大学物理实验实验27 密立根油滴实验

根据修正后的粘滞阻力公式，得油滴半径为：
9 1 2g 1 b p
上式根号中还包含油滴的半径 ，由于它处在修
正项中，故不需十分精确，因此用
9 2 g
代入计算即可。油滴下落的速度可v以在不带电场
的情况下，测量匀速下落的距离L与时间t，用公
式
v
l 求出。 t
3、油滴的质 量为：
f = 6v = (4/3)3g
两式得油滴半径的大小为： 9
2 g
对于半径小到 10-6m 的小球，空气的粘滞系数应作修 正，此时的斯托克斯定律应修正为：
f

6
1 b
p
式中 b 为修正常数，b = 6.1710-6 m·cm Hg，p 为大 气压强，单位为 cm Hg。
四、实 验 内 容
1、练习掌握正确的测量技术
包括对密立根仪的平衡调节，选择适当的 电压，适当大小的油滴和准确控制计时等。
从喷雾口将油滴喷入，调节CCD聚集，就能 清晰地显示油滴的图形
电压调节
电压指示
加油
密立根仪的使用演示
2、多次测量同一油滴在一定电压情况下匀 速降落的距离及其所用的时间:
对不同的多颗油滴再进 行相同的测量。验证不同 油滴所带电量都是某一公 约数（电子电荷）的倍数。 油滴现象见图。
密立根油滴实验
¿ 电磁学系列 2
浙江大学物理实验中心
鉴于密立根对物理科学界的卓越贡献， 于1923年获得了诺贝尔物理学奖
1910年美国物理学家罗 伯特·密立根进行了一项世 界著名的“油滴实验”，第 一次测出了基本电荷的电量。 密立根油滴实验的重要意义 在于揭示了物质电结构的量 子性，对人们认识组成物质 的基本结构有决定性的作用。

基本 电荷 量 (c)
实验步骤 -调整仪器
(1) 调整仪器底部的调平螺丝，使水准仪的 气泡移到中央，这时平行极板处于水平位 置，电场方向和重力平行。 (2 ) 将监视器亮度调低，对比度调到最高。 (3) 将油从油雾室旁的喷雾口喷入（1-2次即 可），立刻微调显微镜的调焦手轮，使视 场中出现大量清晰的油滴。
选择合适的油滴
(1) 将油滴仪的换向开关K1放在“+”或“-”上，功 能键K2置于“平衡”档，观察几颗缓慢运动的油 滴，并注视其中的某一颗，微调显微镜，使该油 滴很清楚，在80~300V之间仔细调节平衡电压使 这颗油滴静止不动。 (2) 分别将K2开关置于“提升”或“0V”，观察到 该油滴能够上、下自如运动，然后将其移动在屏 幕上某刻度线上，将K2置于“平衡”档， 使之保 持平衡。

'

a 1 pb
• b为修正常数，b = 8.22×10-3m· Pa，p为 大气压强（单位是Pa），a为未修正过的油 滴半径。则修正后油滴半径用为
a
9v 1 2 g 1 b pa
• 对于匀速运动的油滴，其下降的距离、所 需时间和速度之间的关系为
l v t
实验原理
密立根油滴实验
1907-1913年密立根用在电场和重力场 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。
密立根油滴实验获得两项重大的成果： 一是证明了任何带电物体所带的电荷都 是基本电荷e的整数倍，并精确测出了基本 电荷的数值； 二是明确了电荷的不连续性，即电荷具 有量子性。
(1) 将油滴悬于分化板上某条横线附近(最好选择在 平行极板之间的中间部分)，以便准确判断出这颗 油滴是否达到平衡。观察时间约十几秒，如果油 滴在此时间内在平衡位置附近漂移不大，则可认 为油滴在平衡状态，此时的电压为平衡电压Vn。 (2) 将油滴用K2控制移动到“起跑线上”，按K3使 计时器停止计时，然后将K2置于“0V”，油滴开 始匀速下降的同时，计时器开始计时，到“终点” 时，迅速将K2置于“平衡”，油滴静止，计时结 束。此时的时间为油滴匀速下降2mm所需的时间。

如果调节两极板间的电压U 如果调节两极板间的电压U 可使重力和 电场力平衡，则有关系式： 电场力平衡，则有关系式：
f1 f2
mg
此时油滴会静止地悬浮在电场中，并保持平衡。 此时油滴会静止地悬浮在电场中，并保持平衡。 平行板不加电压时， 平行板不加电压时，油滴在空气中自由下 下落过程中受三个力的作用：重力mg 落，下落过程中受三个力的作用：重力mg ；空 空气对它的阻力f 气浮力f 气浮力f1 ；空气对它的阻力f2。
完成本实验的关键在于控制油滴和选择合适的油 测量数据之前应熟练掌握控制油滴的技巧， 滴。测量数据之前应熟练掌握控制油滴的技巧，并 选择合适的油滴。否则就会造成实验失败。 选择合适的油滴。否则就会造成实验失败。 实验中选择的油滴不能太大， 实验中选择的油滴不能太大，太大的油滴 虽然较亮，但带电量比较多，下降速度较快， 虽然较亮，但带电量比较多，下降速度较快，时间 不容易测准确。太小的油滴布朗运动明显。 不容易测准确。太小的油滴布朗运动明显。通常选 择平衡电压200伏左右的油滴， 200伏左右的油滴 择平衡电压200伏左右的油滴，这时其大小和带电 量比较适当。
寻找油滴: 如果油滴看不到，或是看不清，可能是CCD 寻找油滴: 如果油滴看不到，或是看不清，可能是CCD 的物距不合适，或是监视器的亮度或对比度不合适， 的物距不合适，或是监视器的亮度或对比度不合适，应 该进行调整。 该进行调整。 控制油滴： 测量数据之前应熟练掌握控制油滴的技巧。 控制油滴： 测量数据之前应熟练掌握控制油滴的技巧。 方法是：在平行极板上加平衡电压250伏左右， 250伏左右 方法是：在平行极板上加平衡电压250伏左右，工作电 压选择开关置“平衡” 趋走不需要的油滴， 压选择开关置“平衡”档，趋走不需要的油滴，直到剩下 几颗缓慢运动的为止。注意其中的一颗， 几颗缓慢运动的为止。注意其中的一颗，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， 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“提升”电压， 自由下降，下降一段距离后再加“提升”电压，使油滴上 如此反复多次地进行练习。 升。如此反复多次地进行练习。

【精品】大学物理实验密立根油滴实验密立根油滴实验是密立根在1909年进行的实验。

那时候，电子已被发现，但带电量是多少还不知道。

密立根的油滴实验不仅测出了电子的带电量，也发现了油滴的带电量是某一个值的整数倍，这个最小值被称为元电荷。

这就是带电量的不连续性，也可以叫做电荷的量子化。

元电荷以及电荷量子化的发现都是物理学发展史上的大事，密立根也是凭此实验获得了1923年的诺贝尔物理学奖。

而密立根的实验却只是用到了很简单的实验装置，目前很多学校的大学物理实验中就有用油滴实验测元电荷的实验。

用很简单的装置做出如此重大的发现，绝对非常帅！非常美！密立根在电场中用一些带电的油滴进行了实验，之所以选择油滴是为了减少蒸发。

这些带电的油滴受到重力、电场力和空气阻力的作用，通过简单的换算，可以得到油滴所带的电荷数，到这里为止，新的物理学也还没有诞生。

幸运的是，密立根是一个很善于思考的物理学家，在许多不同的油滴进行相应的测量后，也提出了他的「洞见」，他发现油滴的总电荷值皆为同一数字的倍数。

今天我们知道，这一数字即为元电荷（电子的电荷量e），密立根的实验证明了电荷量子化的特征，他因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖。

这个实验的「美」体现在它用一些宏观物质（油滴）测量了微观的（量子化的）电荷，而且实验的手段也相对简单，但这个实验也有很多问题。

密立根实验有两个重要的争议，一方面，密立根没有让他的研究生（HarveyFeltcher）在这篇重要的论文上署名，从而导致其学生不能分享— 1 —诺贝尔奖；另一方面，同时代的其他研究者很多都无法重复密立根的研究结果，密立根在1953年去世，在他去世之后，研究者「解密」了密立根的实验记录本，发现了密立根似乎存在「学术不端」的嫌疑。

在他的实验原始记录中，对他的测量结果进行了筛选，丢弃了大约一半的数据，而数据被剔除的理由也很多包括：仪器工作不正常、似乎要对空气阻力项作高阶修正、不符合预期的期望、反常的结果等等。