整、对比度调整。 实 验仪联机使用 a 打开实验仪电源及监视器电源，监视器出现欢迎界面 b 按任意键：监视器出现参数设置界面，首先，设置实验方法，然后根据该地的环境适当设置重力加速度、油密度、大气压强、油滴下落距离。 “”表示左移键、“”表示为右移键、“ +”表示数据设置键。 c 按确认键出现实验界面：将工作状态切换至“工作”，红色指示灯亮，将平衡、提升按键设置为“平衡”。 CCD成像系统调整 从喷雾口喷入
6、油雾，此时监视器上应该出现大量运动油滴的像。若没有看到油滴的像，则需 调整调焦旋钮或检查喷雾器是否有油雾喷出，直至得到油滴清晰的图像 。 控制油滴的运动 选择适当的油滴，调整平衡电压，使油滴平衡在某一格线上，将工作状态按键切换至“ 0 V”，绿色指示灯点亮，此时上下极板同时接地，电场力为零，油滴将在重力、浮力及空气阻力的作用下作下落运 动，当由滴下落到有 0标记参考实验报告 密立根油滴实验测电子电荷 e - 4 - 的刻度线时，立刻按下定时开始键，同时计时器开始记录油滴下落的时间；待油滴下落至有距离标志（例如 1.6）的格线时，立即按下定时结束键，同时记时器停止记时。经历一小段时间后 0V、工
7、作按键自动切换至“工作”（平衡、提升按键处于“平衡”），此时油滴将停止下落，可以通过确认键将此次测量数据记录到屏幕上。 将工作状态按键切换至“工作”，红色指示灯点亮，此时仪器根据平衡或提升状态分两种情形：若置于“平衡”，则可以通过平衡电压调节旋钮调整平衡电压；若置于“提升”，则极板电压将在原平衡电压的基础上再增 加 200V的电压，用来向上提升油滴。 选择适当的油滴 要作好油滴实验，所选的油滴体积要适中，大的油滴虽然明亮，但一般带的电荷多，下降或提升太快，不容易测准确。太小则受布朗运动的影响明显，测量时涨落较大，也不容易测准确。因此应该选择质量适中而带电不多的油滴。建议选择平衡电压在 150-
8、400V之间、下落时间在 20S（当下落距离为 2mm时）左右的油滴进行测量。 平衡测量法： 开启电源，进入实验界面将工作状态按键切换至“工作”，红色指示灯点亮；将平衡、提升按键置于“平衡”。 通过喷雾口向油滴盒内喷入油雾，此 时监视器上将出现大量运动的油滴。选取适当的油滴，仔细调整平衡电压，使其平衡在某一起始格线上（见后面平衡法示意图）。 将工作状态按键切换至“ 0V”，此时油滴开始下落，当油滴下落到有“ 0”标记的格线时，立即按下定时开始键，同时计时器启动，开始记录油滴的下落时间。 当油滴下落至有距离标记的格线时（例如： 1.6），立即按下定时结束键，同时记时器停止记时（如无人为干预，经过
9、一小段时间后，工作状态按键自动切换参考实验报告 密立根油滴实验测电子电荷 e - 5 - 至“工作”，油滴将停止移动），此时可以通过确认按键将测量结果记录在屏幕上。 将平衡、提升按键置于“提升”，油滴将 被向上提升，当回到高于有“ 0”标记格线时，将平衡、提升键置回平衡状态，使其静止。 重新调整平衡电压，重复，并将数据记录到屏幕上（平衡电压 V及下落时间 t）。当达到 5次记录后，按确认键，界面的左面出现实验结果。 重复步，测出油滴的平均电荷量 至少测 5个油滴，并根据所测得的平均电荷量 Q 求出它们的最大公约数，即为基本电荷 e 值（需要足够的数据统计量）。根据 e的理论值，计算出 e的相对
10、误差。 数据记录： 单位 10-19C Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 1 3 259 4 850 3 118 7 986 3 227 2 3 185 4 784 3 243 8 023 3 284 3 3 076 4 886 3 247 8 061 3 183 4 3 307 4 902 3 189 7 751 3 207 5 3 208 4 899 3 099 7 985 3 187 平均 3 207 4 864 3 179 7 955 3 218 六、 数据处理： 验证实验数据 ：假定电子的电荷 e=1.602 10-19C N1=Q1/e=3.207/1.602 2 N2=Q2/e=4.864/1.602 3 N3=Q3/e=3.179/1.602 2 N4=Q4/e=7.955/1.602 5 参考实验报告 密立根油滴实验测电子电荷 e - 6 - N5=Q5/e=3.218/1.602 2 分别用 每个油滴所带的电量 Q除以其所含有的电子个数并求其平均值 e测 =（ 3.207/2+4.864/3+3.179/2+7.955/5+3.218/2） 10-19/5 =1.609 10-19C 七、 实验结果： e测 =1.609 10-19C A=(1.609-1.602)/1.602 =4.4 生物医药创新班 张凯翔 学号 3090501082
