实验报告---密立根油滴实验

浙江大学宁波理工学院

物理实验报告

一、 实验名称：密立根油滴实验测电子电荷e 二、 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。 三、 仪器用具：

密立根油滴实验仪

四、 实验原理：

动态测量法

假设重力场中一个足够小油滴的运动，设此油滴半径为r，质量为m1，空气是粘滞流体，故此运动油滴除重力和浮力外还受粘滞阻力的作用。由斯托克斯定律，粘滞阻力与物体运动速度成正比。设油滴以速度vf匀速下落，则有

m1gm2gKvf （1）

此处m2为与油滴同体积的空气质量，K为比例系数，g为重力加速度。油滴在空气及重力场中的受力情况如图1所示：

若此油滴带电荷为q，并处在场强为E的均匀电场中，设电场力qE方向与重力方向相反，如图2所示，如果油滴以速度vr匀速上升，则有

qE(m1m2)gKvf （2）

由式（1）和（2）消去K，可解出q为

m1g

qE

Kvf

m2g

m2g

Kvrm1g

图1 重力场中油滴受力示意图

图2电场中油滴受力示意图

q

(m1m2)g

(vfvr) （3）

Evf

由式（3）可以看出，要测量油滴上携带的电荷q，需要分别测出m1、m2、E、

vf、vr等物理量。

由喷雾器喷出的小油滴的半径r是微米数量级，直接测量其质量m1也是困难的，为此希望消去m1，而代之以容易测量的量。设油与空气的密度分别为1、2，于是半径为r的油滴的视重为

m1gm2g

4

r3(12)g （4） 3

五、 实验内容：

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5个不同的油滴，每个油滴的测量次数应在3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 a． b．

打开实验仪电源及监视器电源，监视器出现欢迎界面

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。 c．

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（例如1.6）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 当油滴下落至有距离标记的格线时（例如：1.6），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5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。

数据记录：单位×10-19C

六、 数据处理：

验证实验数据：假定电子的电荷e=1.602×10-19C N1=Q1/e=3.207/1.602≈2 N2=Q2/e=4.864/1.602≈3 N3=Q3/e=3.179/1.602≈2 N4=Q4/e=7.955/1.602≈5

N5=Q5/e=3.218/1.602≈2

分别用每个油滴所带的电量Q除以其所含有的电子个数并求其平均值

e测=（3.207/2+4.864/3+3.179/2+7.955/5+3.218/2）×10-19/5

=1.609×10-19C

七、 实验结果：

e测=1.609×10-19

C A=(1.609-1.602)/1.602×℅=4.4℅

3090501082

生物医药创新班学

张凯翔

号