密里根油滴实验

密里根油滴实验是关于元电荷测量设计的巧妙经典实验，其设计思想和实验过程还是很有学习的意义。

密里根油滴实验

• 实验背景
  • 油滴实验是近代物理学中测量基本电荷e的一个经典实验，该实验是由美国著名物理学家密立根经历十多年设计并完成的。这一实验的设计思想简明巧妙、方法简单，而结论却具有不容置疑的说服力，因此堪称物理实验的精华和典范。1908年，在总结前人实验经验的基础上，密立根开始研究带电液滴在电场中的运动过程。结果表明，液滴上的电荷是基本电荷的整数倍，但因测量结果不够准确而不具说服力。1910年，他用油滴代替容易挥发的水滴，获得了比较精确的测量结果。1913年，密立根宣布了其开创性的研究结果，这一结果具有里程碑的意义：（1）明确了带电油滴所带的电荷量都是基本电荷的整数倍，（2）用实验的方法证明了电荷的不连续性，（3）测出了基本电荷值（从而通过荷质比计算出电子的质量）。此后，密立根又继续改进实验，提高实验精度，最终获得了可靠的结果（经过很多次的实验，密立根测出的实验数据是e=1.5924(17)×10−19C，这与现在公认的值相差仅1%），最早完成了基本电荷的测量工作。这一结果再次证明电子的存在，使对“电子存在”的观点持怀疑态度的物理学家信服。由于在测定基本电荷值和测出普朗克常数等方面做出的成就，密立根在1923年获得了诺贝尔物理学奖。
• 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，加深对电荷量的量子性的认识
  • 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， 培养严肃认真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
  • 静态平衡法
    • 未知带电油滴在重力场和静电场中的运动平衡
      • 静止
        • 受力平衡方程
      • 匀速运动
        • 受力平衡方程
        • 修正后的斯托克斯定律
        • 匀速运动的速度
• 实验内容
  • 1. 调平
    • 利用水平仪调整油滴实验装置为水平位置
  • 2. 测油滴静止时的电压
    • 打开电源开关、打开显微镜、打开电压开关
    • 挤压油滴管
    • 调节平衡电压旋钮
    • 控制某一油滴静止，记录此时电压
  • 3. 测匀速运动的速度
    • 电压提升，开始计时
      • 控制油滴升到屏幕顶端
    • 电压置零
      • 在重力和阻力作用下下落
    • 电压平衡，计时停
      • 控制达到底端
      • 记录用时
    • 重复六次
  • 4. 利用公式计算电荷量
  • 5. 重新寻找油滴，重复上面步骤测量
• 数据处理
  • 寻找最大整除的公约数
    • 基于测得的几个不同油滴的电荷量
    • 利用Excel拟合得到
  • 计算相对百分比误差
• 误差分析
  • 系统误差
    • 实验原理、实验设备和实验环境方面分析
  • 随机误差
    • 测量过程中随机因素对数据记录的影响的分析
• 问题思考
  • 为什么油滴上的带电量很少？
• 联立推导得到