大学物理实验教材

大学物理实验1实验一密立根油滴实验由美国物理学家密立根（R·A·Millikan）设计并完成的密立根油滴实验，在近代物理学史上起着十分重要的作用。实验的结论证明了任何带电物体所带的电荷都是某一最小电荷——基本电荷的整数倍；明确了电荷的不连续性；并精确地测定了这一基本电荷的数值即e=(1.602±0.002)×1019C。实验构思巧妙，方法简便，结论准确，因此现在我们重演这个实验仍具有一定的启发性。【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，掌握密立根油滴实验的原理。2．学习和掌握用平衡法测量电子电量。3．测定电子的电荷量e，并验证电荷的不连续性。【实验器材】(一)油滴盒：是本仪器很重要部分，机械加工要求较高。其结构见图1。油滴盒防风罩前装有测量显微镜，通过绝缘环上的观察孔观察平行极板间的油滴。图1油滴盒结构图（二）仪器面板结构如图2所示图2仪器面板结构图大学物理实验21．CCD：将光信号转换成电子图像信号，与成像显微镜及显示器组成电子成像系统。2．电源开关按钮：打开按钮，电源接通，整机开始工作。3．视频输出插座：将CCD成像系统的信号输出至显示器。显示器阻抗选择开关拨至75Ω处。4．功能切换开关：有平衡、升降、测量三档。（1）当处于中间位置即“平衡”档时，可用电压调节旋钮来调节平衡电压大小，使被测油滴处于平衡状态。调节平衡电压范围为DC0～450V。（2）当处于“升降”档时，上下电极在平衡电压的基础上自动增加提升电压，油滴将失去原先的平衡状态（上升或者下降）。升降电压大小用电压调节旋钮来调节。调节范围为DC300～700V。（3）当处于“测量”档时，极板间电压为0V，被测量油滴在被测量阶段因受重力影响而匀速下落，并同时开始计时；油滴下落到预定距离时，迅速拨到平衡档，同时停止计时。5．电压调节旋钮：置于不同的档位可调节不同的电压，调节范围为DC0～700V6．视频输入座：CCD视频输出和CCD电源共用座。7．秒表记时键：按一下该键，清除秒表内存同时开始计时，再按一下该键，计时器将停止计时，秒表显示当前计时时间。8．水平仪：调节仪器机箱底部三只调平螺栓，使水泡处于中间位置，此时平行板处于水平位置。9．成像显微镜：显示油滴成像，与CCD成像系统及显示器配套使用组成电子成像系统。10．油室：由上、下电极组成一个平行极板的电容器，加上电压时，极板间形成相对均匀电场，可使带电油滴在电场中处于平衡状态。11．照明灯室：内置永久性照明LED，单灯使用寿命大于三年。12．计时器：用来测量油滴下降预定距离间的时间，精确到0.1S。13．三位半数字电压表：显示上下电极板之间的实际电压。【实验原理】用油滴法测量电子的电荷，可以用静态（平衡）测量法或动态（非平衡）测量法。这里采用平衡法测量，下面简要介绍其原理：静态(平衡)测量法：用喷雾器将油喷入两块相距为d的水平放置的平行极板之间。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，所带的电荷为q，两极板间的电压为V，则油滴在平行极板间将同时受到重力mg和静电力qE的作用。如图3所示。如果调节两极板间的电压V，可使该两力达到平衡，这时：（1）从上式可见，为了测出油滴所带的电量q，除了需测定V和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gv后，阻力rf与重力mg平衡，如图4所示(空气浮力忽略不计)，油滴将匀速下降。根据斯托克斯定律，油滴匀速下降时：（2）上式中η是空气的粘滞系数，α是油滴的半径（由于表面张力的原因，油滴总是呈小球状）。设油的密度为ρ，油滴的质量m，可以用下式表示：dVqqEmgmgvfgr6图4图3大学物理实验3（3）由(2)式和(3)式，得到油滴的半径:（4）对于半径小到10-6米的小球，空气的粘滞系数η应作如下修正:这时斯托克斯定律应改为:式中b为修正常数，b=6.17×10-6米每厘米汞高，p为大气压强，单位用厘米汞高。得:（5）上式根号中还包含油滴的半径α，但因它处于修正项中，不需十分精确，因此可用(4)式计算。将(5)式代入(3)式，得:（6）至于油滴匀速下降的速度gv，可用下面方法测出：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gt,则:（7）将(7)式代入(6)式，(6)式代入(1)式，得：（8）上式是用平衡测量法测定油滴所带电荷的理论公式。【实验内容】这里重点介绍平衡法测量步骤，非平衡法测量步骤与此大同小异。1．调整仪器：将仪器放平稳，调节仪器机箱底部左右两只调平螺丝，使水准泡指示水平，这时平行极板处于水平位置。先预热10分钟，利用预热时间，调节监视器，使分划板刻线清晰。将油从油雾室旁的喷雾口喷入（喷一、两次即可），微调测量显微镜的调焦手轮。这时视场中出现大量清晰的油滴，如夜空繁星。如果视场太暗，油滴不够明亮，可略微调节监视器面板上的微调旋钮。注意：调整仪器时，如果打开有机玻璃油雾室，必须先将功能切换开关切换至“测量”位置。2．练习测量：练习控制油滴：用平衡法实验时，在平行极板上加工作（平衡）电压300伏特左右，喷雾器喷入油滴，电场力会自动驱走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动时为止。注视其中的某一颗，仔细调节平衡电压，使这颗油滴静止不动。然后去掉平衡电压，让它匀速下降，下降一段距离后再加上平衡电压和升降电压，使油滴上升。如此反复多次地进行练习，以掌握控制油滴的方法。gvg29pb1'pbvfgr16334mpbgvg112923112934pbgvmgggtlvVdpbtlgqg231218大学物理实验4练习测量油滴运动的时间：任意选择几颗运动速度快慢不同的油滴，测出它们下降一段距离所需要的时间。或者加上一定的电压，测出它们上升一段距离所需要的时间。如此反复多练几次，以掌握测量油滴运动时间的方法。练习选择油滴：要做好本实验，很重要的一点是选择合适的油滴。选的油滴体积不能太大，太大的油滴虽然比较亮，但一般带的电荷比较多，下降速度也比较快，时间不容易测准确。油滴也不能选得太小，太小则布朗运动明显。通常可以选择平衡电压在200伏特以上，在20～30秒时间内匀速下降2mm的油滴，其大小和带电量都比较合适。3．正式测量：（1）平衡测量法：从（8）式可见，用平衡测量法实验时要测量的有两个量。一个是平衡电压V，另一个是油滴匀速下降一段距离l所需要的时间gt。测量平衡电压必须经过仔细的调节，并将油滴置于分划板上某条横线附近，以便准确判断出这颗油滴是否平衡了。测量油滴匀速下降一段距离l所需要的时间gt时，为了在按动计时器时有所思想准备，应选让它下降一段距离后再测量时间。选定测量的一段距离l，应该在平行极板之间的中央部分，即视场中分划板的中央部分。若太靠近上电极板，小孔附近有气流，电场也不均匀，会影响测量结果。太靠近下电极板，测量完时间gt后，油滴容易丢失，影响测量。一般取l=0.200厘米比较合适。对同一颗油滴应进行6～lO次测量，测量结束后可直接将功能切换开关切换至“升降”档，油滴便可升至原始位置。如果实验中油滴逐渐变得模糊，要微调测量显微镜跟踪油滴，勿使油滴丢失。用同样方法分别为4～5颗油滴进行测量，求得电子电荷e。（2）动态（非平衡）测量法：具体方法学生可根据实验原理，自拟。【实验步骤】1．打开电源，整机开始预热，预热不少于10分钟，显示器阻抗选择开关拨至75Ω处。2．调节仪器机箱底部左右两个调节螺栓，使水平仪指示水平（水泡处于中间位置）。3．检查计时器是否损坏：按记时键，使计时秒表计时开始；再按一次计时健，使计时秒表停止计时，计时秒表则会显示当前的计时时间。4．把功能切换开关拨到“平衡”档，调节电压在250V左右，从油雾室小孔喷入油滴（喷一、两下即可），油滴从上电极板中间直径0.4mm孔落入电场中，关闭油雾室。5.驱走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动的为止，选择其中一颗，仔细调节平衡电压，使油滴静止不动，处于平衡状态。6．功能切换开关拨到“测量”档，油滴匀速下降，同时计时，下落距离为2mm，即显示器屏幕上纵向四个格子，每个格子显示0.5mm，油滴匀速落到最后一格时，将功能切换开关迅速拨到“平衡”档，同时秒表停止计时，此时完成一颗油滴的测量阶段。7．为重复测量油滴，要将油滴返回到原测量位置，将功能键打到“升降”档，调节适当电压，此时油滴可快速上升到原始位置，恢复到“平衡”档，可转入下一次测量。8．如此反复测量，并记录实验数据，可由以下提供的公式计算出油滴的带电量，油滴的半径和油滴的质量。【实验报告】1．数据处理：（1）将U和gt代入公式q=，计算出各油滴所带电量q。Udpbtlgg231218大学物理实验5（2）用各个所得的电荷去除标准电子电荷e0并取整，n=0eq，然后计算ei=nq,最后求出kiieke11，并求出相对误差E=00||eee×100%。２．平衡测量法参考公式：根据公式式中油滴的半径ggtl29油的密度3mkg981重力加速度2secm80.9g空气粘滞系数115secmkg1083.1油滴匀速下降距离m1000.23l修正常数)Hg(cmm1017.66b大气压强P=76.0cm（Hg）平行极板间距离dm1000.53将以上数据代入公式得：油滴带电量U1)t02.01(t1043.1q23gg14库仑油滴半径21gg6t02.01(t1015.4米油滴质量千克【注意事项】1．实验中注意事项：（1）实验前应检查油滴仪是否水平，如果不水平可能造成落油孔被堵。（2）在实验中，要注意跟踪、控制油滴，以免丢失。（3）合理选择油滴的大小，适当调节CCD摄像头与观察孔的距离。（4）为使平衡电压测值准确，应适当延长观察平衡状态时间。（5）不断校准工作电压，若发现平衡电压有明显改变，则应放弃，重新选择油滴。（6）若落油孔已被堵塞，将上极板取下，用纸和气球将落油孔内油擦、吹去多的油即可。（7）水平仪是用来调整油滴盒电极板水平的，水平仪在出厂前已经作过调整，因此切勿将其取下兼作它用。也勿任意旋动，否则油滴盒电极板不能调到水平，油滴就会产生漂移，甚至移出视场。2．安全注意事项：油滴仪在通上电或者做实验的情况下，切记不要将防风罩取下，此时，上、下电极板之间有DC0～750V的高压。不小心，则会发生触电的危险。3331009.434mUdpbtlgqg231218大学物理实验6【思考题】1．长时间地监测一颗油滴，由于挥发使油滴质量不断减少，它将影响哪些量的测量？是否会影响实验？2．为什么在实验过程中会出现油滴漂移现象？大学物理实验7实验二A型超声波诊断仪的基本原理及其应用【实验目的】1．熟悉A型超声波诊断仪的基本原理。2．掌握A型超声波诊断仪的测距原理。3．学会用A型超声波诊断仪测量介质的声阻抗4．加深理解超声波和超声波传播的特性。【实验器材】A型超声波诊断仪、有机玻璃水槽、有机玻璃挡板、有机玻璃测试块、米尺、游标卡尺、耦合剂、墨水。【实验原理】超声波是频率在20KHZ以上的机械波，具有频率高、波长短，能量集中、方向性强、贯穿本领大、对人体无伤害等特点。它可以在不同媒质介面上产生反射和折射（超声波诊断仪就是根据这一原理制成的）。强度为Ｉi的超声波入射至声阻抗不同的界面时，有一部分被反射，有一部分被透射。反射波的强度Ｉr与入射波的强度Ｉi之比称为反射系数rI。当声波垂直入射时212212rI)()(ZZZZIIri(1)Z1、Z2分别为入射媒质和反射媒质的声阻抗，两媒质的声阻抗差越大，反射越强。反之，反射越弱。1．A超的基本原理超声诊断仪是利用脉