實驗二十四 用密立根油滴實驗測電子電荷e

【前言】

著名的美國物理學家密立根 (RobertA.Millikan)在1909年到1917年期間所做的測量微小油滴上所帶電荷的工作，即油滴實驗，是物理學發展史上具有重要意義的實驗。這一實驗的設計思想簡明巧妙，方法簡單，而結論卻具有不容置疑的說服力，因此這一實驗堪稱物理實驗的精華和典範。

現公認e是元電荷，對其值的測量精度不斷提高，目前給出最好的結果為

e=(1.602 17733±0.000 000 49)×10-19C

正是由於這一實驗的成就，他榮獲了1923年諾貝爾物理學獎金。

【實驗目的】

1、學習測量元電荷的方法；

2、訓練物理實驗時應有的嚴謹態度與堅韌不拔的科學精神。

【實驗原理】

油滴經噴霧器噴出時，由於油滴微粒間的相互摩擦，油滴一般都帶上了電荷。如將油滴噴入兩塊水平放置、間距為d、所加電壓為V的平行板之間（圖5-24-1），設油滴的質量為,所帶電量為q ，則油滴在平行極板間將同時受到兩個力的作用：一個是重力    ，一個是電場力qE。如果適當地選擇兩極板間電壓的大小和方向，使電場力和重力大小相等、方向相反。

【實驗儀器】

密立根油滴儀；監視器。

【實驗內容與步驟】

密立根油滴實驗是一個操作技巧要求較高的實驗，因此實驗中必須認真、仔細。

1.調整儀器

（1）打開電源預熱儀器，調節測量顯微鏡的調焦手輪，使顯微鏡向攝像孔（或觀察孔）方向慢慢移動，直到在監視器上看到對面雜質反射的光點為止。

（2）將功能開關置於平衡位置，調節平衡電壓旋鈕使數字電壓表顯示為200V左右。

（3）打開油霧孔開關，對準噴霧孔噴入油霧，緩慢調節顯微鏡的調焦手輪使顯微鏡向實驗者的方向移動，同時觀察監視器直到出現大量猶如點點繁星的油滴為止。

2.選擇油滴

（1）觀察視場，大量不平衡油滴迅速消失，而接近平衡的油滴則比較緩慢地移動，保留在視場中。選擇其中較亮的一顆，緩慢調節平衡電壓旋鈕，使其達到平衡而靜止。

（2）選擇合適的油滴是做好本實驗的重用環節。大的油滴雖然比較亮，但一般帶的電荷多，質量大，下降速度太快，不容易測準確；油滴太小則容易產生漂移，實際的運動曲線又超過了所要求的2mm垂直距離。只有那些質量適中，帶電量又不太多的油滴才是可取的。一般選取平衡電壓為60V -350V ，勻速下落2mm所用時間為10s-20s的油滴為最佳。

3.控制油滴

將選定並平衡的油滴加上升降電壓，即功能開關置於升降位置，使油滴上升至分劃板上方，如圖5-24-5所示。即刻去掉升降電壓，即功能開關置於平衡位置，使油滴仍保持平衡，靜止在視場中。

4.數據測量

實驗中直接測量平衡電壓V和油滴勻速下降2mm所用時間t 。

（1）當油滴平衡在分劃板上方時，由電壓表將平衡電壓直接讀出。

（2）然後去掉平衡電壓，即功能開關置於測量位置。油滴在重力作用下自由下落，此時是加速運動，不宜計時。隨著速度的增加，空氣阻力及浮力增大到與重力相等時，即油滴勻速下降，計時開始，運動距離L=2mm計時停止。即刻加上平衡電壓，使油滴靜止在視場中，然後再讀時間t ，以防油滴丟失。

註：因空間所限，實驗時在中間的1mm間距內計時，如圖5-24-5所示。將讀取的時間乘以2，即為所要求的勻速下降2mm距離所用的時間t 。

(3)重複上述過程，對同一油滴進行6次測量，每一次測量開始都要重新調節平衡電壓，因為油滴在運動過程中產生揮發，油滴質量的變化，導致平衡電壓的變化。

5.跟蹤油滴

    實驗中，由於油滴的質量很小，在運動中會產生漂移，使油滴在視場中變得模糊或看不見。因此實驗過程中要隨時微調調焦手輪，以保持油滴明亮清晰。

【實驗數據記錄與處理】

【注意事項】

1.一次噴射油霧不宜過多，以免堵塞小油孔。

2.通電時，禁止觸摸平行極板表面，以防觸電。

【思考題】

1.長時間檢測一個油滴，由於油的揮發，它的質量會不斷減少，將使哪些測量值發生變化？

2.測量時間t時，為什麼要讓油滴下落一段距離後再開始計時?

3.在跟蹤一個油滴時，如果原來清晰的像突然變模糊，應該怎麼辦？