文档介绍：由美国物理学家密立根()首先设计并完成的密立根油滴实验,在近代物理学的发展史上是一个十分重要的实验。它证明了任何带电体所带的电荷都是某一最小电荷—基本电荷的整数倍;明确了电荷的不连续性;精确地测定了基本电荷的值,并令人信服的揭示了电子的量子本性。
由于密立根实验设计巧妙、原理清楚、装置简单,而结论具有不容置疑的说服力,因此这一实验堪称为物理实验的精华、典范。重温这一著名的油滴实验,不仅应该了解密立根所用的基本实验方法,更要借鉴与学****密立根采用宏观的力学模式揭示微观粒子的量子本性的物理构思、精湛的实验设计和严肃的科学作风,从而更好的提高我们的实验素质和能力。
一、目的
,并测定电子的电荷值;
。
二、原理
图22 – 1 实验原理图
用油滴法测量电子的电荷,可以用静态平衡法,也可以用动态测量法进行测量。
平衡测量方法
用喷雾器将油喷入两块相距为d的水平放置的平行板电极之间。油在喷射撕裂成油滴时,由于摩擦一般都是带电的。设油滴的质量为m,所带的电荷为q ,两极板间的电压为V则油滴在平行极板间将同时受到重力mg 和静电力qE的作用, 如图22 - 1所示。如果调节两极板间的电压,可使两力达到平衡,这时可得
mg = qE = q (22-1)
从式(22-1)可见,为了测出油滴所带的电量q ,除了需测定V和d外还需要测量油滴的质量m。因m很小,需采用如下特殊方法测定:平行极板不加电压时,油滴受重力作用而加速下降,由于空气阻力的作用,下降一段距离达到某一速度vg时,阻力fr与重力mg平衡,如图22–2所示(空气浮力忽略不计),油滴匀速下降。根据斯托克斯定律,油滴匀速下降时可得
f r = 6aηvg = mg (22-2)
式中η是空气的粘滞系数,a 是油滴的半径(由于表面张力的原因,油滴总是呈小球状)。设油滴的密度为,油滴的质量m可以用下式表示
m = a 3 (22-3)
图22-2 油滴受力图
fr
mg
Vg
由式(22-2)和式(22-3)得到油滴的半径
a = (22-4)
对于半径小到10-6m的小球,空气的粘滞系数应作如下修正
=
这时斯托克斯定律应改写为:
式中b = -3m·Pa ,为修正常数,p为大气压强,单位用Pa ,则
a = (22-5)
上式根号中还包含油滴的半径a ,但因它处于修正项中,在不需十分精确的情况下,可用式(22-4)计算,将式(22-5)代入式(22-3),得下
m = (22-6)
至于油滴匀速下降的速度vg ,可用下法测出:当两极板间的电压V为零时,设油滴匀速下将的距离为,时间为tg ,则
(22-7)
图22-3 油滴受力图
qE
Ve
fe
mg
将式(22-7)代入式(22-6),将式(22-6)代入式(22-1),得
q = (22-8)
式(22-8)是用平衡法测定油滴所带电荷的理论公式。
三、仪器
D电视显微镜、电路箱、监视器等组成。
油滴盒是个重要部件,加工要求很高,其结构见图22 - 4。
电路箱体内装有高压产生、测量显示等电路。底部装有三只调平手轮,面板结构见图22-5。详尽的仪器结构、