文档介绍：密立根油滴实验
——基本电荷测定
Bobert Andrew Millikan
华东理工大学物理实验中心
一、实验历史背景及意义
1897年汤姆逊发现了电子的存在,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。
由美国杰出的物理学家密立根首先设计并完成的密立根油滴实验,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。
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。密立根本人也因此荣获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。
1) 学****密立根油滴实验的设计思想。
2) 验证电荷的不连续性,并测定基本电荷值。
3) 培养学生严谨的科学实验态度。
二、实验目的
三、实验原理
如何测量微观电荷量q?
油滴在极板间同时受到重力mg,电场力qE和空气浮力Ff的作用。平衡时有:
思路:转化测量法
找到一个宏观测量量
由于表面张力的作用,油滴一般呈小球状。设油滴的密度为ρ,半径为a ,则油滴的质量m为:
重力及空气浮力可表示为:
同时,考虑到平行板未加电压时,油滴在重力作用下降落时,受到空气对油滴的粘滞力作用。
当空气的粘滞力、浮力和油滴的重力平衡时,油滴作匀速运动
其中
P229
由此,对油滴所带电荷量q的测量,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。
当平行板电压为零时,油滴作匀速运动的速度
有以上公式最后可得:
2)对粘滞系数的修正
起先计算所得的e值随油滴的减小而增大,密立根认为由于油滴甚小,其直径可和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。
密立根对实验的改进
最初,密立根用水滴作为电量的载体的,由于水滴的蒸发,改用了挥发性小的油滴。
1)用油滴替代水滴
q
基本电荷e的计算
为了证明电荷的不连续性和所有电荷都是基本电荷e的整数倍,并得到基本电荷e值,我们可用“倒过来验证”的办法进行数据处理,即用公认的电子电荷值e=×10-19C去除实验测得的电荷量q,得到一个接近与某一个整数的数值,这个整数就是油滴所带的基本电荷的数目n,再用这个n去除实验测得的电荷量q,即得电子的电荷值e。