嘉应学院物理系大学物理
学生实验报告
实验项目:
实验地点:
班 级:
姓 名:
座 号:
实验时间: 年 月 日
物理与光信息科技学院编制
实验预习部分
一、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,验证电荷的不连续性,并测定电荷的电荷值e。
2. 通过实验过程中,对仪器的调整、油滴的选择、耐心地跟踪和测量以及数据的处理等,培养学生严肃认真和一丝不苟的科学实验方法和态度。
3.学习和理解密立根利用宏观量测量微观量的巧妙设想和构思。
二、实验仪器设备:
根据实验原理,实验仪器——密立根油滴仪,应包括水平放置的平行极板(油滴盒),调平装置,照明装置,显微镜,电源,计时器(数字毫秒计),改变油滴带电量从q变到q′的装置,实验油,喷雾器等。
三、实验原理:
1. 静态(平衡)测量法
用喷雾器将油滴喷入两块相距为d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,所带的电量为q,两极板间的电压为V ,如图 1 所示。如果调节两极板间的电压V ,可使两力达到平衡,这时:
(1)
为了测出油滴所带的电量q,除了需测定平衡电压V 和极板间距离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后,阻力与重力mg平衡,如图 2 所示(空气浮力忽略不计),油滴将匀速下降。此时有:
(2)
其中是空气的粘滞系数,是油滴的半径。经过变换及修正,可得斯托克斯定律:
(3)
其中b是修正常数, b=6.17×10-6m·cmHg,p为大气压强,单位为厘米汞高。
至于油滴匀速下降的速度,可用下法测出:当两极板间的电压V为零时,设油滴匀速下降的距离为,时间为t ,则
(4)
最后得到理论公式:
(5)
2. 动态(非平衡)测量法
非平衡测量法则是在平行极板上加以适当的电压V ,但并不调节V 使静电力和重力达到平衡,而是使油滴受静电力作用加速上升。由于空气阻力的作用,上升一段距离达到某一速度υ 后,空气阻力、重力与静电力达到平衡(空气浮力忽略不计),油滴将匀速上升,如图 3 所示。这时:
(6)
当去掉平行极板上所加的电压V 后,油滴受重力作用而加速下降。当空气阻力和重力平衡时,油滴将以匀速υ 下降,这时:
(7)
化简,并把平衡法中油滴的质量代入,得理论公式:
(8)
实验预习部分
四、实验步骤:
1.调整仪器
将仪器放平稳,调节仪器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。预热 10分钟,利用预热时间从测量显微镜中观察,如果分划板位置不正,则转动目镜头,将分划板放正,目镜头要插到底。调节接目镜,使分划板刻线清晰。
将油从油雾室旁的喷雾口喷入(喷一次即可),微调测量显微镜的调焦手轮,这时视场中即出现大量清晰的油滴,如夜空繁星。
对 MOD-5C型与 CCD一体化的屏显油滴仪,则从监视器荧光屏上观察油滴的运动。如油滴斜向运动,则可转动显微镜上的圆形 CCD,使油滴垂直方向运动。
2.练习测量
(1)练习控制油滴 如果用平衡法实验喷入油滴后,加工作(平衡)电压 250 伏特左右,工作电压选择开关置“平衡”档,驱走不需要的油滴,直到剩下几颗缓慢运动的为止。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,让它自由下降,下降一段距离后再加上“提升”电压,使油滴上升。如此反复多次地进行练习。
(2)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,用计时器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。
(3)练习选择油滴 选的油滴体积不能太大,太大的油滴虽然比较亮,但一般带的电量比较多,下降速度也比较快,时间不容易测准确。若油滴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10s左右时间内匀速下降 2mm的油滴,其大小和带电量都比较合适。
(4)练习改变油滴的带电量 对 MOD-5B、5BC、5BCC 型密立根油滴仪,可以改变油滴的带电量。按下汞灯按钮,低压汞灯亮,约 5s,油滴的运动速度发生改变,这时油滴的带电量已经改变了。
3.正是测量
(1)静态(平衡)测量法 用平衡测量法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所需要的时间 tg 。仔细调节“平衡电压”旋钮,使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。
当油滴处于平衡位置,选定测量的一段距离(一般取l=0.200cm 比较合适),然后把开关拨向“下降”,使油滴自由下落。
测量油滴匀速下降经过选定测量距离所需要的时间te ,为了在按动计时器时有思想准备,应先让它下降一段距离后再测量时间。
测量完一次后,应把开关拨向“平衡”,做好记录后,再拨向“提升”,加大电场使油滴回到原来高度,为下次测量做好准备。
对同一颗油滴应进行 3~5 次测量,而且每次测量都要重新调整平衡电压。用同样的的方法对多颗油滴进行测量。
(2)动态(非平衡)测量法 用动态测量法实验时要测量的量有三个:上升电压、油滴匀速下降和上升一段距离所需的时间 tg、te。
选定测量的一段距离(一般取l=0.200cm 比较合适),应该在平衡极板之间的中央部分,然后把开关拨向“下降”,使油滴自由下落。
测量油滴匀速下降经过选定测量距离所需要的时间tg,为了在按动计时器时有思想准备,应先让它下降一段距离后再测量时间。
测完 tg 把开关拨向“平衡”,做好记录后,再拨向“提升”,使油滴匀速上升经过原选定的测量距离,测出所需时间 te 。同样也应先让它上升一段距离后再测量时间。
测完 te做好记录,并为下次测量做好准备。
教师签名:
实验及数据处理部分
五、实验数据记录
实验及数据处理部分
六、实验数据处理
实验及数据处理部分
七、实验结论与分析及思考题解答
1、对实验进行总结,写出结论:
2、思考题解答:
密立根油滴实验——电子电荷的测量
【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,验证电荷的不连续性,并测定电荷的电荷值e。
2. 通过实验过程中,对仪器的调整、油滴的选择、耐心地跟踪和测量以及数据的处理等,培养学生严肃认真和一丝不苟的科学实验方法和态度。
3. 学习和理解密立根利用宏观量测量微观量的巧妙设想和构思。
【实验原理】
1. 静态(平衡)测量法
用喷雾器将油滴喷入两块相距为d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,所带的电量为q,两极板间的电压为V ,如图 1 所示。如果调节两极板间的电压V ,可使两力达到平衡,这时:
(1)
为了测出油滴所带的电量q,除了需测定平衡电压V 和极板间距离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后,阻力与重力mg平衡,如图 2 所示(空气浮力忽略不计),油滴将匀速下降。此时有:
(2)
其中是空气的粘滞系数,是油滴的半径。经过变换及修正,可得斯托克斯定律:
(3)
其中b是修正常数, b=6.17×10-6m·cmHg,p为大气压强,单位为厘米汞高。
至于油滴匀速下降的速度,可用下法测出:当两极板间的电压V为零时,设油滴匀速下降的距离为,时间为t ,则
(4)
最后得到理论公式:
(5)
2. 动态(非平衡)测量法
非平衡测量法则是在平行极板上加以适当的电压V ,但并不调节V 使静电力和重力达到平衡,而是使油滴受静电力作用加速上升。由于空气阻力的作用,上升一段距离达到某一速度υ 后,空气阻力、重力与静电力达到平衡(空气浮力忽略不计),油滴将匀速上升,如图 3 所示。这时:
(6)
当去掉平行极板上所加的电压V 后,油滴受重力作用而加速下降。当空气阻力和重力平衡时,油滴将以匀速υ 下降,这时:
(7)
化简,并把平衡法中油滴的质量代入,得理论公式:
(8)
【实验仪器】
根据实验原理,实验仪器——密立根油滴仪,应包括水平放置的平行极板(油滴盒),调平装置,照明装置,显微镜,电源,计时器(数字毫秒计),改变油滴带电量从q变到q′的装置,实验油,喷雾器等。
MOD-5 型密立根油滴仪的基本外形和具体结构示于图 4。
【实验内容】
1.调整仪器
将仪器放平稳,调节仪器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。预热 10分钟,利用预热时间从测量显微镜中观察,如果分划板位置不正,则转动目镜头,将分划板放正,目镜头要插到底。调节接目镜,使分划板刻线清晰。
将油从油雾室旁的喷雾口喷入(喷一次即可),微调测量显微镜的调焦手轮,这时视场中即出现大量清晰的油滴,如夜空繁星。
对 MOD-5C型与 CCD一体化的屏显油滴仪,则从监视器荧光屏上观察油滴的运动。如油滴斜向运动,则可转动显微镜上的圆形 CCD,使油滴垂直方向运动。
2.练习测量
(1)练习控制油滴 如果用平衡法实验喷入油滴后,加工作(平衡)电压 250 伏特左右,工作电压选择开关置“平衡”档,驱走不需要的油滴,直到剩下几颗缓慢运动的为止。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,让它自由下降,下降一段距离后再加上“提升”电压,使油滴上升。如此反复多次地进行练习。
(2)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,用计时器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。
(3)练习选择油滴 选的油滴体积不能太大,太大的油滴虽然比较亮,但一般带的电量比较多,下降速度也比较快,时间不容易测准确。若油滴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10s左右时间内匀速下降 2mm的油滴,其大小和带电量都比较合适。
(4)练习改变油滴的带电量 对 MOD-5B、5BC、5BCC 型密立根油滴仪,可以改变油滴的带电量。按下汞灯按钮,低压汞灯亮,约 5s,油滴的运动速度发生改变,这时油滴的带电量已经改变了。
3.正是测量
(1)静态(平衡)测量法 用平衡测量法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所需要的时间 tg 。仔细调节“平衡电压”旋钮,使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。
当油滴处于平衡位置,选定测量的一段距离(一般取l=0.200cm 比较合适),然后把开关拨向“下降”,使油滴自由下落。
测量油滴匀速下降经过选定测量距离所需要的时间te ,为了在按动计时器时有思想准备,应先让它下降一段距离后再测量时间。
测量完一次后,应把开关拨向“平衡”,做好记录后,再拨向“提升”,加大电场使油滴回到原来高度,为下次测量做好准备。
对同一颗油滴应进行 3~5 次测量,而且每次测量都要重新调整平衡电压。用同样的的方法对多颗油滴进行测量。
(2)动态(非平衡)测量法 用动态测量法实验时要测量的量有三个:上升电压、油滴匀速下降和上升一段距离所需的时间 tg、te。
选定测量的一段距离(一般取l=0.200cm 比较合适),应该在平衡极板之间的中央部分,然后把开关拨向“下降”,使油滴自由下落。
测量油滴匀速下降经过选定测量距离所需要的时间tg,为了在按动计时器时有思想准备,应先让它下降一段距离后再测量时间。
测完 tg 把开关拨向“平衡”,做好记录后,再拨向“提升”,使油滴匀速上升经过原选定的测量距离,测出所需时间 te 。同样也应先让它上升一段距离后再测量时间。
测完 te做好记录,并为下次测量做好准备。
【数据处理】
(1) 静态(平衡)测量法 根据式:
(5)
其中:
ρ为油的密度 可根据油瓶上给出的参数修正
g 为重力加速度 g = 9.78858 m·s-2
η空气粘滞系数 η =1.83×10-5 kg·m-1·s -1
l 为油滴匀速下降的距离 l = 2.00×10 -3m
b 为修正常数 b =6.17×10 -6m·cm(Hg)
p 为大气压强 p由室内气压计读取
d 为平行极板间距离 d =5.00×10-3 m
本实验中我们用“倒过来验证”的办法进行数据处理。即用公认的电子电荷值e =1.60×10 -19C 去除实验测得的电量q。得到一个接近于某一个整数的数值,这个整数就是油滴所带的基本电荷的数目n。再用这个n去除实验测得的电量,即得电子的电荷值e。
油滴实验也可用作图法处理数据,即以纵坐标表示电量q,横坐标表示所选用的油滴的所带电子数,然后作图。
倒过来验证法:
表一
其中t= i为四舍五入后的值 q的计算公式为:
其中:
用到的参数前八组数据p=1.0112×105pa 温度T=25.0
后八组数据p=1.0190×103pa 温度T=22.4 油滴密度ρ由下表:
表二
线性拟合得前八组ρ=978.5kg/m3,后八组ρ=977.3kg/m3
最后算得e==1.62×10-19C
0.04
所以e=(1.620.04)×10-19C
(2)动态(非平衡)测量法
同样用“倒过来验证”的办法:
表三
其中i为四舍五入后的值,q的计算公式为:
用到的参数和静态法一样,最后算得1.59×10-19C
=0.04
所以e=(1.590.04)×10-19C
【思考题】
1.本实验的巧妙构思在哪里?
答:本实验利用油被撕裂成油滴后带有少量的电荷,几乎只有几个到几十个电子的电量。通过电压和重力的作用测出油滴的带电量,从而可以验证电荷的不连续性,并可以测出电子的电量。还有就是将电量这种小量的测量转换成测电压和时间等大量。
2.实验中如何保证油滴做匀速运动:
答:先让油滴运动一段时间后才开始计时,大概0.05cm左右。
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