研究性物理实验报告--密立根油滴实验

基础物理实验研究性报告

密立根油滴实验

2015年5月23日

摘要：密立根油滴实验，美国物理学家密立根（Millike ）所做的测定电

子电荷的实验。1907-1913年密立根花7年时间，在电场和重力场中运动的带电油滴进行实验，发现所有油滴所带的电量均是某一最小电荷的整数倍，该最小电荷值就是电子电荷。此实验在近代物理学发展过程中具有重要意义，密立根也因此于1923年获得了诺贝尔物理学奖。

关键词：带电油滴、不连续性、修正常数、动态平衡法则

1. 实验重点

① 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

实验专题 密立根油滴实验

第一作者 学

号

第二作者 学号

院系名称 交通科学与工程学院

性，并测定基本电荷值

② 通过对仪器的调整、油滴的选定、跟踪和测量以及数据的处理，培养学生严谨的科学态度和实验方法 2．预习要点

① 对实验结果造成影响的主要因素有哪些？

② 如何判断油滴盒内平行极板是否水平？不水平对实验结果有何影响？ ③ CCD 成像系统观测油滴比直接从显微镜中观测有何优点？ 仪器介绍

实验仪器：油滴盒、CCD 电视显微镜、电路箱、监视器。 1．油滴盒

油滴盒是用精加工的平板垫在胶木园环上，在上电极板中心有一个0.4mm 的油雾落入孔，在胶木园环上开有显微镜观察孔和照明孔。在油滴盒外套上有防

风罩，罩上放置一个可取下的油雾杯，杯底中心有一个落油孔及一个档片，用

8上盖

1油 2关 3 4上

5

6

7

座

来开关落油孔。在上电极板上方有一个可以左右拨动的压簧，注意，只有将压簧拨向最边位置，方可取出上极板！为的是保证压簧与电极始终接触良好。

2．电路箱

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4。由测量显示电路产生的电子分划板刻度，与CCD摄像头的行扫描严格同步，相当于刻度线是做在CCD器件上的，所以，尽管监视器有大小，或监视器本身有非线性失真，但刻度值是不会变的。

1.电源线

2.指示灯 5.调平水泡

3.电源开关

4.视频电缆

图4

实验内容

1准备工作

①将OM99面板上最左边带有Q9插头的电缆线接至监视器后背下部的插座上，然后接上电源即可开始工作。注意，一定要插紧，保证接触良好，否则图象紊乱或只有一些长条纹。

②调节仪器底座上的三只调平手轮，将水泡调平。由于底座空间较小,调手轮时应将手心向上，用中指和无名指夹住手轮调节较为方便。

③照明光路不需调整。CCD显微镜对焦也不需用调焦针插在平行电极孔中来调节，只需将显微镜筒前端和底座前端对齐，然后喷油后再稍稍前后微调即可。在使用中，前后调焦范围不要过大，取前后调焦1mm内的油滴较好。

2．开机使用

①打开监视器和OM99油滴仪的电源，5秒后自动进入测量状态，显示出标准分划板刻度线及v值、s值。开机后如想直接进入测量状态，按一下“计时／停”按扭即可。

如开机后屏幕上的字很乱或字重叠，先关掉油滴仪的电源，过一会再开机即可。

②面板上K

1

用来选择平行电极上极板的极性，实验中置于＋位或－位置均

可，一般不常变动。使用最频繁的是K

2和Ｗ及“计时／停”（K

3

）。

③监视器门前有一小盒，压一下小盒盒盖就可打开，内有４个调节旋钮。对比度一般置于较大（顺时针旋到底或稍退回一些），亮度不要太亮。如发现刻度线上下抖动，这是“帧抖”，微调左边起第二只旋钮即可解决。

3．正式测量

学习控制油滴在视场中的运动，并选择合适的油滴测量元电荷。要求至少测量10个不同的油滴，每个油滴的测量次数应在5次以上。

1、调整油滴实验仪

①水平调整

调整实验仪底部的旋钮(顺时针仪器升高，逆时针仪器下降)，通过水准仪将实验平台调平，使平衡电场方向与重力方向平行以免引起实验误差。极板平面是否水平决定了油滴在下落或提升过程中是否发生前后、左右的漂移。

②喷雾器调整

将少量钟表油缓慢的倒入喷雾器的储油腔内，使钟表油湮没提油管下方，油不要太多，以免实验过程中不慎将油倾倒至油滴盒内堵塞落油孔。将喷雾器竖起，用手挤压气囊，使得提油管内充满钟表油。

③仪器硬件接口连接

主机接线：电源线接交流 220V/50Hz；Q9视频输出接监视器视频输入（IN）。

监视器：输入阻抗开关拨至75 （ohm），Q9视频线缆接IN输入插座。电源线接220V/50Hz交流电压。前面板调整旋钮自左至右依次为左右调整、上下调整、亮度调整、对比度调整。

④实验仪联机使用

打开实验仪电源及监视器电源，监视器出现欢迎界面

a.按任意键：监视器出现参数设置界面，首先，设置实验方法，然后根据该地的环境适当设置重力加速度、油密度、大气压强、油滴下落距离。

“←”表示左移键、“→”表示为右移键、“+”表示数据设置键。

b.按确认键出现实验界面：将工作状态切换至“工作”，红色指示灯亮，将平衡、提升按键设置为“平衡”。

⑤ CCD成像系统调整

从喷雾口喷入油雾，此时监视器上应该出现大量运动油滴的像。若没有看到油滴的像，则需调整调焦旋钮或检查喷雾器是否有油雾喷出，直至得到油滴清晰的图像。

⑥控制油滴的运动

选择适当的油滴，调整平衡电压，使油滴平衡在某一格线上，将工作状态按键切换至“0 V”，绿色指示灯点亮，此时上下极板同时接地，电场力为零，油滴将在重力、浮力及空气阻力的作用下作下落运动，当由滴下落到有0标记的刻度线时，立刻按下定时开始键，同时计时器开始记录油滴下落的时间；待油滴下落至有距离标志的格线时，立即按下定时结束键，同时记时

器停止记时。经历一小段时间后0V、工作按键自动切换至“工作”（平衡、提升按键处于“平衡”），此时油滴将停止下落，可以通过确认键将此次测量数据记录到屏幕上。

将工作状态按键切换至“工作”，红色指示灯点亮，此时仪器根据平衡或提升状态分两种情形：若置于“平衡”，则可以通过平衡电压调节旋钮调整平衡电压；若置于“提升”，则极板电压将在原平衡电压的基础上再增加200V的电压，用来向上提升油滴。

⑤选择适当的油滴

要作好油滴实验，所选的油滴体积要适中，大的油滴虽然明亮，但一般带的电荷多，下降或提升太快，不容易测准确。太小则受布朗运动的影响明显，测量时涨落较大，也不容易测准确。因此应该选择质量适中而带电不多的油滴。建议选择平衡电压在150-400V之间、下落时间在20S（当下落距离为2mm时）左右的油滴进行测量。

平衡测量法：

①开启电源，进入实验界面将工作状态按键切换至“工作”，红色指示灯点亮；将平衡、提升按键置于“平衡”。

②通过喷雾口向油滴盒内喷入油雾，此时监视器上将出现大量运动的油滴。选取适当的油滴，仔细调整平衡电压，使其平衡在某一起始格线上（见后面平衡法示意图）。

③将工作状态按键切换至“0V”，此时油滴开始下落，当油滴下落到有“0”标记的格线时，立即按下定时开始键，同时计时器启动，开始记录油滴的下落时间。

④当油滴下落至第七格线时，立即按下定时结束键，同时记时器停止记时（如无人为干预，经过一小段时间后，工作状态按键自动切换至“工作”，油滴将停止移动），此时可以通过确认按键将测量结果记录在屏幕上。

⑤将平衡、提升按键置于“提升”，油滴将被向上提升，当回到高于有“0”

标记格线时，将平衡、提升键置回平衡状态，使其静止。

⑥重新调整平衡电压，重复③④⑤，并将数据记录到屏幕上（平衡电压V 及下落时间t）。当达到5次记录后，按确认键，界面的左面出现实验结果。

⑦重复②③④⑤⑥步，测出油滴的平均电荷量

至少测10个油滴，并根据所测得的平均电荷量Q求出它们的最大公约数，即为基本电荷e值（需要足够的数据统计量）。根据e的理论值，计算出e的相对误差。实验方法可选用平衡测量法（静态法）、动态测量法和同一油滴改变电荷法（第三种方法要用到汞灯，选做）。

附录

1．油的密度温度变化表

OM99 CCD微机密立根油滴选用上海产中华牌701型钟表油，其密度随温度的变化如下表：

2．喷雾器使用说明

① 用滴管从油瓶里吸取油，由灌油处滴入喷雾器里，不要太多，油的液面2-3毫米高已足够，千万不可高于喷管上口；② 喷雾器的喷雾出口比较脆弱，一般将其置于油滴仪的油雾杯圆孔外1-2毫米即可，不必伸入油雾杯内喷油；③ 如果喷雾器里还有剩余的油，不用时请将喷雾器立置（例如放在杯子里），否则油会泄漏至实验台上④ 每学期结束后，将喷雾器里剩余的油倒出，空捏几次，以清空喷雾器；

气

喷

油

气

灌