文档介绍：密立根油滴实验——基本电荷测定——基本电荷测定 Bobert Andrew Millikan 太原理工大学物理实验中心一、实验历史背景及意义一个电子所带的电荷量是现代物理学重要的基本常数之一,对它的准确测定有很大的意义。 1883 年由法拉第电解定律发现了电荷的不连续结构。 1897 年英国的汤姆逊通过对阴极射线的研究,测定了电子的荷质比,从实验中发现了电子的存在。但一直没有准确测出电子的电量,只能确定电荷的数量级。而用各别粒子所带电荷的方法来直接证明电荷的分离性,以及首先准确的测定电子电荷的数值是由美国杰出的物理学家密立根设计并完成的。这个实验就是著名的密立根油滴实验,它采用了宏观的力学模式来研究微观世界的量子特性。它证明了带电体所带的电荷都是某一最小电荷的整数倍,明确了电荷的电荷的量子化,并精确地测定了基本电荷 e的数值。其值为其值为 e= e= ?? 10-19 10-19 库仑。现公认库仑。现公认 e e是基本电荷,对其是基本电荷,对其值的测量测量精度不断提高,目前给出的最好结果为: 值的测量测量精度不断提高,目前给出的最好结果为: e=( e=( ??) ) ?? 10-19 10-19 库仑。库仑。因为实验设计巧妙,将微观测量量转化为宏观量的测量,在近代物理学的发展史上具有里程碑意义。 1916 年密立根又解决了光电效应的精确测量问题, 第一次由光电效应实验测量了普朗克常数 h。密立根教授由于测量电荷和研究光电效应的杰出成就, 荣获 1923 年诺贝尔物理学奖。人们用类似的方法测定基本粒子夸克的电量。二、实验目的?(1) 学习密立根油滴实验的设计思想。并测量基本电荷的电量,加深对电荷“量子性”的理解。验证电荷的不连续性。?(2) 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,并测定基本电荷值。?(3) 通过对实验仪器的调整,油滴的选择、跟踪和测量,以及实验数据处理等,培养学生严谨的科学实验态度。三、实验原理如何测量微观电荷量 q? 思路:转化测量法找到一个宏观测量量用喷雾器将油滴喷入两块水平放置的平行板之间, 油滴在喷射时由于摩擦一般都是带电的。对油滴所带电荷量 q的测量实验设计思想:使带电油滴在测量范围内处于受力平衡状态,最终通过力 F这个物理量作为桥梁,转化为对油滴运动的位移 l 和所需时间 tg 的测量。设质量为 m 带电量为 q 的油滴在两平行极板间运动,两极板间电压为 U,极板间距为 d。则油滴在极板间将同时受到重力和电场力的作用,如图所示。如果调节两极板间的电压 U,可使电场力和重力达到平衡。加电场,油滴静止 qE qE d d + +_ U U mg mg d Uq mg??U d mg q?求 m? 把油滴看成小球,求半径即可。。已知油密度,求体积。。)1()3 4( 3U dgaq??? ga mg f)3 4( 3????)2(2 9g va g??? 式中η为空气粘滞系数, a为油滴的半径。不加电场,油滴匀速下落在平行板未加电压时,油滴受重力的作用而加速下降,由于空气粘滞阻力 f 的作用,下降一段距离后, 油滴将匀速运动,速度为 vg ,此时 f 与 mg 平衡。 mg mg f fd d gv ????? gvaf??6??由斯托克斯定律知,粘滞阻力为: g va g??2 9????U dgaq??)3 4( 3?)3(2 18 2 3U dt lg q g????????????? g gt lv?其中斯托克斯定律适用于连续介质中球状物体所受的粘滞力。由于油滴甚小(直径 10-6 m) ,可与空气分子的平均自由程相比拟,所以不能再将空气看成是连续介质,油滴所受粘滞力必将减小,粘滞系数应予以修正。)4(1 ' pa b????b为修正系数, p为空气压强, a为未经修正过的油滴半径。将( 4)式代入( 3)式得 U d pa bt lg q g??????????????? 2 3)1( 2 18???该式就是静态法测量油滴所带电荷的公式。 3. 实验内容四、实验内容: 用静态(平衡)法测定电子的电荷 1 、熟悉仪器的使用 2、调整仪器 3、练习控制油滴 4、练习选择油滴 5、对同一油滴进行 5次测量