《云南大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心》由會(huì)員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《云南大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心（24頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、云南大學(xué)物理教學(xué)實(shí)驗(yàn)中心 典型多媒體課件（ 2） 近代物理實(shí)驗(yàn) 主講教師：戴本忠 教授 密立根油滴實(shí)驗(yàn) 近代物理實(shí)驗(yàn)之一 密立根（ R. A. Millikan 1868-1953） （獲諾貝爾物理獎(jiǎng)實(shí)驗(yàn)） 24 3 由美國物理學(xué)家密立根 (Millikan R. A.)完成的測量微 小油滴上所帶電荷的實(shí)驗(yàn) :油滴實(shí)驗(yàn)，是物理學(xué)發(fā)展史 上具有重要意義的實(shí)驗(yàn)。這一實(shí)驗(yàn)首次證明了電荷的不 連續(xù)性，即任何帶電體所帶的電量都是基本電荷的整數(shù) 倍，并精確測定了基本電荷 1.60 10-19庫侖。電 子電荷是物理學(xué)中基本常數(shù)之一，在理論和實(shí)際工作中 都有重要意義，它的精確測定，為從實(shí)驗(yàn)上測定許多基 本物理

2、量提供了可能性。 密立根油滴實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)精巧，設(shè)備簡單，而實(shí)驗(yàn)結(jié)論卻有 不容置疑的說服力，因此這一實(shí)驗(yàn)歷來被看做是物理實(shí) 驗(yàn)的一個(gè)光輝典范。密立根由于這一杰出工作和在光電 效應(yīng)方面的研究成果而榮獲年諾貝爾物理獎(jiǎng)。 24 4 通過對帶電油滴在重力場和靜電場中運(yùn)動(dòng)的 測量，驗(yàn)證電荷的不連續(xù)性，并測定基本電 荷量 e； 通過對實(shí)驗(yàn)儀器的調(diào)整，油滴的選擇、跟蹤 和測量，以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理等，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán) 謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)實(shí)驗(yàn)態(tài)度 學(xué)習(xí)并了解 CCD圖像傳感器的原理與應(yīng)用， 學(xué)習(xí)電視顯微測量方法。學(xué)習(xí)密立根油滴實(shí) 驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想； 24 5 用噴霧器將油噴入兩塊相距為 d的水平放置 的平行極板之間，油在噴射撕裂成油滴時(shí)，

3、 一般都帶上電荷，假如油滴的質(zhì)量為 m，所 帶的電量為 q，兩極板間的電壓為 U。油滴 在極板間同時(shí)受到重力和電場力兩個(gè)力的作 用。 E為兩極板間的電場強(qiáng)度。 利用帶電荷的微小油滴在均勻電場中運(yùn)動(dòng)的 受力分析，可將油滴所帶的微觀電荷量 q的測 量轉(zhuǎn)化為油滴宏觀運(yùn)動(dòng)速度的測量。 24 6 mg f1 f2 d UqqEmg 如果調(diào)節(jié)兩極板間的電壓 U 可使重力和電場力 平衡，則有關(guān)系式： 此時(shí)油滴會(huì)靜止地懸浮在電場中，并保持平衡。 平行板不加電壓時(shí)，油滴在空氣中自由下落，下落 過程中受三個(gè)力的作用：重力 mg ；空氣浮力 f1 ；空氣 對它的阻力 f2。 24 7 334 am gamg 334

4、 gaf 31 34 由于表面張力的作用 ,油滴一般呈小球狀。 設(shè)油滴的密度為 ,半徑為 a,則油滴的質(zhì)量 m為 : 重力及空氣浮力可表示為： af 62 由斯托克斯定律知 空氣阻力可表示為 agaga 63434 33 )(2 9 ga 式中 是空氣的粘滯系數(shù)。當(dāng)油滴下落速度達(dá)到某一數(shù) 值，油滴所受合外力等于零時(shí)，油滴勻速下降。此時(shí)有： ga 2 9 pa b 1 pa b a f 1 6 2 當(dāng) 時(shí)，空氣浮力可以忽略。有 斯托克斯定律是以連續(xù)介質(zhì)為前提的，對于半徑小到 10-6m的微小油滴， 半徑與空氣分子間的間隙大致相等， 已不能將空氣看作連續(xù)介質(zhì) ，因此空氣的粘滯系數(shù)修改 為： 斯托克

5、斯定律修改為 最終可得： 2 3 9 2 )1( 2 18 L gt p b t L U d g q g g 此式是本實(shí)驗(yàn)計(jì)算油滴電荷的基本公式。式中 b 為修正常數(shù)， b=6.17 10-6m米 厘米汞高， p為大氣 壓強(qiáng)，單位為厘米汞高。其中 tg為油滴下降 L距離所 測量的時(shí)間。 24 11 電壓顯示 計(jì)時(shí)顯示 平衡水泡 CCD物距調(diào)節(jié) 平衡電壓 調(diào)節(jié) 電壓轉(zhuǎn)換 開關(guān) 電源開關(guān) 計(jì)時(shí)鍵 MOD-5型油滴儀包括：油滴盒，測量顯微鏡， 數(shù)字電壓表，工作電壓調(diào)節(jié)旋鈕，工作電 壓反向開關(guān)，升降電壓調(diào)節(jié)旋鈕，升降電 壓反向開關(guān)， CCD和監(jiān)視器等。 24 12 油滴盒結(jié)構(gòu)如圖所示油 滴盒是由兩塊經(jīng)

6、過精磨的 平行極板，上極板中央有 一個(gè)直徑 0.4毫米的小孔， 油滴從油霧室經(jīng)油霧孔落 入小孔，進(jìn)入上下極板之 間。油滴盒防風(fēng)罩前裝有 測量顯微鏡，用以觀察平 行極板間的油滴。測量顯 微鏡目鏡頭中裝有分劃板， 其垂直總刻度相當(dāng)于視場 中的 0.3厘米，用以測量 油滴運(yùn)動(dòng)的距離。 24 13 用靜態(tài)（平衡）法測定電子的電荷 要求： 1. 儀器調(diào)整 2. 練習(xí)控制油滴 3. 練習(xí)選擇油滴 4. 測量（對同一油滴進(jìn)行 6 10次測量） 24 14 儀器調(diào)整 將儀器放平穩(wěn)，調(diào)整左右兩只調(diào)平螺栓，使水準(zhǔn)泡指 示水平，這時(shí)平行極板處于水平狀態(tài)。預(yù)熱 10分鐘， 利用預(yù)熱時(shí)間從測量顯微鏡中觀察，如果分劃板位

7、置 不正，則轉(zhuǎn)動(dòng)目鏡頭，將分化板放正，目鏡頭要插到 底。調(diào)節(jié)目鏡，使分劃板刻線清晰。 用噴霧器將油從油霧室旁的噴霧口噴入（噴一次即 可），推上油霧孔擋板，以免空氣流動(dòng)而使油滴亂漂 移，微調(diào)測量顯微鏡的調(diào)焦手輪，這時(shí)視場中即出現(xiàn) 大量清晰的油滴。 對與 CCD一體化的屏顯油滴儀，則 從監(jiān)視器熒光屏上觀察油滴的運(yùn)動(dòng)。如油滴斜向運(yùn)動(dòng)， 則可轉(zhuǎn)動(dòng)顯微鏡上的圓形 CCD，使油滴垂直方向運(yùn)動(dòng)。 24 15 24 16 練習(xí)測量 練習(xí)控制油滴： 如果用平衡法實(shí)驗(yàn)噴入油滴 后，在平行極板上加工作（平衡）電壓 250 伏特左右，工作電壓選擇開關(guān)置 “ 平衡 ” 檔， 驅(qū)走不需要的油滴，直到剩下幾顆緩慢運(yùn)動(dòng) 的油

8、滴為止。注視其中的某一顆，仔細(xì)調(diào)節(jié) 平衡電壓，使這顆油滴靜止不動(dòng)。然后去掉 平衡電壓，讓它自由下降，下降一段距離后 再加上 “ 提升 ” 電壓，使油滴上升。如此反 復(fù)多次地進(jìn)行練習(xí)，以掌握控制油滴的方法。 24 17 練習(xí)測量油滴運(yùn)動(dòng)的時(shí)間： 任意選擇幾顆運(yùn)動(dòng)速度 快慢不同的油滴，用計(jì)時(shí)器測出它們下降一段距離 所用的時(shí)間。如此反復(fù)多練幾次，以掌握測量油滴 運(yùn)動(dòng)時(shí)間的方法。 練習(xí)選擇油滴： 要做好本實(shí)驗(yàn)，很重要的一點(diǎn)是選 擇合適的油滴。選的油滴體積不能太大，太大的油 滴雖然比較亮，但一般帶的電量比較多，下降速度 也比較快，時(shí)間不容易測準(zhǔn)。也不能選太小的油滴， 太小則布朗運(yùn)動(dòng)明顯。通常選擇平衡電壓

9、在 200伏 特以上，在 20 30秒內(nèi)勻速下落 2毫米的油滴， 其大小和帶電量比較合適。 24 18 正式測量 靜態(tài)（平衡）測量法 1. 用平衡測量法測量油滴勻速下降一段距離 l時(shí)要測 量的有兩個(gè)量。一是平衡電壓 U，另一個(gè)是油滴勻 速下降一段距離 l所需要的時(shí)間 tg。平衡電壓必須經(jīng) 過仔細(xì)的調(diào)節(jié)，并將油滴置于分化板上某條橫線附 近，以便準(zhǔn)確判斷出這顆油滴是否平衡了。 2. 測量油滴下降 l所需要的時(shí)間 tg時(shí)， 為了在按動(dòng)計(jì)時(shí) 器時(shí)有所思想準(zhǔn)備，應(yīng)先讓它下降一段距離后再測 量時(shí)間 。選定測量的一段距離 l，應(yīng)該在平衡極板 之間的中央部分，即視場中分劃的中央部分。若太 靠近上極板，電場不均

10、勻，會(huì)影響測量結(jié)果。太靠 近下電極板，測量完時(shí)間后，油滴容易丟失，影響 測量。一般取 l=2mm比較合適。 24 19 正式測量 靜態(tài)（平衡）測量法 3. 對同一顆油滴進(jìn)行 6 10次測量，而且每次測 量都要重新調(diào)整平衡電壓。如果油滴逐漸變 得模糊，要微調(diào)測量顯微鏡跟蹤油滴，勿使 油滴丟失。 4. 測完一顆油滴后，將平衡電壓調(diào)為零，并打在 “下落”檔，重新噴油，選擇油滴測量。本 實(shí)驗(yàn)中要對 4-6顆油滴進(jìn)行測量。 24 20 在噴油后，若視場中沒有發(fā)現(xiàn)油滴，可能有以下幾 個(gè)原因：傳感線接觸不良；油滴孔被堵。處理方法： 檢查線路；打開有機(jī)玻璃油霧室，利用脫脂棉擦拭 小孔，或利用細(xì)絲（直徑小于 0

11、.4mm）捅一捅小 孔。 調(diào)整儀器時(shí)，如要打開有機(jī)玻璃油霧室，應(yīng)先將工 作電壓選擇開關(guān)放在“下落”位置。 噴油時(shí)，切忌頻繁噴油，否則會(huì)堵塞油滴盒上蓋的 小孔 。 測量時(shí)，要隨時(shí)調(diào)整工作電壓，若發(fā)現(xiàn)工作電壓有 明顯改變，應(yīng)放棄測量，重新選擇油滴。 24 21 完成本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵在于控制油滴和選擇合適 的油滴。測量數(shù)據(jù)之前應(yīng)熟練掌握控制油滴 的技巧，并選擇合適的油滴。否則就會(huì)造成 實(shí)驗(yàn)失敗。 實(shí)驗(yàn)中選擇的油滴不能太大，太大的油滴雖 然較亮，但帶電量比較多，下降速度較快， 時(shí)間不容易測準(zhǔn)確。太小的油滴布朗運(yùn)動(dòng)明 顯。通常選擇平衡電壓 200伏左右 的油滴， 這時(shí)其大小和帶電量比較適當(dāng)。 24 22 計(jì)

12、算出每個(gè)油滴電量 qi后，用 e的公認(rèn)值 (e=1.602 10-19C)去除，得到每個(gè)油滴帶基 本電荷個(gè)數(shù)的近似值 ni，將 ni四舍五入取整， 再用這個(gè)整數(shù)去除 qi，所得結(jié)果為測出的電 子電量 ei 。 求出 ei的平均值，并與公認(rèn)值比較求出相對 誤差 。 驗(yàn)證法 24 23 設(shè)實(shí)驗(yàn)得到 m個(gè)油滴的帶電 量分別為 q1, q2, ., q m ， 由于電荷的量子化特性， 應(yīng)有 qi=nie,此為一直線方 程， n為自變量， q為因變 量， e為斜率。因此 m個(gè) 油滴對應(yīng)的數(shù)據(jù)在 n q坐 標(biāo)系中將在同一條過原點(diǎn) 的直線上，若找到滿足這 一關(guān)系的曲線，就可用斜 率求得 e值。將 e值的實(shí)驗(yàn) 值與公認(rèn)值比較，求相對 誤差。 倒證法 n q n1 n2 q1 q2 24 24 如何判斷油滴盒內(nèi)兩平行極板是否水平？如果不水 平對實(shí)驗(yàn)有何影響？ 為什么向油霧室噴油時(shí)，一定要使電容器的兩平行 極板短路？這時(shí)平行電壓的換向開關(guān)置于何處？ 應(yīng)選什么樣的油滴進(jìn)行測量？選太小的油滴對測量 有什么影響？選太大或帶電太多的油滴又存在什么 問題？ 觀察中發(fā)現(xiàn)油滴形象變模糊，是什么問題？為什么 會(huì)發(fā)生？如何處理？ 利用某一顆油滴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，計(jì)算出作用在該油滴 上的浮力，將其大小與重力、粘滯力、電場力相比 較。