研究性物理實(shí)驗(yàn)報(bào)告-密立根油滴實(shí)驗(yàn)

1、基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)研究性報(bào)告密立根油滴實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)專(zhuān)題密立根油滴實(shí)驗(yàn)第一作者學(xué)號(hào)第二作者學(xué)號(hào)院系名稱(chēng)交通科學(xué)與工程學(xué)院 2015年5月23日摘要：密立根油滴實(shí)驗(yàn)，美國(guó)物理學(xué)家密立根（Millike）所做的測(cè)定電子電荷的實(shí)驗(yàn)。1907-1913年密立根花7年時(shí)間，在電場(chǎng)和重力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的帶電油滴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)所有油滴所帶的電量均是某一最小電荷的整數(shù)倍，該最小電荷值就是電子電荷。此實(shí)驗(yàn)在近代物理學(xué)發(fā)展過(guò)程中具有重要意義，密立根也因此于1923年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。關(guān)鍵詞：帶電油滴、不連續(xù)性、修正常數(shù)、動(dòng)態(tài)平衡法則1. 實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)通過(guò)對(duì)帶電油滴在重力場(chǎng)和靜電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的測(cè)量，驗(yàn)證電荷的不連續(xù)性，并測(cè)定基本電荷值通

2、過(guò)對(duì)儀器的調(diào)整、油滴的選定、跟蹤和測(cè)量以及數(shù)據(jù)的處理，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和實(shí)驗(yàn)方法2預(yù)習(xí)要點(diǎn) 對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果造成影響的主要因素有哪些？ 如何判斷油滴盒內(nèi)平行極板是否水平？不水平對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有何影響？ CCD成像系統(tǒng)觀測(cè)油滴比直接從顯微鏡中觀測(cè)有何優(yōu)點(diǎn)？?jī)x器介紹實(shí)驗(yàn)儀器：油滴盒、CCD電視顯微鏡、電路箱、監(jiān)視器。1油滴盒8上蓋板9噴霧口10油霧孔11上電極壓簧12 油滴盒基座1油霧杯2油霧孔開(kāi)關(guān)3防風(fēng)罩4上電極5油滴盒6下電極7座架圖3油滴盒是用精加工的平板墊在膠木園環(huán)上，在上電極板中心有一個(gè)0.4mm的油霧落入孔，在膠木園環(huán)上開(kāi)有顯微鏡觀察孔和照明孔。在油滴盒外套上有防風(fēng)罩，罩上放置一個(gè)可取下的

3、油霧杯，杯底中心有一個(gè)落油孔及一個(gè)檔片，用來(lái)開(kāi)關(guān)落油孔。在上電極板上方有一個(gè)可以左右撥動(dòng)的壓簧，注意，只有將壓簧撥向最邊位置，方可取出上極板！為的是保證壓簧與電極始終接觸良好。2電路箱電路箱體內(nèi)裝有高壓產(chǎn)生、測(cè)量顯示等電路。底部裝有三只調(diào)平手輪，面板結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖4。由測(cè)量顯示電路產(chǎn)生的電子分劃板刻度，與CCD攝像頭的行掃描嚴(yán)格同步，相當(dāng)于刻度線(xiàn)是做在CCD器件上的，所以，盡管監(jiān)視器有大小，或監(jiān)視器本身有非線(xiàn)性失真，但刻度值是不會(huì)變的。1.電源線(xiàn) 2.指示燈 5.調(diào)平水泡 3.電源開(kāi)關(guān) 4.視頻電纜 6.顯微鏡- 0 V 計(jì)時(shí)/停 平衡電壓+ 提升平衡7.上電極壓簧 8.K1 9.K2 10.聯(lián)動(dòng)

4、11.K3 12.W圖4聯(lián)動(dòng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1準(zhǔn)備工作 將OM99面板上最左邊帶有Q9插頭的電纜線(xiàn)接至監(jiān)視器后背下部的插座上，然后接上電源即可開(kāi)始工作。注意，一定要插緊，保證接觸良好，否則圖象紊亂或只有一些長(zhǎng)條紋。 調(diào)節(jié)儀器底座上的三只調(diào)平手輪，將水泡調(diào)平。由于底座空間較小,調(diào)手輪時(shí)應(yīng)將手心向上，用中指和無(wú)名指夾住手輪調(diào)節(jié)較為方便。 照明光路不需調(diào)整。CCD顯微鏡對(duì)焦也不需用調(diào)焦針插在平行電極孔中來(lái)調(diào)節(jié)，只需將顯微鏡筒前端和底座前端對(duì)齊，然后噴油后再稍稍前后微調(diào)即可。在使用中，前后調(diào)焦范圍不要過(guò)大，取前后調(diào)焦1mm內(nèi)的油滴較好。2開(kāi)機(jī)使用 打開(kāi)監(jiān)視器和OM99油滴儀的電源，5秒后自動(dòng)進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)，顯示

5、出標(biāo)準(zhǔn)分劃板刻度線(xiàn)及v值、s值。開(kāi)機(jī)后如想直接進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)，按一下“計(jì)時(shí)?！卑磁ぜ纯?。如開(kāi)機(jī)后屏幕上的字很亂或字重疊，先關(guān)掉油滴儀的電源，過(guò)一會(huì)再開(kāi)機(jī)即可。 面板上用來(lái)選擇平行電極上極板的極性，實(shí)驗(yàn)中置于位或位置均可，一般不常變動(dòng)。使用最頻繁的是和及“計(jì)時(shí)?！保ǎ?監(jiān)視器門(mén)前有一小盒，壓一下小盒盒蓋就可打開(kāi)，內(nèi)有個(gè)調(diào)節(jié)旋鈕。對(duì)比度一般置于較大（順時(shí)針旋到底或稍退回一些），亮度不要太亮。如發(fā)現(xiàn)刻度線(xiàn)上下抖動(dòng)，這是“幀抖”，微調(diào)左邊起第二只旋鈕即可解決。3正式測(cè)量學(xué)習(xí)控制油滴在視場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)，并選擇合適的油滴測(cè)量元電荷。要求至少測(cè)量10個(gè)不同的油滴，每個(gè)油滴的測(cè)量次數(shù)應(yīng)在5次以上。1、 調(diào)整油滴實(shí)

6、驗(yàn)儀 水平調(diào)整調(diào)整實(shí)驗(yàn)儀底部的旋鈕(順時(shí)針儀器升高，逆時(shí)針儀器下降)，通過(guò)水準(zhǔn)儀將實(shí)驗(yàn)平臺(tái)調(diào)平，使平衡電場(chǎng)方向與重力方向平行以免引起實(shí)驗(yàn)誤差。極板平面是否水平?jīng)Q定了油滴在下落或提升過(guò)程中是否發(fā)生前后、左右的漂移。 噴霧器調(diào)整將少量鐘表油緩慢的倒入噴霧器的儲(chǔ)油腔內(nèi)，使鐘表油湮沒(méi)提油管下方，油不要太多，以免實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不慎將油傾倒至油滴盒內(nèi)堵塞落油孔。將噴霧器豎起，用手?jǐn)D壓氣囊，使得提油管內(nèi)充滿(mǎn)鐘表油。 儀器硬件接口連接主機(jī)接線(xiàn)：電源線(xiàn)接交流 220V/50Hz；Q9視頻輸出接監(jiān)視器視頻輸入（IN）。監(jiān)視器：輸入阻抗開(kāi)關(guān)撥至75（ohm），Q9視頻線(xiàn)纜接IN輸入插座。電源線(xiàn)接220V/50Hz交流電

7、壓。前面板調(diào)整旋鈕自左至右依次為左右調(diào)整、上下調(diào)整、亮度調(diào)整、對(duì)比度調(diào)整。 實(shí)驗(yàn)儀聯(lián)機(jī)使用打開(kāi)實(shí)驗(yàn)儀電源及監(jiān)視器電源，監(jiān)視器出現(xiàn)歡迎界面a. 按任意鍵：監(jiān)視器出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置界面，首先，設(shè)置實(shí)驗(yàn)方法，然后根據(jù)該地的環(huán)境適當(dāng)設(shè)置重力加速度、油密度、大氣壓強(qiáng)、油滴下落距離?！啊北硎咀笠奇I、“”表示為右移鍵、“+”表示數(shù)據(jù)設(shè)置鍵。b. 按確認(rèn)鍵出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)界面：將工作狀態(tài)切換至“工作”，紅色指示燈亮，將平衡、提升按鍵設(shè)置為“平衡”。 CCD成像系統(tǒng)調(diào)整從噴霧口噴入油霧，此時(shí)監(jiān)視器上應(yīng)該出現(xiàn)大量運(yùn)動(dòng)油滴的像。若沒(méi)有看到油滴的像，則需調(diào)整調(diào)焦旋鈕或檢查噴霧器是否有油霧噴出，直至得到油滴清晰的圖像。 控制油滴的運(yùn)

8、動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)挠偷?，調(diào)整平衡電壓，使油滴平衡在某一格線(xiàn)上，將工作狀態(tài)按鍵切換至“0 V”，綠色指示燈點(diǎn)亮，此時(shí)上下極板同時(shí)接地，電場(chǎng)力為零，油滴將在重力、浮力及空氣阻力的作用下作下落運(yùn)動(dòng)，當(dāng)由滴下落到有0標(biāo)記的刻度線(xiàn)時(shí)，立刻按下定時(shí)開(kāi)始鍵，同時(shí)計(jì)時(shí)器開(kāi)始記錄油滴下落的時(shí)間；待油滴下落至有距離標(biāo)志的格線(xiàn)時(shí)，立即按下定時(shí)結(jié)束鍵，同時(shí)記時(shí)器停止記時(shí)。經(jīng)歷一小段時(shí)間后0V、工作按鍵自動(dòng)切換至“工作”（平衡、提升按鍵處于“平衡”），此時(shí)油滴將停止下落，可以通過(guò)確認(rèn)鍵將此次測(cè)量數(shù)據(jù)記錄到屏幕上。將工作狀態(tài)按鍵切換至“工作”，紅色指示燈點(diǎn)亮，此時(shí)儀器根據(jù)平衡或提升狀態(tài)分兩種情形：若置于“平衡”，則可以通過(guò)平衡

9、電壓調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)整平衡電壓；若置于“提升”，則極板電壓將在原平衡電壓的基礎(chǔ)上再增加200V的電壓，用來(lái)向上提升油滴。 選擇適當(dāng)?shù)挠偷?要作好油滴實(shí)驗(yàn)，所選的油滴體積要適中，大的油滴雖然明亮，但一般帶的電荷多，下降或提升太快，不容易測(cè)準(zhǔn)確。太小則受布朗運(yùn)動(dòng)的影響明顯，測(cè)量時(shí)漲落較大，也不容易測(cè)準(zhǔn)確。因此應(yīng)該選擇質(zhì)量適中而帶電不多的油滴。建議選擇平衡電壓在150-400V之間、下落時(shí)間在20S（當(dāng)下落距離為2mm時(shí)）左右的油滴進(jìn)行測(cè)量。平衡測(cè)量法： 開(kāi)啟電源，進(jìn)入實(shí)驗(yàn)界面將工作狀態(tài)按鍵切換至“工作”，紅色指示燈點(diǎn)亮；將平衡、提升按鍵置于“平衡”。 通過(guò)噴霧口向油滴盒內(nèi)噴入油霧，此時(shí)監(jiān)視器上將出現(xiàn)大量

10、運(yùn)動(dòng)的油滴。選取適當(dāng)?shù)挠偷?，仔?xì)調(diào)整平衡電壓，使其平衡在某一起始格線(xiàn)上（見(jiàn)后面平衡法示意圖）。 將工作狀態(tài)按鍵切換至“0V”，此時(shí)油滴開(kāi)始下落，當(dāng)油滴下落到有“0”標(biāo)記的格線(xiàn)時(shí)，立即按下定時(shí)開(kāi)始鍵，同時(shí)計(jì)時(shí)器啟動(dòng)，開(kāi)始記錄油滴的下落時(shí)間。 當(dāng)油滴下落至第七格線(xiàn)時(shí)，立即按下定時(shí)結(jié)束鍵，同時(shí)記時(shí)器停止記時(shí)（如無(wú)人為干預(yù)，經(jīng)過(guò)一小段時(shí)間后，工作狀態(tài)按鍵自動(dòng)切換至“工作”，油滴將停止移動(dòng)），此時(shí)可以通過(guò)確認(rèn)按鍵將測(cè)量結(jié)果記錄在屏幕上。 將平衡、提升按鍵置于“提升”，油滴將被向上提升，當(dāng)回到高于有“0”標(biāo)記格線(xiàn)時(shí)，將平衡、提升鍵置回平衡狀態(tài)，使其靜止。 重新調(diào)整平衡電壓，重復(fù)，并將數(shù)據(jù)記錄到屏幕上（平衡電壓V及下落時(shí)間t）。當(dāng)達(dá)到5次記錄后，按確認(rèn)鍵，界面的左面出現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 重復(fù)步，測(cè)出油滴的平均電荷量至少測(cè)10個(gè)油滴，并根據(jù)所測(cè)得的平均電荷量求出它們的最大公約數(shù)，即為基本電荷值（需要足夠的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)量）。根據(jù)e的理論值，計(jì)算出e的相對(duì)誤差。實(shí)驗(yàn)方法可選用平衡測(cè)量法（靜態(tài)法）、動(dòng)態(tài)測(cè)量法和同一油滴改變電荷法（第三種方法要用到汞燈，選做）。附錄1油的密度溫度變化表OM99 CCD微機(jī)密立根油滴選用上海產(chǎn)中華牌701型鐘表油，其密度隨溫度的變化如下表：T()010203040991986981976971氣囊噴管油氣孔噴霧出口灌油處2噴霧器使用說(shuō)明 用滴管從油瓶里吸取油，由灌油處滴入噴霧