2016年北航基础物理实验研究性报告——密立根油滴实验

研究性实验报告密立根油滴实验第一作者姓名第一作者学号第二作者姓名第二作者学号2016年5月10日i摘要密立根油滴实验是美国物理学家密立根所做的测定电子电荷的实验。作为近代物理的代表性实验之一，其设计思想、实验方法等方面具有深入学习的价值。本文首先介绍了密立根油滴实验的实验原理、实验仪器、数据处理和不确定度计算，再针对实验中一些问题进行探讨，同时提出一些可行的改进方法，最后对实验感想及体会进行总结。关键词：密立根油滴实验，实验原理，数据处理，实验改进，感想及体会iiAbstractTheMillikanoildropexperimentwasperformedbyAmericanphysicistRobertA.Millikantomeasurethechargeoftheelectron.Asoneoftherepresentativeexperimentsofmodernphysics,itsdesignconceptaswellasexperimentalmethodshasgreatvalueofin-depthstudy.Thispaperfirstintroducestheexperimentprinciple,equipment,dataprocessinganduncertaintycalculationsofthisexperiment.Thensomequestionsandpracticablesolutionsarediscussed.Thelastpartofthispaperisaboutsomeexperienceandthoughtsinthisexperiment.Keywords：Millikanoildropexperiment,experimentprinciple,dataprocessing,practicablesolutions,experienceandthoughtsiii目录一、引言...............................................................................................................1二、实验要求.......................................................................................................1三、实验原理.......................................................................................................2四、实验仪器.......................................................................................................4（一）油滴盒................................................................................................4（二）电路箱................................................................................................6五、实验内容.......................................................................................................7（一）准备工作............................................................................................7（二）开机使用............................................................................................7（三）测量练习............................................................................................8（四）正式测量............................................................................................8六、实验数据记录及处理...................................................................................9（一）原始数据记录....................................................................................9（二）说明................................................................................................10（三）计算及分析....................................................................................101、倒过来验证法...................................................................................................102、作图法...............................................................................................................16（四）两种数据处理方法对比................................................................17七、讨论与思考.................................................................................................17（一）对实验中误差来源的分析.............................................................171、理论误差...........................................................................................................172、测量误差...........................................................................................................173、统计误差...........................................................................................................18（二）实验过程中应该注意的一些问题.................................................181、密立根油滴仪水平调节...................................................................................182、选取大小合适、下落时间合适的油滴...........................................................19（三）对实验方法、实验内容或实验仪器的改进意见与建议.............19iv1、增加油滴带电几率...........................................................................................192、增加油滴下落时的缓冲距离...........................................................................20八、实验感想.....................................................................................................20（一）实验后的感想、收获、体会、意见或建议.................................20（二）教学改革或任课教师的评价、意见和建议.................................21九、参考文献.....................................................................................................22十、附录.............................................................................................................23（一）原始数据记录纸.............................................................................23北航基础物理实验研究性报告——密立根油滴实验1一、引言密立根油滴实验，美国物理学家密立根（RobertA.Millikan）所做的测定电子电荷的实验。1907-1913年，密立根花7年时间，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。此实验在近代物理学发展过程中具有重要意义，密立根也因此于1923年获得了诺贝尔物理学奖。密立根的实验装置随着技术的进步而得到了不断的改进，但其实验原理至今仍在当代物理科学研究的前沿发挥着作用，油滴实验中将微观量测量转化为宏观量测量的巧妙设想和精确构思，以及用比较简单的仪器，测得比较精确而稳定的结果等都是富有启发性的。二、实验要求（一）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，并测定基本电荷值；（二）通过对仪器的调整、油滴的选定、跟踪和测量以及数据的处理，培养学生严谨的科学态度和实验方法；北航基础物理实验研究性报告——密立根油滴实验2三、实验原理一个质量为m，带电量为ｑ的油滴处在二块平行极板之间，在平行极板未加电压时，油滴受重力作用而加速下降，由于空气阻力的作用，下降一段距离后，油滴将作匀速运动，速度为Vg，这时重力与阻力平衡（本文中空气浮力忽略不计），如图1所示。根据斯托克斯定律，粘滞阻力6egfaV式中是空气的粘滞系数，ａ是油滴的半径，这时有6aVmgg（１）当在平行极板上加电压V时，油滴处在场强为Ｅ的静电场中，设电场力qＥ与重力相反，如图2所示，使油滴受电场力加速上升，由于空气阻力作用，上升一段距离后，油滴所受的空气阻力、重力与电场力达到平衡，则油滴将以匀速上升，此时速度为Ｖｅ，则有：6eaVqEmg（２）又因为Ｅ＝Ｖ／ｄ（３）由上述（１）、（２）、（３）式可解出qmgdVVVVg