油滴实验是近代物理学中测量基本电荷e

姓名：黄明星班级：0212401学号：021240127实验日期：2015年5月19日同组：郭铮实验题目：密立根油滴实验实验目的1.学习用油滴实验测量电子电荷的原理和方法。2.验证电荷的不连续性。3.测量电子的电荷量。4.了解CCD摄像机、光学系统的成像原理及视频信号处理技术的工程应用等。5.训练学生在实验过程中严谨的态度、实事求是的作风。实验原理密立根油滴实验测量基本电荷的基本设计思想是使带电油滴在两金属极板之间处于受力平衡状态。按运动方式分类，可分为平衡法和动态法。1.平衡法平衡测量法的出发点是使油滴在均匀电场中静止在某一位置，或在重力场中作匀速运动。当油滴在电场中平衡时，油滴在两极板间受到的电场力qE、重力m1g和浮力m2g达到平衡，从而静止在某一位置，即gmmqE)(21油滴在重力场中作匀速运动时，情形同动态测量法，将式（4）、（8）和（9）代入式（11）并注意到1/tr=0，则有323132212()11192()1fsqdbgUtpr2.元电荷的测量方法测量油滴上所带电荷量q的目的是找出电荷的最小单位e。为此可以对不同的油滴，分别测出其所带的电荷值qi，它们应近似为元电荷的整数倍。油滴电荷量的最大公约数，或油滴带电量之差的最大公约数，即为元电荷e。iiqne（in为整数）（13）也可用作图法求e值，根据式（13），e为直线方程的斜率，通过拟合直线即可求的e值。我们建议实验中选择带1-5个电子的油滴（具体的选择方法会在后面提到），若油滴所带的电子过多，则不好确定该油滴所带的电子个数。仪器介绍实验仪由主机、CCD成像系统、油滴盒、监视器和喷雾器等部件组成。其中主机包括可控高压电源、计时装置、A/D采样、视频处理等单元模块。CCD成像系统包括CCD传感器、光学成像部件等。油滴盒包括高压电极、照明装置、防风罩等部件。监视器是视频信号输出设备。仪器部件示意如图1。图1主机部件示意图1、CCD盒2、电源插座3、调焦旋钮4、Q9视频接口5、光学系统6、镜头7、观察孔8、上极板压簧9、进光孔10、光源11、确认键12、状态指示灯13、平衡/提升切换键14、0V/工作切换键15、计时开始/结束切换键16、水准泡17、电压调节旋钮18、紧定螺钉19、电源开关20、油滴管收纳盒安放环21、调平螺钉(3颗)CCD模块及光学成像系统用来捕捉暗室中油滴的像，同时将图像信息传给主机的视频处理模块。实验过程中可以通过调焦旋钮来改变物距，使油滴的像清晰地呈现在CCD传感器的窗口内。电压调节旋钮可以调整极板之间的电压大小，用来控制油滴的平衡、下落及提升。计时“开始/结束”按键用来计时、“0V/工作”按键用来切换仪器的工作状态、“平衡/提升”按键可以切换油滴平衡或提升状态、“确认”按键可以将测量数据显示在屏幕上，从而省去了每次测量完成后手工记录数据的过程，使操作者把更多的注意力集中到实验本质上来。油滴盒是一个关键部件，具体构成,如错误!未找到引用源。所示。1、喷雾口2、进油量开关3、防风罩4、上极板5、油滴室6、下极板7、油雾杯8、上极板压簧9、落油孔上、下极板之间通过胶木圆环支撑，三者之间的接触面经过机械精加工后可以将极板间的不平行度、间距误差控制在0.01mm以下；这种结构基本上消除了极板间的“势垒效应”及“边缘效应”，较好地保证了油滴室处在匀强电场之中，从而有效地减小了实验误差。胶木圆环上开有两个进光孔和一个观察孔，光源通过进光孔给油滴室提供照明，而成像系统则通过观察孔捕捉油滴的像。照明由带聚光的高亮发光二极管提供，其使用寿命长、不易损坏；油雾杯可以暂存油雾，使油雾不会过早地散逸；进油量开关可以控制落油量；防风罩可以避免外界空气流动对油滴的影响。实验内容与步骤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5次。1.调整仪器①水平调整调整实验仪主机的调平螺钉旋钮(俯视时，顺时针平台降低，逆时针平台升高)，直到水准泡正好处于中心（注：严禁旋动水准泡上的旋钮）。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左右的漂移。②喷雾器调整将少量钟表油缓慢地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。监视器：视频线缆输入端接“VIDEO”，另一Q9端接主机“视屏输出”。DC12V适配器电源线接220V/50Hz交流电压。前面板调整旋钮自左至右依次为显示开关、返回键、方向键、菜单键（建议亮度调整为20、对比度调整为100）。④实验仪联机使用a、打开实验仪电源及监视器电源，监视器出现仪器名称及研制公司界面。b、按主机上任意键：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、按确认键后出现实验界面：计时“开始/结束”键为结束、“0V/工作”键为0V、“平衡/提升”键为“平衡”。⑤、CCD成像系统调整打开进油量开关，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。2.熟悉实验界面在完成参数设置后，按确认键，监视器显示实验界面，如错误!未找到引用源。。不同的实验方法的实验界面有一定差异。极板电压：实际加到极板的电压，显示范围：0～1999V。计时时间：计时开始到结束所经历的时间，显示范围：0～99.99S。电压保存提示：将要作为结果保存的电压，每次完整的实验后显示。当保存实验结果后（即按下确认键）自动清零。显示范围同极板电压。保存结果显示：显示每次保存的实验结果，共5次，显示格式与实验方法有关。平衡法：当需要删除当前保存的实验结果时，按下确认键2秒以上，当前结果被清除(不能连续删)。下落距离：显示设置的油滴下落距离。当需要更改下落距离的时候，按住平衡、提升键2秒以上，此时距离设置栏被激活(动态法1步骤和2步骤之间不能更改)，通过+键（即平衡、提升键）修改油滴下落距离，然后按确认键确认修改。距离标志相应变化。距离标志：显示当前设置的油滴下落距离，在相应的格线上做数字标记，显示范围：0.2mm～1.8mm。垂直方向视场范围为2mm，分为10格，每格0.2mm。实验方法：显示当前的实验方法（平衡法或动态法），在参数设置界面设定。欲改变实验方法，只有重新启动仪器（关、开仪器电源）。对于平衡法，实验方法栏仅显示“平衡法”字样；对于动态法，实验方法栏除了显示“动态法”以外，还显示即将开始的动态法步骤。如将要开始动态法第一步(油滴下落)，实验方法栏显示“1动态法”。同样，做完动态法第一步骤，即将开始第二步骤时，实验方法栏显示“2动态法”。仪器生产厂家：显示生产厂家。3.正式测量实验可选用平衡法（推荐）、动态法。实验前仪器必须调水平。平衡法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将平衡电压调整为400V左右，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。选取合适的油滴，仔细调整平衡电压U，使其平衡在起始（最上面）格线上。③将“0V/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，立即按下计时开始键，同时计时器启动，开始记录油滴的下落时间t。④当油滴下落至有距离标记的格线时（例如：1.6），立即按下计时结束键，同时计时器停止计时，油滴立即静止，“0V/工作”按键自动切换至“工作”。通过“确认”按键将这次测量的“平衡电压和匀速下落时间”结果同时记录在监视器屏幕上。⑤将“平衡/提升”按键置于“提升”，油滴将向上运动，当回到高于有“0”标记格线时，将“平衡/提升”键切换至平衡状态，油滴停止上升，重新调整平衡电压。（注意：如果此处的平衡电压发生了突变，则该油滴得到或失去了电子。这次测量不能作数，从步骤②开始重新找油滴。）⑥重复③④⑤，并将数据（平衡电压V及下落时间t）记录到屏幕上。当5次测量完成后，按“确认”键，系统将计算5次测量的平均平衡电压U和平均匀速下落时间t，并根据这两个参数自动计算并显示出油滴的电荷量q。重复②③④⑤⑥步，共找5颗油滴，并测量每颗油滴的电荷量iq。数据处理计算法：至少测量5颗油滴，记录每颗油滴的电荷量iq，再iqe理论，对商四舍五入取后得到每颗油滴所带电子个数in；再iiiq=en得到每次测量的基本电荷，再求出n次测量的e，与理论值比较求百分误差及不确定度。作图法：得到iq和对应的in后，以q为纵坐标，n为横坐标作图，拟合得到的直线斜率即为基本电荷e测量，与理论值比较求百分误差及不确定度。注意事项1、CCD盒、紧定螺钉、摄像镜头的机械位置不能变更，否则会对像距及成像角度造成影响。（见图1-3）2、仪器使用环境：温度为（0-40℃）的静态空气中。3、注意调整进油量开关（见图1-4），应避免外界空气流动对油滴测量造成影响。4、仪器内有高压，实验人员避免用手接触电极。5、实验前应对仪器油滴盒内部进行清洁，防止异物堵塞落油孔。6、注意仪器的防尘保护。实验次数12345