2022年西安交通大学物理仿真实验报告.docx

精选学习资料 - - - - - - - - - 西安交通高校物理仿真试验报告试验名称：密立根油滴法测电子电荷学院：电信学院试验日期： 2022/5/28 班级：电信硕31 学号： 2130508008 姓名：贾正旭一、试验原理按油滴作匀速直线运动或静止两种运动方式分类,法和平稳测量法；动态测量法考虑重力场中一个足够小油滴的运动,设此油滴半径为油滴法测电子电荷分为动态测量r ,质量为 m1,空气是粘滞流体,故此运动油滴除重力和浮力外仍受粘滞阻力的作用；由斯托克斯定律,粘滞阻力 与物体运动速度成正比；设油滴以匀速 vf 下落,就有1此处 m2为与油滴同体积空气的质量,及重力场中的受力情形如图示；K为比例常数, g 为重力加速度；油滴在空气如此油滴带电荷为 q,并处在场强为 E的匀称电场中, 设电场力 qE方向与重力方向相反,如图 8.1.1-2 所示,假如油滴以匀速 v r 上升,就有2名师归纳总结 - - - - - - -第 1 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 由式（ 1）和（ 2）消去 K,可解出 q 为：3由（ 3）式可以看出来,要测量油滴上的电荷q,需要分别测出m1,m2,E,vr,vf等物理量；由喷雾器喷出的小油滴半径r 是微米量级, 直接测量其质量m1 也是困难的, 为此期望消去 m1,而带之以简单测量的量；设油与空气的密度分别为1,2,于是半径为r 的油滴的视重为4由斯托克斯定律, 粘滞流体对球形运动物体的阻力与物体速度成正比,其比例系数 K为6 r ,此处 为粘度, r 为物体半径,于是可将公式（4）带入式（ 1）有5因此,6以此带入（ 3）并整理得到7因此,假如测出vr,vf 和 ,1,2, E等宏观量即可得到q 值；考虑到油滴的直径与空气分子的间隙相当,需作相应的修正空气已不能看成是连续介质,其粘度名师归纳总结 - - - - - - -第 2 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 此处 p 为空气压强, b 为修正常数, b 0.00823N/m, 因此,8当精确度要求不太高时,常采纳近似运算方法,先将再将此 r0值带入中,并以入式（ 7）,得vf 带入（ 6）式运算得910 ; 试验中经常固定油滴运动的距离,通过测量它通过此距离 s 所需的时间来求得其运动速度,且电场强度 E=U/d,d 为平行板间的距离,U为所加的电压,因此,式（10）可写成11名师归纳总结 ; 式中有些量和试验仪器以及条件有关,选定之后在试验过程中不变,如 d,s,1-2第 3 页,共 10 页及 等,将这些量与常数一起用C 代表,可称为仪器常数,于是式（11）简化成- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 12 ; 由此可知,度量油滴上的电荷,只表达在U,tf ,tr 的不同；对同一油滴,tf 相同,U和 tr的不同,标志着电荷的不同；平稳测量法平稳测量法的动身点是,使油滴在匀称电场中静止在某一位置,或在重力场中作匀速运动；当油滴在电场中平稳时,油滴在两极板间受到的电场力 到平稳,从而静止在某一位置,即油滴在重力场中作匀速运动时,情形同动态测量法,将式（带入式（ 11）并留意到就有元电荷的测量方法qE,重力 m1g 和浮力 m2g 达4）,（ 9）和13名师归纳总结 - - - - - - -第 4 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 测量油滴上带的电荷的目的是找出电荷的最小单位e；为此可以对不同的油滴,分别测出其所带的电荷值qi ,它们应近似为某一最小单位的整数倍,即油滴电荷量的最大公约数,或油滴带电量之差的最大公约数,即为元电荷；试验中采纳紫外线, X射线或放射源等转变同一油滴所带的电荷,测量油滴上所 带电荷的转变值 qi,而 qi 值应是元电荷的整数倍；即14也可以用作图法求 e 的值,依据（ 14）式, e 为直线方程的斜率,通过拟合直线,即可求得 e 值二、试验内容学习掌握油滴在视场中的运动,并选择合适的油滴测量元电荷,要求测得 9 个不同 的油滴或一个油滴所带电荷转变 7 次以上；1. 选择适当的油滴并测量油滴上所带电荷要做好油滴试验,所选的油滴体积要适中,大的油滴虽然比较亮,但一般带的电荷 多,下降速度太快, 不简单测精确； 太小就受布朗运动的影响明显,测量结果涨落很大,也不简单测精确；因此应当选择质量适中,而带电不多的油滴；2. 调整油滴试验装置油滴试验装置是油滴盒,油滴照明装置,调平系统,测量显微镜,供电电源以及电 子停表,喷雾器等组成的,其试验装置如下图所示；其中油滴盒是由两块经过精磨的金 属平板,中间垫以胶木圆环,构成的平行板电容器；在上板中心处有落油孔,使微小油 滴可以进入电容器中间的电场空间,胶木圆环上有进光孔,观看孔；进入电场空间内的 油滴由照明装置照明,油滴盒可通过调平螺旋调整水平,用水准仪检查；油滴盒防风罩 前装有测量显微镜,用来观看油滴；在目镜头中装有分划板,如下图所示；（请摸索,电容器两极板不水平对测量有何影响？）名师归纳总结 - - - - - - -第 5 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 电容器极板上所加电压由直流平稳电压合直流升降电压两部分组成；其中平稳电压大小连续可调,并可从伏特计上直接读数,其极性由换向开关掌握,以满意对不同极性电压的需要；升降电压的大小可连续调剂,并可通过换向开关叠加在平稳电压上,以控制油滴在电容器内上下的位置,量时,升降电压应拨到零；但数值不能从伏特计读出,因此在掌握油滴的运动和测油滴试验是一个操作技巧要求较高的试验,为了得到中意的试验结果,必需认真认 真调整油滴仪；（1） 第一要调剂调平螺丝,将平行电极板调到水平,使平稳电场方向与重力方向 平行以免引起试验误差；（2） 为了使望远镜快速精确的调焦在油滴下落区,可将细铜丝或玻璃丝插入上盖 板（8）的小孔中, 此时上下极板必需处于短路状态,即外加电压为零,否就将损坏电源或涉及人身安全；调整目镜使横丝清楚,位置适当,调整物镜位置使铜丝或玻璃丝成像在横丝平面上,并调整光源, 使其匀称照亮,背景稍暗即可；调整好后望远镜的位置不得移动；取出铜丝或玻 璃丝（此点切不行遗忘！）,盖好屏幕盒盖板；（3） 喷雾器是用来快速向油滴仪内喷油雾的,在喷射过程中,由于摩擦作用使油 滴带电,为了在视场中获得足够供选择的油滴,在喷射油雾时,肯定要 将油滴仪两极板短路（请摸索,如不短路,对试验有何影响？）名师归纳总结 - - - - - - -第 6 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 当油雾从喷雾口喷入油滴室内后,视场中将显现大量清楚的油滴,有如夜空繁星；试加上平稳电压,转变其大小和极性,驱散不需要的油滴,练习掌握其中一颗油滴的运 动,并用停表记录油滴经过两条横丝间距所用的时间；为了提高测量结果的精确度,每个油滴上下来回次数不宜少于7 次,要求测得9 个不同的油滴或一个油滴所带电量转变7 次以上；3. 读取试验给定的其他有用常数运算电荷的基本单位（数据处理方法不限）,并选取一个油滴运算所带电荷的标准 偏差 q/q ；三、详细试验 ：1、 调整电容器至水平2、 调整望远镜焦距名师归纳总结 - - - - - - -第 7 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 3、 找到油滴并提升4、 释放计时名师归纳总结 - - - - - - -第 8 页,共 10 页精选学习资料 - - - - - - - - - 5、 重复并记录数据四、运算结果四、试验总结：名师归纳总结 1 证明电荷的不连续性 具有颗粒性 ,全部电荷都是基本电荷e 的整数倍；第 9 页,共 10 页- - - - - - -精选学习资料 - - - - - - - - - 2 测量并得到了基本电荷即为电子电荷,其值为 e=1.6010-19 库仑；现公认 e 是基本电荷,对其值的测量测量精度不断提高,目前给出的最好结果为：名师归纳总结 e=1.602177310.0000004910-19 库仑；第 10 页,共 10 页- - - - - - -