北京邮电大学：《大学物理实验》课程实验讲义（物理电子学）用密立根油滴仪测量电子电量_ZKY_MLG6说明书

第1项 密立根油滴实验测电子电荷e 著名的美国物理学家密立根(Robert A.Mil1ikan)在1909年到1917年期间所做的测 量微小油滴上所带电荷的工作，即油滴实验，是物理学发展史上具有重要意义的实验。 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，因此这一 实验堪称物理实验的精华和典范。密立根在这一实验工作上花费了近10年的心血，从而 取得了具有重大意义的结果，那就是：(1)证明了电荷的不连续性。(2)测量并得到了 元电荷即电子电荷，其值为1.60×10℃。现公认e是元电荷，对其值的测量精度不断提 高，目前给出最好的结果为 e=(1.60217733±0.00000049)×10℃ 正是由于这一实验的巨大成就，他荣获了1923年的诺贝尔物理学奖。 80多年来，物理学发生了根本的变化，而这个实验又重新站到实验物理的前列，近 年来根据这一实验的设计思想改进的用磁漂浮的方法测量分数电荷的实验，使古老的实 验又焕发了青春，也就更说明密立根油滴实验是富有巨大生命力的实验。 一、实验目的 本实验的目的是验证电荷的不连续性以及测量基本电荷电量，了解CCD传感器、光 学系统成像原理及视频信号处理技术的工程应用等，并训练学生做物理实验应具有的严 谨态度和坚韧不拔的科学精神。 二、实验原理 密立根油滴实验测定电子电荷的基本设计思想是使带电油滴在测量范围内处于受力 平衡状态。按运动方式分类，油滴法测电子电荷分为动态测量法和平衡测量法。 1、动态测量法（选做） 考虑重力场中一个足够小油滴的运动，设此油滴半径为r,质量为m,空气是粘滞 流体，故此运动油滴除重力和浮力外还受粘滞阻力的作用。由斯托克斯定律，粘滞阻力 与物体运动速度成正比。设油滴以速度V,匀速下落，则有 mg-mg Kvy (1) 此处m加为与油滴同体积的空气质量，K为比例系数，g为重力加速度。油滴在空气及重 力场中的受力情况如图1-1所示： 邮编：610041

世纪中科 第 1 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：四川省成都市人民南路四段 9 号成都科分院 邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85243932 密立根油滴实验测电子电荷 e 著名的美国物理学家密立根(Robert A.Millikan)在 1909 年到 1917 年期间所做的测 量微小油滴上所带电荷的工作，即油滴实验，是物理学发展史上具有重要意义的实验。 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，因此这一 实验堪称物理实验的精华和典范。密立根在这一实验工作上花费了近 10 年的心血，从而 取得了具有重大意义的结果，那就是：（1）证明了电荷的不连续性。（2）测量并得到了 元电荷即电子电荷，其值为 1.60×10-19C。现公认 e 是元电荷，对其值的测量精度不断提 高，目前给出最好的结果为 e =（1.602 177 33±0.000 000 49）×10-19C 正是由于这一实验的巨大成就，他荣获了 1923 年的诺贝尔物理学奖。 80 多年来，物理学发生了根本的变化，而这个实验又重新站到实验物理的前列，近 年来根据这一实验的设计思想改进的用磁漂浮的方法测量分数电荷的实验，使古老的实 验又焕发了青春，也就更说明密立根油滴实验是富有巨大生命力的实验。 一、实验目的 本实验的目的是验证电荷的不连续性以及测量基本电荷电量，了解 CCD 传感器、光 学系统成像原理及视频信号处理技术的工程应用等，并训练学生做物理实验应具有的严 谨态度和坚韧不拔的科学精神。 二、实验原理 密立根油滴实验测定电子电荷的基本设计思想是使带电油滴在测量范围内处于受力 平衡状态。按运动方式分类，油滴法测电子电荷分为动态测量法和平衡测量法。 1、 动态测量法(选做) 考虑重力场中一个足够小油滴的运动，设此油滴半径为 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还受粘滞阻力的作用。由斯托克斯定律，粘滞阻力 与物体运动速度成正比。设油滴以速度 Vf 匀速下落，则有 m1g  m2g  Kvf （1） 此处 m2 为与油滴同体积的空气质量，K 为比例系数，g 为重力加速度。油滴在空气及重 力场中的受力情况如图 1-1 所示：

世纪中料 第2页 AqE m28 m28 tKv ↑m8 图1-1重力场中油滴受力示意图 图12电场中油滴受力示意图 若此油滴带电荷为q,并处在场强为E的均匀电场中，设电场力qE方向与重力方向 相反，如图1-2所示，如果油滴以速度”匀速上升，则有 gE =(m-m2)g+Kvy (2) 由式(1)和(2)消去K,可解出q为 q=(m-m2)8 (w+w) (3) Evy 由式(3)可以看出，要测量油滴上携带的电荷q,需要分别测出m、m、E、 w等物理量。 由喷雾器喷出的小油滴的半径”是微米数量级，直接测量其质量m也是困难的，为 此希望消去m,而代之以容易测量的量。设油与空气的密度分别为P、P,于是半径为 r的油滴的视重为 mg-m.8-xr(-p:)8 (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6mr,此处n为粘度，r为物体半径。于是可将式(4)代入式(1)，有 -(p-P2) (5) 9n 因此 r=2g(0:-P:)J (6) 以此代入式(3)并整理得到 邮编：610041

世纪中科 第 2 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：四川省成都市人民南路四段 9 号成都科分院 邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85243932 若此油滴带电荷为 q，并处在场强为 E 的均匀电场中，设电场力 qE 方向与重力方向 相反，如图 1-2 所示，如果油滴以速度 vr 匀速上升，则有 qE  (m1m2)g  Kvf （2） 由式（1）和（2）消去 K，可解出 q 为 ( ) ( 1 2) f r f v v Ev m m g q    （3） 由式（3）可以看出，要测量油滴上携带的电荷 q，需要分别测出 m1、m2 、E 、vf 、 vr 等物理量。 由喷雾器喷出的小油滴的半径 r 是微米数量级，直接测量其质量 m1 也是困难的，为 此希望消去 m1 ，而代之以容易测量的量。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    3 4 m1g m2 g r ( 1 2 )g 3    （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。于是可将式（4）代入式（1），有 ( ) 9 2 1 2 2      gr v f （5） 因此 2 1 1 2 2 ( ) 9           g v r f （6） 以此代入式（3）并整理得到 m g2 f Kv m g1 图 1-1 重力场中油滴受力示意图 qEm g2 r Kv m g1 图 1-2 电场中油滴受力示意图

世免中科 第3项 njn- (7) 因此，如果测出，、y,和n、P、P、E等宏观量即可得到g值。 考虑到油滴的直径与空气分子的间隙相当，空气己不能看成是连续介质，其粘度门需 作相应的修正司“，之北类为空气压强6为修正猪断。6电加位收 10mcmg）,因此 -A-n0白 (8) pr 当精度要求不是太高时，常采用近似计算方法先将y值代入(6)式计算得 「9月 6-2g0-p2J 9 再将此值代入n中，并以n代入式(7)，得 9=927月 L(P:-P:( (10) 实验中常常固定油滴运动的距离，通过测量油滴在距离s内所需要的运动时间来求得其 运动速度，且电场强度E= ,d为平行板间的距离，U为所加的电压，因此，式(10) 可写成 q=92d下1 (11) pro 式中有些量和实验仪器以及条件有关，选定之后在实验过程中不变，如d、5、(p,-P》 及n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 邮编：610041

世纪中科 第 3 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：四川省成都市人民南路四段 9 号成都科分院 邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85243932 2 2 3 1 1 2 3 (1 ) 1 ( ) 9 2 f f r v v v g E q             （7） 因此，如果测出 r v 、 f v 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，空气已不能看成是连续介质，其粘度  需 作相应的修正 pr b     1 ' 此处 p 为空气压强， b 为修正常数， b =0.00823 N / m （6.17× 10-6 mcmHg ），因此 ( )(1 ) 9 2 1 2 2 pr gr b v f       (8) 当精度要求不是太高时，常采用近似计算方法先将 f v 值代入（6）式计算得 2 1 1 2 0 2 ( ) 9           g v r f (9) 再将此 0 r 值代入 '  中，并以 '  代入式（7），得 2 3 0 2 2 3 1 1 2 3 1 1 (1 ) 1 ( ) 9 2                          pr b v v v g E q f f r （10） 实验中常常固定油滴运动的距离，通过测量油滴在距离 s 内所需要的运动时间来求得其 运动速度，且电场强度 d U E  ，d 为平行板间的距离， U 为所加的电压，因此，式（10） 可写成 2 3 0 2 1 2 1 1 2 3 1 1 1 1 1 1 ( ) ( ) 9 2                                          pr g U t t t b s q d f r f （11） 式中有些量和实验仪器以及条件有关，选定之后在实验过程中不变，如 d 、s 、( ) 1  2 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

世起中科 第4页 (11') 由此可知，测量油滴上的电荷，只体现在U、1,、4,的不同。对同一油滴，‘，相同，U与 1,的不同，标志着电荷的不同。 2、平衡测量法 平衡测量法的出发点是使油滴在均匀电场中静止在某一位置，或在重力场中作匀速 运动。 当油滴在电场中平衡时，油滴在两极板间受到的电场力gE、重力mg和浮力m,g达到平 衡，从而静止在某一位置，即 qE=(m-m2)8 油演在重力场中作匀速运动时，情形铜动态测量法，将式4、(9和n,”。代入式 pr (11)并注意到上=0，则有 q=9nd (ns) (12) L(P:-P2)8]U( D 3、 元电荷的测量方法 测量油滴上带的电荷的目的是找出电荷的最小单位。为此可以对不同的油滴，分别 测出其所带的电荷值9，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。 实验中常采用紫外线、X射线或放射源等改变同一油滴所带的电荷，测量油滴上所带电荷 的改变值△q,而△g,值应是元电荷的整数倍。即 q,=n,e(其中n为一整数) (13) 也可用作图法求e值，根据式(13)，e为直线方程的斜率，通过拟合直线即可求的e值 邮编：610041

世纪中科 第 4 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：四川省成都市人民南路四段 9 号成都科分院 邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85243932 2 3 0 2 1 1 1 1 1 1 1                                pr U t t t b q C f r f （11＇） 由此可知，测量油滴上的电荷，只体现在 U 、 f t 、 r t 的不同。对同一油滴， f t 相同， U 与 r t 的不同，标志着电荷的不同。 2、 平衡测量法 平衡测量法的出发点是使油滴在均匀电场中静止在某一位置，或在重力场中作匀速 运动。 当油滴在电场中平衡时，油滴在两极板间受到的电场力 qE 、重力 m1g 和浮力 m2 g 达到平 衡，从而静止在某一位置，即 qE  (m1 m2 )g 油滴在重力场中作匀速运动时，情形同动态测量法，将式（4）、（9）和 pr b     1 ' 代入式 （11）并注意到 0 1  r t ，则有 2 3 0 2 3 2 1 1 2 3 1 1 1 1 ( ) ( ) 9 2                                 pr g U t b s q d f （12） 3、 元电荷的测量方法 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 i q ，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。 实验中常采用紫外线、X 射线或放射源等改变同一油滴所带的电荷，测量油滴上所带电荷 的改变值 qi ，而 qi 值应是元电荷的整数倍。即 q n e  i  i （其中 i n 为一整数） （13） 也可用作图法求 e 值，根据式（13）， e 为直线方程的斜率，通过拟合直线即可求的 e 值

第5页 三、实验仪简介 实验仪由主机、CCD成像系12 210 统、油滴盒、监视器等部件组成。 其中主机包括可控高压电 源、计时装置、A/D采样、视频处 理等单元模块.CCD成像系统包括 CCD传感器、光学成像部件等。油 滴盒包括高压电极、照明装置、 防风罩等部件。监视器是视频信 号输出设备。仪器部件示意如图 o"o 1-3. CCD模块及光学成像系统用 17 18 16 15 4h32 来捕捉暗室中油滴的像，同时将 1、CCD盒2、电源插座3、调焦旋纽4、Q9视频接口5、光学系统 6、镜头7、观察孔8、上极板压簧9、进光孔10、光源11、确认键 图象信息传给主机的视频处理模 12、状态指示灯13、平衡、提升切换键14、0N、工作切换能 块。实验过程中可以通过调焦旋 定时开 、结束切换健16、水准泡17、电压调节旋钮18、系定螺钉 19、电源开关20、油滴管收纳盒安放环21、调平螺钉(3颗 钮来改变物距，使油滴的像清晰 的呈现在CCD传感器的窗口内。 电压调节旋钮可以调整极板之间的电压， 用来控制油滴的平衡、下落及提升 定时开始、结束按键用来记时：OV、工作 按键用来切换仪器的工作状态：平衡、提升按 键可以切换油滴平衡或提升状态；确认按键可 以将测量数据显示在屏幕上，从而省去了每次 测量完成后手工记录数据的过程，使操作者把 图14油滴合装置示音图 更多的注意力集中到实验本质上来。 1、喷雾口2、进油 F关3、防风罩4、上极机 5、油滴室6、下极板7、油雾杯8、上极板压簧 油滴盒是一个关键部件，具体构成，如图 9、落油孔 1-4所示。 上、下极板之间通过胶木圆环支撑，三者之间的接触面经过机械精加工后可以将极 板间的不平行度、间距误差控制在0.01m以下：这种结构基本上消除了极板间的“势垒 邮编：610041

世纪中科 第 5 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：四川省成都市人民南路四段 9 号成都科分院 邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85243932 三、实验仪简介 实验仪由主机、CCD 成像系 统、油滴盒、监视器等部件组成。 其中主机包括可控高压电 源、计时装置、A/D 采样、视频处 理等单元模块。CCD 成像系统包括 CCD 传感器、光学成像部件等。油 滴盒包括高压电极、照明装置、 防风罩等部件。监视器是视频信 号输出设备。仪器部件示意如图 1-3。 CCD 模块及光学成像系统用 来捕捉暗室中油滴的像，同时将 图象信息传给主机的视频处理模 块。实验过程中可以通过调焦旋 钮来改变物距，使油滴的像清晰 的呈现在 CCD 传感器的窗口内。 电压调节旋钮可以调整极板之间的电压， 用来控制油滴的平衡、下落及提升。 定时开始、结束按键用来记时；0V、工作 按键用来切换仪器的工作状态；平衡、提升按 键可以切换油滴平衡或提升状态；确认按键可 以将测量数据显示在屏幕上，从而省去了每次 测量完成后手工记录数据的过程，使操作者把 更多的注意力集中到实验本质上来。 油滴盒是一个关键部件，具体构成,如图 1-4 所示。 上、下极板之间通过胶木圆环支撑，三者之间的接触面经过机械精加工后可以将极 板间的不平行度、间距误差控制在 0.01mm 以下；这种结构基本上消除了极板间的“势垒 图 1-4 油滴盒装置示意图 1、喷雾口 2、进油量开关 3、防风罩 4、上极板 5、油滴室 6、下极板 7、油雾杯 8、上极板压簧 9、落油孔 图 1-3 实验仪部件示意图 1、 CCD 盒 2、电源插座 3、调焦旋钮 4、Q9 视频接口 5、光学系统 6、镜头 7、观察孔 8、上极板压簧 9、进光孔 10、光源 11、确认键 12、状态指示灯 13、平衡、提升切换键 14、0V、工作切换键 15、定时开始、结束切换键 16、水准泡 17、电压调节旋钮 18、紧定螺钉 19、电源开关 20、油滴管收纳盒安放环 21、调平螺钉(3 颗)

世乾中科 第6页 效应”及“边缘效应”，较好地保证了油滴室处在匀强电场之中，从而有效地减小了实验 误差」 胶木圆环上开有两个进光孔和一个观察孔，光源通过进光孔给油滴室提供照明，而 成像系统侧通过观察孔捕捉油滴的像。照明由带聚光的高亮发光二极管提供，其使用寿命长、 不易损坏：油雾杯可以暂存油雾，使油雾不至于过早地散逸：进油量开关可以控制落油量：防风罩可 以避免外界空气流动对油滴的影响。 四、实验内容： 学习控制油滴在视场中的运动，并选择合适的油滴测量元电荷。要求至少测量5个 不同的油滴，每个油滴的测量次数应在3次以上。 1、调整油滴实验仪 ①水平调整 调整实验仪底部的旋钮（顺时针仪器升高，逆时针仪器下降），通过水准仪将实验 平台调平，使平衡电场方向与重力方向平行以免引起实验误差。极板平面是否水平决 定了油滴在下落或提升过程中是否发生前后、左右的漂移。 ②喷雾器调整 将少量钟表油缓慢的倒入喷雾器的储油腔内，使钟表油湮没提油管下方，油不要 太多，以免实验过程中不慎将油倾倒至油滴盒内堵塞落油孔。将喷雾器竖起，用手挤 压气囊，使得提油管内充满钟表油。 ③仪器硬件接口连接 主机接线：电源线接交流220V/50Hz:Q9视频输出接监视器视频输入(IN)。 监视器：输入阻抗开关拨至75Ω(om),Q9视频线缆接IN输入插座。电源线 接220V/50Hz交流电压。前面板调整旋钮自左至右依次为左右调整、上下调整、亮度 调整、对比度调整。 ④实验仪联机使用 a.打开实验仪电源及监视器电源，监视器出现欢迎界面 b.按任意键：监视器出现参数设置界面，首先，设置实验方法，然后根据该地 的环境适当设置重力加速度、油密度、大气压强、油滴下落距离。 “←”表示左移键、“→”表示为右移键、“+”表示数据设置键。 ℃.按确认键出现实验界面：将工作状态切换至“工作”，红色指示灯亮，将平衡、 邮编：610041

世纪中科 第 6 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：四川省成都市人民南路四段 9 号成都科分院 邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85243932 效应”及“边缘效应”，较好地保证了油滴室处在匀强电场之中，从而有效地减小了实验 误差。 胶木圆环上开有两个进光孔和一个观察孔，光源通过进光孔给油滴室提供照明，而 成像系统则通过观察孔捕捉油滴的像。照明由带聚光的高亮发光二极管提供，其使用寿命长、 不易损坏；油雾杯可以暂存油雾，使油雾不至于过早地散逸；进油量开关可以控制落油量；防风罩可 以避免外界空气流动对油滴的影响。 四、实验内容： 学习控制油滴在视场中的运动，并选择合适的油滴测量元电荷。要求至少测量 5 个 不同的油滴，每个油滴的测量次数应在 3 次以上。 1、 调整油滴实验仪 ① 水平调整 调整实验仪底部的旋钮(顺时针仪器升高，逆时针仪器下降)，通过水准仪将实验 平台调平，使平衡电场方向与重力方向平行以免引起实验误差。极板平面是否水平决 定了油滴在下落或提升过程中是否发生前后、左右的漂移。 ② 喷雾器调整 将少量钟表油缓慢的倒入喷雾器的储油腔内，使钟表油湮没提油管下方，油不要 太多，以免实验过程中不慎将油倾倒至油滴盒内堵塞落油孔。将喷雾器竖起，用手挤 压气囊，使得提油管内充满钟表油。 ③ 仪器硬件接口连接 主机接线：电源线接交流 220V/50Hz；Q9 视频输出接监视器视频输入（IN）。 监视器：输入阻抗开关拨至 75  （ohm），Q9 视频线缆接 IN 输入插座。电源线 接 220V/50Hz 交流电压。前面板调整旋钮自左至右依次为左右调整、上下调整、亮度 调整、对比度调整。 ④ 实验仪联机使用 a．打开实验仪电源及监视器电源，监视器出现欢迎界面 b．按任意键：监视器出现参数设置界面，首先，设置实验方法，然后根据该地 的环境适当设置重力加速度、油密度、大气压强、油滴下落距离。 “←”表示左移键、“→”表示为右移键、“+”表示数据设置键。 c．按确认键出现实验界面：将工作状态切换至“工作”，红色指示灯亮，将平衡

第7项 提升按键设置为“平衡”。 ⑤、CCD成像系统调整 从喷雾口喷入油雾，此时监视器上应该出现大量运动油滴的像。若没有看到油滴的 像，则需调整调焦旋钮或检查喷雾器是否有油雾喷出，直至得到油滴清晰的图像。 2、熟悉实验界面 在完成参数设置后，按确认键，监视器显示实验界面。不同的实验方法的实验界 面有一定差异。 实验界面示意图 概 (电压保存提示栏) 保使纯界不） (下落距离设置栏) (距离标志) (实验方法栏) (仪器生产厂家) 极板电压：实际加到极板的电压，显示范围：0~9999V; 经历时间：定时开始到定时结束所经历的时间，显示范用：0~9999S: 电压保存提示：将要做为结果保存的电压，每次完整的实验后显示。当保存实验结 果后（即按下确认键）自动清零。显示范围同极板电压： 保存结果显示：显示每次保存的实验结果，共5次，显示格式与实验方法有关。 平衡法： 《平衡电压) 动态法： (提升电压)《平南电压) (下落时间) (上升时间)（下落时间） 当需要删除当前保存的实验结果时，按下确认键2秒以上，当前结果被清除（不能连续删）： 下落距离设置：显示当前设置的油滴下落距离。当需要更改下落距离的时候，按住平 衡、提升键2秒以上，此时距离设置栏被激活（动态法1步骤和2步骤之间不能更改）， 通过+键（即平衡、提升键）修改油滴下落距离，然后按确认键确认修改。距离标志相 地址：四川省成都市人民南路四段9号成都科分院 邮编：610041 传直：(028)85243932

世纪中科 第 7 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：四川省成都市人民南路四段 9 号成都科分院 邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85243932 提升按键设置为“平衡”。 ⑤、CCD 成像系统调整 从喷雾口喷入油雾，此时监视器上应该出现大量运动油滴的像。若没有看到油滴的 像，则需调整调焦旋钮或检查喷雾器是否有油雾喷出，直至得到油滴清晰的图像。 2、 熟悉实验界面 在完成参数设置后，按确认键，监视器显示实验界面。不同的实验方法的实验界 面有一定差异。 实验界面示意图 极板电压：实际加到极板的电压，显示范围：0～9999V； 经历时间：定时开始到定时结束所经历的时间，显示范围：0～99.99S； 电压保存提示：将要做为结果保存的电压，每次完整的实验后显示。当保存实验结 果后（即按下确认键）自动清零。显示范围同极板电压； 保存结果显示：显示每次保存的实验结果，共 5 次，显示格式与实验方法有关。 平衡法： 动态法： 当需要删除当前保存的实验结果时，按下确认键2秒以上，当前结果被清除(不能连续删)； 下落距离设置：显示当前设置的油滴下落距离。当需要更改下落距离的时候，按住平 衡、提升键 2 秒以上，此时距离设置栏被激活(动态法 1 步骤和 2 步骤之间不能更改)， 通过 + 键（即平衡、提升键）修改油滴下落距离，然后按确认键确认修改。距离标志相 （极板电压） （经历时间） 0 （电压保存提示栏） （保存结果显示区） （共 5 格） （下落距离设置栏） （距离标志） （实验方法栏） （仪器生产厂家） （平衡电压） （下落时间） （提升电压） （平衡电压） （上升时间） （下落时间）

冬化中拼 第8页 应变化： 距离标志：显示当前设置的油滴下落距离，在相应的格线上做数字标记，显示范围： 0.2mm~1.8mm 实验方法：显示当前的实验方法（平衡法或动态法），在参数设置画面一次设定。预 改变实验方法，只有重新启动仪器（关、开仪器电源）。对于平衡法，实验方法栏仅显示 “平衡法”字样：对于动态法，实验方法栏除了显示“动态法”以外还显示即将开始的 动态法步骤。如将要开始动态法第一步（油滴下落），实验方法栏显示“1动态法”。同样， 当做完动态法第一步骤，即将开始第二步骤时，实验方法栏显示“2动态法”： 仪器生产厂家：显示生产厂家： 3、 选择适当的油滴并练习控制油滴 ①平衡电压的确认 仔细调整平衡电压旋钮使油滴平衡在某一格线上，等待一段时间，观察油滴是否 飘离格线，若其向同一方向飘动，则需重新调整；若其基本稳定在格线或只在格线上 下作轻微的布朗运动，则可以认为其基本达到了力学平衡。由于油滴在实验过程中处于 挥发状态，在对同一油滴进行多次测量时，每次测量前都需要重新调整平衡电压，以免引起较大 的实验误差。事实证明，同一油滴的平衡电压将随若时间的推移有规律地递减，且其对实验误差 的贡献很大。 ②控制油滴的运动 选择适当的油滴，调整平衡电压，使油滴平衡在某一格线上，将工作状态按键切 换至“0V”,绿色指示灯点亮，此时上下极板同时接地，电场力为零，油滴将在重力、 浮力及空气阻力的作用下作下落运动，当由滴下落到有0标记的刻度线时，立刻按下 定时开始键，同时计时器开始记录油滴下落的时间：待油滴下落至有距离标志（例如 1.6)的格线时，立即按下定时结束键，同时记时器停止记时。经历一小段时间后0V、 工作按键自动切换至“工作”（平衡、提升按键处于“平衡”），此时油滴将停止下落， 可以通过确认键将此次测量数据记录到屏幕上。 将工作状态按键切换至“工作”，红色指示灯点亮，此时仪器根据平衡或提升状 态分两种情形：若置于“平衡”，则可以通过平衡电压调节旋钮调整平衡电压：若置 于“提升”，则极板电压将在原平衡电压的基础上再增加200V的电压，用来向上提升 油滴。 ③选择适当的油滴 邮编：610041

世纪中科 第 8 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：四川省成都市人民南路四段 9 号成都科分院 邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85243932 应变化； 距离标志：显示当前设置的油滴下落距离，在相应的格线上做数字标记，显示范围： 0.2mm～1.8mm； 实验方法：显示当前的实验方法（平衡法或动态法），在参数设置画面一次设定。预 改变实验方法，只有重新启动仪器（关、开仪器电源）。对于平衡法，实验方法栏仅显示 “平衡法”字样；对于动态法，实验方法栏除了显示“动态法”以外还显示即将开始的 动态法步骤。如将要开始动态法第一步(油滴下落)，实验方法栏显示“1 动态法”。同样， 当做完动态法第一步骤，即将开始第二步骤时，实验方法栏显示“2 动态法”； 仪器生产厂家：显示生产厂家； 3、 选择适当的油滴并练习控制油滴 ① 平衡电压的确认 仔细调整平衡电压旋钮使油滴平衡在某一格线上，等待一段时间，观察油滴是否 飘离格线，若其向同一方向飘动，则需重新调整；若其基本稳定在格线或只在格线上 下作轻微的布朗运动，则可以认为其基本达到了力学平衡。由于油滴在实验过程中处于 挥发状态，在对同一油滴进行多次测量时，每次测量前都需要重新调整平衡电压，以免引起较大 的实验误差。事实证明，同一油滴的平衡电压将随着时间的推移有规律地递减，且其对实验误差 的贡献很大。 ② 控制油滴的运动 选择适当的油滴，调整平衡电压，使油滴平衡在某一格线上，将工作状态按键切 换至“0 V”，绿色指示灯点亮，此时上下极板同时接地，电场力为零，油滴将在重力、 浮力及空气阻力的作用下作下落运动，当由滴下落到有 0 标记的刻度线时，立刻按下 定时开始键，同时计时器开始记录油滴下落的时间；待油滴下落至有距离标志（例如 1.6）的格线时，立即按下定时结束键，同时记时器停止记时。经历一小段时间后 0V、 工作按键自动切换至“工作”（平衡、提升按键处于“平衡”），此时油滴将停止下落， 可以通过确认键将此次测量数据记录到屏幕上。 将工作状态按键切换至“工作”，红色指示灯点亮，此时仪器根据平衡或提升状 态分两种情形：若置于“平衡”，则可以通过平衡电压调节旋钮调整平衡电压；若置 于“提升”，则极板电压将在原平衡电压的基础上再增加 200V 的电压，用来向上提升 油滴。 ③ 选择适当的油滴

第9项 要作好油滴实验，所选的油滴体积要适中，大的油滴虽然明亮，但一般带的电荷 多，下降或提升太快，不容易测准确。太小则受布朗运动的影响明显，测量时涨落较 大，也不容易测准确。因此应该选择质量适中而带电不多的油滴。建议选择平衡电压 在150-400V之间、下落时间在20S(当下落距离为2mm时)左右的油滴进行测量。 具体操作：将定时器置为“结束”，工作状态置为“工作”，平衡、提升置为平衡 通过调节电压平衡旋钮将电压调至400V以上，喷入油雾，此时监视器出现大量运动 的油滴，观察上升较慢且明亮的油滴，然后降低电压，使之达到平衡状态。随后将工 作状态置为“0”，油滴下落，在监视器上选择下落一格的时间约2S左右的油滴进行 测量。确认键用来实时记录屏幕上的电压值及计时值。当记录为5组后，按下确认键， 在界面的左面将出现V(表示五组电压的平均值)、í（表示五组下落时间的平均值）、 。(表示该油滴的五次测量的平均电荷量)的数值，若需继续实验，按确认键。 4、正式测量 实验可选用平衡测量法（推荐）、动态测量法及改变电荷法（第三种方法所用射线源 用户自备)。实验前仪器必须水平调整。 平衡测量法： ①开启电源，进入实验界面将工作状态按键切换至“工作”，红色指示灯点亮：将平衡 提升按键置于“平衡”。 ②通过喷雾口向油滴盒内喷入油雾，此时监视器上将出现大量运动的油滴。选取适当的 油滴，仔细调整平衡电压，使其平衡在某一起始格线上（见后面平衡法示意图）。 ③将工作状态按键切换至“0V”,此时油滴开始下落，当油滴下落到有“0”标记的格线 时，立即按下定时开始键，同时计时器启动，开始记录油滴的下落时间。 ④当油滴下落至有距离标记的格线时（例如：1.6），立即按下定时结束键，同时记时器 停止记时（如无人为干预，经过一小段时间后，工作状态按键自动切换至“工作”， 油滴将停止移动)，此时可以通过确认按键将测量结果记录在屏幕上。 ⑤将平衡、提升按键置于“提升”，油滴将被向上提升，当回到高于有“0”标记格线时， 将平衡、提升键置回平衡状态，使其静止。 ⑥重新调整平衡电压，重复③④⑤，并将数据记录到屏幕上（平衡电压V及下落时间t)。 当达到5次记录后，按确认键，界面的左面出现实验结果。 ⑦重复②③④⑤⑥步，测出油滴的平均电荷量 邮编：610041

世纪中科 第 9 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：四川省成都市人民南路四段 9 号成都科分院 邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85243932 要作好油滴实验，所选的油滴体积要适中，大的油滴虽然明亮，但一般带的电荷 多，下降或提升太快，不容易测准确。太小则受布朗运动的影响明显，测量时涨落较 大，也不容易测准确。因此应该选择质量适中而带电不多的油滴。建议选择平衡电压 在 150-400V 之间、下落时间在 20S（当下落距离为 2mm 时）左右的油滴进行测量。 具体操作：将定时器置为“结束”，工作状态置为“工作”，平衡、提升置为平衡 通过调节电压平衡旋钮将电压调至 400V 以上，喷入油雾，此时监视器出现大量运动 的油滴，观察上升较慢且明亮的油滴，然后降低电压，使之达到平衡状态。随后将工 作状态置为“0V”，油滴下落，在监视器上选择下落一格的时间约 2S 左右的油滴进行 测量。确认键用来实时记录屏幕上的电压值及计时值。当记录为 5 组后，按下确认键， 在界面的左面将出现 V （表示五组电压的平均值）、 t （表示五组下落时间的平均值）、 Q （表示该油滴的五次测量的平均电荷量）的数值，若需继续实验，按确认键。 4、 正式测量 实验可选用平衡测量法（推荐）、动态测量法及改变电荷法（第三种方法所用射线源 用户自备）。实验前仪器必须水平调整。 平衡测量法： ① 开启电源，进入实验界面将工作状态按键切换至“工作”，红色指示灯点亮；将平衡、 提升按键置于“平衡”。 ② 通过喷雾口向油滴盒内喷入油雾，此时监视器上将出现大量运动的油滴。选取适当的 油滴，仔细调整平衡电压，使其平衡在某一起始格线上（见后面平衡法示意图）。 ③ 将工作状态按键切换至“0V”，此时油滴开始下落，当油滴下落到有“0”标记的格线 时，立即按下定时开始键，同时计时器启动，开始记录油滴的下落时间。 ④ 当油滴下落至有距离标记的格线时（例如：1.6），立即按下定时结束键，同时记时器 停止记时（如无人为干预，经过一小段时间后，工作状态按键自动切换至“工作”， 油滴将停止移动），此时可以通过确认按键将测量结果记录在屏幕上。 ⑤ 将平衡、提升按键置于“提升”，油滴将被向上提升，当回到高于有“0”标记格线时， 将平衡、提升键置回平衡状态，使其静止。 ⑥ 重新调整平衡电压，重复③④⑤，并将数据记录到屏幕上（平衡电压 V 及下落时间 t）。 当达到 5 次记录后，按确认键，界面的左面出现实验结果。 ⑦ 重复②③④⑤⑥步，测出油滴的平均电荷量

冬化中料 第10页 至少测5个油滴，并根据所测得的平均电荷量可求出它们的最大公约数，即为基本 电荷e值（需要足够的数据统计量）。根据e的理论值，计算出e的相对误差。 平衡法示意图 O(开始下落的位置) ●（乐始记时的位置 油滴下落距离 ●（结速记时的位置） O(停止下落的位置) 4、数据处理 平衡法依据的公式为： q=92πd (s)3 (p-p:)) 1*6 其中6-2g0-p2, 9ns d为极板间距 d=5.00×10-3m η为空气粘滞系数 n=1.83×105kgm1.5 s为下落距离 依设置，默认1.6mm P,为油的密度 Pp,=981kgm3(20℃) P2为空气密度 P2=12928kgm3(标准状况下) g为重力加速度 g=9.794m·s2(成都) b为修正常数 b=0.00823N1m(6.17×10m-cmg)） p为标准大气压强 p=101325Pa(76.0cmHg) U为平衡电压 1,为油滴的下落时间 邮编：610041

世纪中科 第 10 页 成都世纪中科仪器有限公司 地址：四川省成都市人民南路四段 9 号成都科分院 邮编：610041 电话：（028）85247006 85243932 传真：（028）85243932 至少测 5 个油滴，并根据所测得的平均电荷量 Q 求出它们的最大公约数，即为基本 电荷 e 值（需要足够的数据统计量）。根据 e 的理论值，计算出 e 的相对误差。 平衡法示意图 4、数据处理 平衡法依据的公式为： 2 3 0 2 3 2 1 1 2 3 1 1 1 1 ( ) ( ) 9 2                                 pr g U t b s q d f 其中 2 1 1 2 0 2 ( ) 9             f g t s r d 为极板间距 d m 3 5.00 10    为空气粘滞系数 5 1 1 1.83 10      kgm s s 为下落距离 依设置，默认 1.6mm 1 为油的密度 3 1 981    kgm （20℃） 2 为空气密度 3 2 1.2928    kgm （标准状况下） g 为重力加速度 2 9.794  g  ms （成都） b 为修正常数 b =0.00823 N / m （6.17×10-6 mcmHg ） p 为标准大气压强 p 101325Pa （76.0 cmHg ） U 为平衡电压 f t 为油滴的下落时间 （开始下落的位置） 0 （开始记时的位置） 。 油滴下落距离 。 。 1.6 （结束记时的位置） （停止下落的位置）