研究性物理实验报告--密立根油滴实验

1基础物理实验研究性报告密立根油滴实验2015年5月23日摘要：密立根油滴实验，美国物理学家密立根（Millike）所做的测定电子电荷的实验。1907-1913年密立根花7年时间，在电场和重力场中运动的带电油滴进行实验，发现所有油滴所带的电量均是某一最小电荷的整数倍，该最小电荷值就是电子电荷。此实验在近代物理学发展过程中具有重要意义，密立根也因此于1923年获得了诺贝尔物理学奖。关键词：带电油滴、不连续性、修正常数、动态平衡法则1.实验重点①通过对带电油滴在重力场和静电场中运动的测量，验证电荷的不连续实验专题密立根油滴实验第一作者学号第二作者学号院系名称交通科学与工程学院2性，并测定基本电荷值②通过对仪器的调整、油滴的选定、跟踪和测量以及数据的处理，培养学生严谨的科学态度和实验方法2．预习要点①对实验结果造成影响的主要因素有哪些？②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？③CCD成像系统观测油滴比直接从显微镜中观测有何优点？仪器介绍实验仪器：油滴盒、CCD电视显微镜、电路箱、监视器。1．油滴盒油滴盒是用精加工的平板垫在胶木园环上，在上电极板中心有一个0.4mm的油雾落入孔，在胶木园环上开有显微镜观察孔和照明孔。在油滴盒外套上有防风罩，罩上放置一个可取下的油雾杯，杯底中心有一个落油孔及一个档片，用8上盖板9喷雾口10油雾孔11上电极压簧12油滴盒基座1油雾杯2油雾孔开关3防风罩4上电极5油滴盒6下电极7座架图33来开关落油孔。在上电极板上方有一个可以左右拨动的压簧，注意，只有将压簧拨向最边位置，方可取出上极板！为的是保证压簧与电极始终接触良好。2．电路箱电路箱体内装有高压产生、测量显示等电路。底部装有三只调平手轮，面板结构见图4。由测量显示电路产生的电子分划板刻度，与CCD摄像头的行扫描严格同步，相当于刻度线是做在CCD器件上的，所以，尽管监视器有大小，或监视器本身有非线性失真，但刻度值是不会变的。实验内容1准备工作①将OM99面板上最左边带有Q9插头的电缆线接至监视器后背下部的插座上，然后接上电源即可开始工作。注意，一定要插紧，保证接触良好，否则图象紊乱或只有一些长条纹。1.电源线2.指示灯5.调平水泡3.电源开关4.视频电缆6.显微镜-0V计时/停平衡电压+提升平衡7.上电极压簧8.K19.K210.联动11.K312.W图4联动4②调节仪器底座上的三只调平手轮，将水泡调平。由于底座空间较小,调手轮时应将手心向上，用中指和无名指夹住手轮调节较为方便。③照明光路不需调整。CCD显微镜对焦也不需用调焦针插在平行电极孔中来调节，只需将显微镜筒前端和底座前端对齐，然后喷油后再稍稍前后微调即可。在使用中，前后调焦范围不要过大，取前后调焦1mm内的油滴较好。2．开机使用①打开监视器和OM99油滴仪的电源，5秒后自动进入测量状态，显示出标准分划板刻度线及v值、s值。开机后如想直接进入测量状态，按一下“计时／停”按扭即可。如开机后屏幕上的字很乱或字重叠，先关掉油滴仪的电源，过一会再开机即可。②面板上K1用来选择平行电极上极板的极性，实验中置于＋位或－位置均可，一般不常变动。使用最频繁的是K2和Ｗ及“计时／停”（K3）。③监视器门前有一小盒，压一下小盒盒盖就可打开，内有４个调节旋钮。对比度一般置于较大（顺时针旋到底或稍退回一些），亮度不要太亮。如发现刻度线上下抖动，这是“帧抖”，微调左边起第二只旋钮即可解决。3．正式测量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10个不同的油滴，每个油滴的测量次数应在5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。5②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实验仪联机使用打开实验仪电源及监视器电源，监视器出现欢迎界面a.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。b.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”。⑤CCD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“0V”，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的格线时，立即按下定时结束键，同时记时6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当油滴下落至第七格线时，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”7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10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。实验方法可选用平衡测量法（静态法）、动态测量法和同一油滴改变电荷法（第三种方法要用到汞灯，选做）。附录1．油的密度温度变化表OM99CCD微机密立根油滴选用上海产中华牌701型钟表油，其密度随温度的变化如下表：T(℃)010203040kgm399198698197697182．喷雾器使用说明①用滴管从油瓶里吸取油，由灌油处滴入喷雾器里，不要太多，油的液面2-3毫米高已足够，千万不可高于喷管上口；②喷雾器的喷雾出口比较脆弱，一般将其置于油滴仪的油雾杯圆孔外1-2毫米即可，不必伸入油雾杯内喷油；③如果喷雾器里还有剩余的油，不用时请将喷雾器立置（例如放在杯子里），否则油会泄漏至实验台上④每学期结束后，将喷雾器里剩余的油倒出，空捏几次，以清空喷雾器；气囊喷管油气孔喷雾出口灌油处