密立根油滴仪测量电子电量

1. 密立根油滴仪测量电子电量 理学院　物理实验中心　安莉

2. 实验背景 密立根美国实验物理学家 1923年诺贝尔物理学奖获得者。 1887—1893年 奥柏森大学 学士及硕士学位 1895年 哥伦比亚大学　 　博士学位 1907年开始，将近1万次实验，直到1913年精确测量出基本电荷，验证了电荷的量子化。 认真求实、严谨细致、富有创造力 《密立根油滴》　物理实验中心　安莉

3. 实验目的 学习密立根油滴实验的设计思想。 １ 通过对带电油滴q的测量，证明电荷的不连续性，并验证性的测量基本电荷的大小。 ２ 通过实验仪器的调整，油滴的选择、跟踪、测量及数据处理等，培养学生严谨的科学实验态度。 ３ 《密立根油滴》　物理实验中心　安莉

4. 实验原理 静态平衡测量法 1．外加电场油滴的受力分析（空气浮力忽略不计） 设油滴质量为m，所带电量为q，两极间电压为V，间距为d。调整电压大小，使油滴所受电场力与重力相等，油滴为静止状态 （1）式 2．重力场油滴的受力分析 去掉所有电压时，油滴受重力与空气粘滞阻力的作用，由自由落体直至匀速运动，阻力服从斯托克斯定律。平衡时有： （2）式 图1 油滴受力分析 式中 ŋ是空气粘滞系数，r是油滴半径，v是油滴匀速下落速度。 《密立根油滴》　物理实验中心　安莉

5. 实验原理 静态平衡测量法 油滴半径＜10-6 m，要考虑空气的粘滞系数ŋ的修正； 并且匀速下降的速度 v 等于匀速下降的距离 l 与时间 t 的比值 ， 联立（1）、（2）两式，最后得到： 空气粘滞系数ŋ = 1.83×10-5 kg/m·s，油滴密度ρ= 981 kg/m3，g=9.80m/s2，修正系数ｂ = 0.00822 m·Pa，大气压强ｐ = 1.013×105 Pa，极板间距d=5.00×10-3 m，匀速下降距离 l = 1mm 《密立根油滴》　物理实验中心　安莉

6. 实验原理 • 密里根油滴实验的物理思想及特点： １ 用带电油滴代替带电水滴，可实现重复测量，实验成功的基础 ２ 将对微观量电量q的测量转化为宏观量下落时间、平衡电压的测量 ３ 利用经典物理学（力学、电学）的方法巧妙的得到了量子化的结果 ４ 实验仪器简单巧妙 《密立根油滴》　物理实验中心　安莉

7. 实验仪器 OM99密立根油滴仪，钟表油，喷雾器，CCD显示器 油滴仪由油雾室、油滴盒、电视显微镜、电路箱、监视器等组成。如图2所示。 图2 密立根油滴实验总体装置 《密立根油滴》　物理实验中心　安莉

8. 实验内容与步骤 一、仪器的连接与调整(图3)： 预热——调水平——选极性——预设电压——喷油滴 二、测量练习 1. 练习控制油滴 2. 练习测量油滴运动的时间 3. 练习选择油滴 《密立根油滴》　物理实验中心　安莉

9. 实验内容与步骤 图3 密里根油滴仪及实验现象示意图 《密立根油滴》　物理实验中心　安莉

10. 实验内容与步骤 原创flash动画演示控制油滴过程 提升 平衡 0V 《密立根油滴》　物理实验中心　安莉

11. 实验内容与步骤 • 三、注意事项与实验技巧 • 测量的距离 l 取分划板中央 4个小格 比较合适 • 喷油雾要适量，若大颗油滴堵塞落油孔，调整仪器时，必须断电操作 • 合适油滴应满足的条件 • 　　① 在显微镜成像清晰的前提下，监视器上的 直径为0.5~1.5mm • ② 带电量小，将K2置于“提升”时，上升速度较慢或不上升 • ③平衡电压在 200~300 V，下落1 mm时间在 10~20 s左右 • 仔细观察油滴是否平衡，每次测量都要重新微调平衡电压。 《密立根油滴》　物理实验中心　安莉

12. 实验内容与步骤 四、用平衡法正式测量 本实验测量值：平衡电压V平，油滴匀速下降 l =1 mm所需要的时间t。 控制油滴的方法同练习相同，油滴平衡后，用“提升”档使油滴上升到视野 的上方，将K2拨向“0 V”档，油滴开始匀速下降，当油滴下落到第3条横线 时，开始计时；当油滴到“终点”（倒数第3条横线）时迅速停止计时，并迅 速将K2拨至“平衡”，油滴立即停止，然后利用提升电压使油滴重新上升并 重复测量。 要求：选取5个合适油滴（200 V~300 V，10 s~20 s）， 每个油滴重复测量6次。 《密立根油滴》　物理实验中心　安莉

13. 实验数据与处理 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，我们应该测量上百甚至上千个油滴的电量 q，然后求最大公约数。这个最大公约数就是基本电荷－电子的电荷值。但是由于求解最大公约数计算量很大，在实验室求解困难，实验偏重于验证性，所以对于初学者可以用“倒过来证明”的办法进行数据处理。数据表格由同学自行设计。 《密立根油滴》　物理实验中心　安莉

14. 思考与讨论 • 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？ • 推导计算出 K 及 K´？ • 分析参考课本与其他教材，讨论动态法与静态法的区别？ • 实验中测量油滴匀速运动的时间 t 时，如何保证油滴做匀速运动？ 拓展实验 收集全班、全院、全校的实验数据，编写程序，求电量 q 的最大公约数，从而得到 e 值。 《密立根油滴》　物理实验中心　安莉

15. 教案设计构思 在本教案的设计构思中，考虑到单纯使用板书具有局限性，因此以多媒体课件与板书相结合的方式进行课堂实验教学。 多媒体课件使全班同学都能比较详细、全面观察到教师的具体操作过程，克服了实验环境、器材本身的局限性。本实验的重难点在于抓捕和控制油滴，原创性的flash动画可让学生在电脑上预先反复演练，然后进行实际操作，大大提高了学生的学习兴趣。教学实践表明：多媒体教学可以在学生的较低的认知能力、动手能力和较高的实验要求之间搭建一个逐级而上的通道。 板书是多媒体课件的指导，能够突出实验中的重点和难点，只有将两者有机结合，才能取得较好的教学效果。 《密立根油滴》　物理实验中心　安莉

16. 谢谢！ 《密立根油滴》　物理实验中心　安莉