文档介绍：《基础物理》实验报告
学院: 专业: 2
实验名称
油滴法测电子电荷量
姓名
年级/班级
学号
实验目的
二、实验原理
三、实验设备及工具
四、实验内容及原始数据
(数据表格、现象等)
六、实验结果分析(实验现象分析、实验中存在问题的讨论)
实验简介
密立根(Robert Andrews Millikan,1868~1953,美国物理学家) 于1907年开始,经历7年时间,用油滴法直接证实了“电”的不连续性,并用实验的方法直接测量了电子的电荷量,这就是著名的密立根油滴实验,它是近代物理学发展史中具有重要意义的实验。因对基本电荷和光电效应的工作,密立根荣获1932年度诺贝尔物理学奖。
实验目的
,验证电荷的不连续性,并测定电子的电荷。
、掌握密立根油滴实验的设计思想、实验方法和实验技巧。
实验原理
用油滴法测量电子的电荷,需要测量油滴的带电量q,可以用静态(平衡)测量法或动态(非平衡)测量法测q,也可以通过改变油滴的带电量,用静态法或动态法测量油滴带电量的改变量。测量方法分析如下:
(平衡)测量法。
图 -2
用喷雾器将油喷入两块相距为d的水平放置的平行极板之间。油在喷射撕裂成油滴时,一般都是带电的。设油滴的质量为m,所带的电荷为q,两块极板间的电压为U,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(-2)所示。如果调节两极板间的电压U,可使这两个力达到平衡,这时
(-1)
从式(-1)可见,为了测出油滴所带电量q,除了需测定平衡电压U和极板间距离d外,还需要测量油滴的质量m。因为m很小,需要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,由于空气粘滞阻力的作用,下降一定距离达到某一速度vg后,阻力与重力mg平衡,-3所示(空气浮力忽略不计),油滴将匀速下降。根据斯托克斯定律,油滴匀速下降时
(-2)
式中,是空气的粘滞系数;是油滴的半径(由于表面张力的原因,油滴总是呈小球状)。设油的密度为,油滴的质量可以用下式表示
图 -3
(-3)
由式(-2)和式(-3)得到油滴的半径
(-4)
对于半径小到m的小球,空气的粘滞系数应作如下修正
式中,为修正常数,为大气压强,单位用Pa。这时斯托克斯定律应改为
因此
(-5)
上式根号中还包含油滴的半径,但因它处于修正项中,可以不十分精确,因此可用式(-4)计算。将式(-5)代入式(-3),得
(-6)
至于油滴匀速下降的速度vg,可用下述方法测出:当两极板间的电压为零时,设油滴匀速下降的距离为l,时间为tg,则
(-7)
由式(-7)、(-6)和(-1),可得
(-8)
上式是用平衡测量法测定油滴所带电量的理论公式。
(非平衡)测量法。
平衡测量法是在静电力qE和重力mg达到平衡时导出公式(-8)的。非平衡测量法则是在平行极板上加以适当的电压U,但并不调节U使静电力和重力达到平衡,而是使油滴受静电力作用加速上升。由于空气阻力的作用,上升一段距离达到某一速度ve后,空气阻力、重力和静电力达到平衡(忽略空气浮力),油滴将匀速上升,-4所示。这时
当去掉平行极板上所加的电压U后,油滴受重力作用而加速下降,空气阻力随油滴下落速度的增加而很快增大,当空气阻力和重力达到平衡时,油滴将以匀速vg下降,这时
图 -4
上两式相除
得
(-9)
实验时取油滴匀速下降和匀速上升的距离相等,设都为l。测出油滴匀速下降的时间为tg,匀速上升的时间为te,则
, (-10)
将式(-6)油滴的质量和式(-10)代入式(-9)得
(-11)
令
则
(-12)
从上述讨论可见:
,原理简单直观,而且油滴有平衡不动的时候,实验操作的节奏可以进行得较慢,但需仔细调整平衡电压;用非平衡法测量,在原理和数据处理方面较平衡法要繁琐一些,且油滴没有平衡不动的时候,实验操作稍有疏忽,油滴就容易丢失,但它不需要调整平衡电压。
(-8)和式(-11),当调节电压U使油滴受力达到平衡时,油滴匀速上升的时间,两式相一致,可见平衡测量法是非平衡测量法的一个特殊情况。
。
从实验所测得的结果,可以分析出q只能为某一数值的整数倍,由此可以得出油滴所带电子的总数n,从而得到一个电子的电荷值为
(-13)
仪器介绍
M