文档介绍：油滴实验(Oil-drop experiment),是罗伯特·密立根与哈维·福莱柴尔(Harvey Fletcher)在1909年所进行的一项物理学实验,并使罗伯特·密立根因而获得1923年的获得诺贝尔物理学奖。此实验的目的是要测量单一电子的电荷。方法主要是平衡重力与电力,使油滴悬浮于两片金属电极之间。并根据已知的电场强度,计算出整颗油滴的总电荷量。重复对许多油滴进行实验之后,密立根发现所有油滴的总电荷值皆为同一数字的倍数,因此认定此数值为单一电子的电荷e。
目录
1实验简介
2实验装置
3草包族科学
4实验作假丑闻
1实验简介编辑
到2006年为止,(14) x 10−19库仑[1]。密立根在诺贝尔奖颁奖典礼上,(5) x 10−10静库仑[2]((17) x 10−19库仑)。现在已知的数值与密立根的结果差异小于百分之一,但仍比密立根测量结果的标准误(standard error)大了5倍,因此在统计上具显著差异。
该实验被评为“物理最美实验”之一。
2实验装置编辑
密立根设置了一个均匀电场,方法是将两块以水平方式平行排列的金属板作为两极,且两极之间可产生相当大的电位差。金属板上有四个小洞,其中三个是用来将光线射入装置中,另外一个则设有一部显微镜,用以观测实验。喷入平板中的油滴可经由控制电场来改变位置。
为了避免油滴因为光线照射蒸发而使误差增加,此实验所使用的油拥有较低的蒸气压。其中少数的油滴在喷入平板之前,会因为与喷嘴发生摩擦而获得电荷,成为实验对象。
在此实验中,油滴的运动方向共受四个力量影响:
空气阻力(向上)
重力(向下)
浮力(向上)
电场力(向上)
首先喷入的油滴会因为电场尚未开启而下坠(以重力加速度),并很快的因为与空气的摩擦而到达终端速度(等速下墬)。接着开启电场,假如此电场强度够强(或称电场力,FE),那么将会使部分具有电荷的油滴开始上升。之后选出一个容易观察的油滴,利用电压的调整使油滴固定于电场中央,并使其他油滴坠落。接下来的实验将只针对此一油滴进行。
然后关闭电场使油滴下降,并计算油滴在下墬时终端速度v1,再根据斯托克斯定律(Stokes' Law)算出油滴所受的空气阻力:
(空气阻力,方向向上)
v1 为油滴的终端速度;η 为空气的黏滞系数;r 为油滴半径。
重量W(重力)等于体积V乘上密度ρ,且由于使油滴下降的力量为重力,因此下墬加速度为g。假设油滴为完美球型,则重力W可写成
(重力,方向向下)
ρ为油滴密度
不过若要获得较为精确的数值,则重量必须减去空气对油滴造成的浮力(等于和油滴相等体积的空气重量)。假设油滴为完美球型,则浮力B可写成
(浮力,方向向上)
ρair为空气密度。
上两式合并如下:
(重力- 浮力)
到达终端速度时加速度为零(等速下降),此时作用于油滴的合力为零,使F与W-B互相抵销,也就是,由此可得:
一但求得r(太小以致无法直接测量),则W也可算出。
再来将电场重新开启,此时作用于油滴的电场力为
(电场力,方向向上)
q为油滴电荷;E为电极板之间的电场。
平行板状电极产生的电场则可以下式求得:
V为电位差;d为平板之间的距离。
若以较为直截了当的方法,q