密立根油滴实验--实验报告

密立根油滴实验--实验报告

实验目的

1、 通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，验证电荷的不连续性，并测定电子电荷的电荷值e 。

2、 通过实验过程中，对仪器的调整、油滴的选择、耐心地跟踪和测量以及数据的处理等，培养学生严肃认真和一丝不苟的科学实验方法和态度。

3、 学习和理解密立根利用宏观量测量微观量的巧妙设想和构思。

二、实验原理：

一、实验原理

1、静态（平衡）测量法

用喷雾器将油滴喷入两块相距为d 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 ，所带的电量为q ，两极板间的电压为V ，如图 1 所示。

图1

如果调节两极板间的电压V ，可使两力达到平衡，这时：

d

V q qE mg == (1) 为了测出油滴所带的电量q ，除了需测定平衡电压V 和极板间距离d 外，还需要测量油滴的质量m 。因m 很小，需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g ν后，阻力r f 与重力mg 平衡，如图 2 所示（空气浮力忽略不计），油滴将匀速下降。此时有：

mg v a f g r ==ηπ6 (2)

其中η是空气的粘滞系数，是a 油滴的半径。经过变换及修正，可得斯托克斯定律：

pa

b v a f g r +=16ηπ (3) 其中b 是修正常数， b=6.17×10-6m ·cmHg,p 为大气压强，单位为厘米汞高。

图2

至于油滴匀速下降的速度g v ，可用下法测出：当两极板间的电压V 为零时,设油滴匀速下降的距离为l ，时间为t ，则

g

g t l v = (4) 最后得到理论公式：

V d pa b t l g q g 2

3)1(218⎥⎥⎥⎥⎦

⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡+=ηρπ (5) 2、动态（非平衡）测量法

非平衡测量法则是在平行极板上加以适当的电压V ，但并不调节V 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υ 后，空气阻力、重力与静电力达到平衡（空气浮力忽略不计），油滴将匀速上升，如图 3 所示。这时：

mg d V q v a e -=ηπ6 （6）

图3

当去掉平行极板上所加的电压V 后，油滴受重力作用而加速下降。当空气

阻力和重力平衡时，油滴将以匀速υ 下降，这时：

mg v g =πη6 （7）

化简，并把平衡法中油滴的质量代入，得理论公式： 212

31111218⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+⎥⎥⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎢⎢⎣⎡⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=e e e t t t v d pa b l g q ηρπ （8）

三、实验仪器：

根据实验原理，实验仪器

——密立根油滴仪，应包括水平

放置的平行极板（油滴盒），调平

装置，照明装置，显微镜，电源，

计时器（数字毫秒计），改变油滴

带电量从q 变到q ′的装置，实

验油，喷雾器等。MOD －5 型密立

根油滴仪的基本外形和具体结构

示于图 4。

四、实验数据处理：

思考题

(1)若平行极板不水平，对测量有何影响？

若不水平，油滴不会垂直运动，运动距离难以计算，且垂直方向平衡时收到的力大于重力

(2)如何选择合适的油滴进行测量？

下落0.2mm 用时15到30s 之间，所加电压大于200

(3)为什么要静止和匀速？实验上怎样做才能保证油滴做匀速运动？

静止或匀速时油滴才能受力平衡。从起始线静止开始，过一段时间经过下方测量线再开始测量

(4)怎样区别油滴所带电荷量的改变和测量时间的误差？

如果平衡电压变化过大，则说明带电量发生了改变

(5)为什么向油雾室喷油时要使两极板短路

使其中不存在电场，大量油滴可以通过重力自然进入两基板之间。

电压/v T/s 电荷量*10^19平均约带电荷

电子电量/C *油滴130725 3.229970986 3.2400052

1.62000330924.9 3.229297699

30924.7 3.270390422

30725 3.229970986

30824.7 3.281008573

30825.1 3.199391569

油滴236722.5 3.18678934 3.2330972

1.6165483682

2.3

3.22284608

36922.4 3.19168771

36822.1 3.268595341

36822 3.291867655

36922.2 3.236793921

油滴324522.5 4.773680358 4.7990933

1.5996982442

2.3 4.860685892

24422.4 4.826773628

24322.5 4.812969908

24522.5 4.773680358

24322.7 4.746766501

油滴423119.5 6.3319672 6.389454

1.59736222919.4 6.438730025

23119.2 6.487047644

23119.4 6.382983445

22919.6 6.336473173

23019.5 6.359497493

油滴521514.211.1463004611.303987

1.61485421314.311.12903749

2151411.39446521

21214.411.06118887

21813.911.36339387

21613.711.72947633

1.609693*10^-19 C 平均电子电量