密立根油滴实验 主讲教师： 陶灵平

密立根简介 密立根 (Bobert Andrew Millikan) 美国物理学家。1868 年3月22日生于伊利诺伊州的莫里森，1953年12月19日卒于加利福尼亚萨迪纳 。1893 年取得奥伯林大学硕士学位。1895年获哥伦比亚大学博士学位后留学欧洲。1896年回国任教于芝加哥大学。 1907 ～ 1913年间做了一连串实验，用带电油滴准确地测定电子的电荷值，还验证了A.爱因斯坦的光电效应方程，取得了普朗克常数的精密数值。因在基本电荷和光电效应方面的研究而获得1923年诺贝尔物理学奖。

历史背景及意义 一个电子所带的电荷量是现代物理学重要的基本常数之一。1897年汤姆逊测定了阴极射线的荷质比，证实了阴极射线是带电荷有质量的离子，从而证实了电子的存在。美国杰出的物理学家密立根，从1906年起就致力于细小油滴带电量的测量，他用了11年时间，经过多次重大改进，终于以上千个油滴的确凿实验数据得出基本电荷的电量e=(1.5924±0.0017)×10-19C，首先直接证实了电荷的量子性，即任何电量都是基本电荷的整数倍，这个基本电荷就是电子所带的电荷，密立根因测出电子电荷及其他方面的贡献，荣获1923年度诺贝尔物理奖。

历史背景及意义 密立根油滴实验在近代物理学发展中占有非常重要的地位，该实验清楚地证明了电荷的颗粒性，并确定了最小单位电荷的量值。开设这个实验，不仅是为了掌握一种实验方法，或验证一下前人已经验证过的定律；更重要的是通过实验使学生独立思考，掌握一种发现物理规律的方法———通过本实验发现电荷的颗粒特性，并确定电荷的最小值。

目 录 实验目的 实验原理及仪器 实验内容 数据处理 思 考 题 注意事项

实验目的 1、了解密立根油滴仪的结构和测定电子电荷的设计思想和方法； 2、掌握平衡法和动态法测量电子电荷方法，验证电荷的颗粒性； 3、了解CCD图像传感器原理和电视显微测量方法。

实验原理及仪器 一、油滴在平板电容器间所受到的力 密立根油滴 如图所示，用喷雾器将油喷入两块相距为d的水平放置的平行极板之间，油在喷射撕裂成油滴时由于摩擦作用而带电，油滴在极板间同时受力为（油滴视为小球体）：

实验原理及仪器 密立根油滴

二、在不加电场时，油滴下落速度和油滴大小之间的关系 实验原理及仪器 密立根油滴 二、在不加电场时，油滴下落速度和油滴大小之间的关系 式（1）代入式（2），可得

将式（2）+式（4），再将式（1）和式（3）代入，可得 实验原理及仪器 密立根油滴 三、在加有电场后情况 将式（2）+式（4），再将式（1）和式（3）代入，可得

实验原理及仪器 密立根油滴 这即是（1）的特殊情况。

实验原理及仪器 密立根油滴 四、粘滞系数与油滴半径之间的关系 理论和实验得出粘滞力一级近似表达式为 因此，式(3)可以化为

实验原理及仪器 密立根油滴 五、油滴带电量的最后计算公式

将式（10）、（11）分别代入式（5）、（6），可得 实验原理及仪器 密立根油滴 将式（10）、（11）分别代入式（5）、（6），可得

实验原理及仪器 密立根油滴 平衡水泡 油雾室 CCD物镜 喷雾器 物镜平动旋钮 平衡电压调节旋钮

实验原理及仪器 密立根油滴 计时按钮：绿灯亮开始计时，再按一次红灯亮结束计时。 极板电压按钮：绿灯亮表明极板间所加电压为0，红灯亮表明极板间加入工作电压。 平衡/提升按钮：可以切换油滴平衡或提升状态。 确认按钮：将测量数据显示在屏幕上。从而省去了手工记录数据的过程。

实验原理及仪器 密立根油滴 显示器电源线 视屏输出/输入数据线 试验仪电源线

实验内容 密立根油滴 1、熟悉仪器的使用 2、用平衡（静态）法测定电子的电荷量 3、用动态法测定电子的电荷量

熟悉仪器的使用 密立根油滴 （1）调节监视器的对比度和亮度旋钮使监视器屏幕处于极不太亮又不太暗的状态。（2）打开仪器开关并依次按下仪器按钮可观察到显示器如下图所示。 1、显示器调节：

熟悉仪器的使用 密立根油滴 2、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，应该进行调整。 3、控制油滴 测量数据之前应熟练掌握控制油滴的技巧。 方法：在平行极板上加工作电压250伏左右，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，仔细调节工作电压，使这颗油滴静止不动。那么此时的工作电压为该油滴的平衡电压，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，使油滴上升。如此反复多次地进行练习。

熟悉仪器的使用 密立根油滴 5、选择油滴 选择的油滴不能太大，太大的油滴虽然较亮，但是带 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。通常选择工作电压为200伏左右时（需要仔细调节工作电压），使某个油滴静止不动，然后去掉平衡电压（即把工作电压选择开关扳向“下落”位置），按下计时按钮，寻找在10到30秒时间内匀速下降1.6毫米的油滴（这时其大小和带电量比较适当）。

用平衡法测定电子的电荷量 对同一油滴进行5次测量，每次测量开始都要重新调节平衡电压。 一共测量5个油滴。 密立根油滴 对同一油滴进行5次测量，每次测量开始都要重新调节平衡电压。 一共测量5个油滴。 如上图所示，对同一个油滴完成五次测量后，再按一次确认按钮，在显示器屏幕左边显示出该油滴的平均平衡电压、平均下落时间和平均电荷量。

用动态法测定电子的电荷量 操作步骤与平衡法类似。 密立根油滴 操作步骤与平衡法类似。 对同一油滴进行5次测量，再按一次确认按钮在显示器屏幕左边显示出该油滴的平均平衡电压、平均下落时间、平均上升时间和平均电荷量。 每次测量开始都要重新调节平衡电压。一共测量5个油滴。

实验数据和处理 密立根油滴 一、实验条件

实验数据和处理 密立根油滴 二、平衡法测定电子的电荷量

实验数据和处理 密立根油滴 三、动态法测定电子的电荷量

思考题 密立根油滴 1、如何判断油滴处在匀速状态？ 2、如何选择和控制待测的油滴? 3、应选取哪段距离测量油滴匀速下降所需时间?

注意事项 密立根油滴 1.喷油雾前先将油雾孔打开，喷完油雾后为了避免外界气流对油滴盒内油滴产生影响，应将油雾孔关闭；

注意事项 2.由于油雾孔很小，在向油雾室喷油滴时，油雾器口的角度要朝上，同时避免将喷雾器里面的液体直接喷入油雾室导致油雾孔被液体堵住； 密立根油滴 2.由于油雾孔很小，在向油雾室喷油滴时，油雾器口的角度要朝上，同时避免将喷雾器里面的液体直接喷入油雾室导致油雾孔被液体堵住；

注意事项 密立根油滴 3.选择合适的待测油滴； 4. 选择合适的油滴下落位置和距离；