《大学物理实验》课程教学资源（教案）密立根油滴实验

大学物理实验教案密立根油滴实验实验题目实验性质2教师余利华近代及综合性实验实验学时1.理解密立根油滴实验测量基本电荷的原理和方法。教学目的2.验证电荷的不连续性，并测量基本电荷的电量。1.理解测量基本电荷的原理和方法。重点2.验证电荷的不连续性。难点选择大小合适的油滴课前的准备：1.仪器设备的检查课上教学的设计：一、课上的常规检查（预习报告、预习思考题等）。(5分钟)(20分钟)二、讲解的设计1、引言密立根油滴实验在近代物理学发展史上是一个十分重要的实验，它证明了电荷的不连续性，并精确地测得了基本电荷的电量。密立根油滴实验设计巧妙、方法简便、结果准确，是一个著名的有启发性的实验。2、提出本实验的目的与任务，强调重点及难点教3、实验原理学一质量为m、带电量为q的油滴处于过程相距为d的二平行极板间，当在平行极板qE的上加上电压U时，带电油滴处在静电场中，otou设frllmg受到静电场力qE。当静电场力与重力方向计相反且使油滴加速上升时，油滴将受到向下的粘滞阻力。随着上升速度的增加，粘图1极板间油滴受力图滞阻力也增加。一旦粘滞阻力、重力与静电力平衡时，油滴将以极限速度U匀速上升，如图1所示。因此有Umg + 6元anUa = qE = q(1.11)(1)动态法测量油滴电荷的公式：q=U(ttata当调节平行板间电压使油滴不动时，Ua=0，即ta→。由（1）式可得

大 学 物 理 实 验 教 案 实验题目 密立根油滴实验 实验性质 近代及综合性实验 实验学时 2 教师 余利华 教学目的 1. 理解密立根油滴实验测量基本电荷的原理和方法。 2. 验证电荷的不连续性，并测量基本电荷的电量。 重 点 1. 理解测量基本电荷的原理和方法。 2. 验证电荷的不连续性。 难 点 选择大小合适的油滴 教 学 过 程 的 设 计 课前的准备： 1.仪器设备的检查 课上教学的设计： 一、课上的常规检查 （预习报告、预习思考题等）。 (5 分钟) 二、讲解的设计 (20 分钟) 1、引言 密立根油滴实验在近代物理学发展史上是一个十分重要的实验，它证明了电荷的 不连续性，并精确地测得了基本电荷的电量。密立根油滴实验设计巧妙、方法简便、 结果准确，是一个著名的有启发性的实验。 2、提出本实验的目的与任务，强调重点及难点 3、实验原理 一质量为 m、带电量为 q 的油滴处于 相距为 d 的二平行极板间，当在平行极板 上加上电压 U 时，带电油滴处在静电场中， 受到静电场力 qE。当静电场力与重力方向 相反且使油滴加速上升时，油滴将受到向 下的粘滞阻力。随着上升速度的增加，粘 滞阻力也增加。一旦粘滞阻力、重力与静 电力平衡时，油滴将以极限速度 u  匀速上 升，如图 1 所示。因此有 d U mg + 6ad = qE = q 动态法测量油滴电荷的公式： 2 1 1 1 1                 = + u d d U t t t K q （1） 当调节平行板间电压使油滴不动时， d = 0 ，即 td →  。由（1）式可得 图 1 极板间油滴受力图

2K18元nld(2)静态法测量油滴电荷的公式：=Ut2pgbU11+Idpa)表1公式中有关参数的值b(m·Pa)(m)(6 格)g(m-s*2)n(kgm".s-)d(m)p(Pa)5.00×10-38.21×10-31.50×10-39.7941.0131.83×10-5(6.00×10-3)表2上海产中华牌701型钟表油密度随温度变化值温度(℃)010203040密度p(kg/m)971991986981976为了求得电子电荷，需测几个油滴的带电量9，求其最大公约数，该最大公约数就是电子电荷e的值。说明：（1）由于空气粘滞阻力的存在，油滴先经一段变速运动后再进入匀速运动。但变速运动的时间非常短（小于0.0Is），与仪器计时器精度相当，所以实验中可认为油滴自静止开始运动就是匀速运动。（2）运动的油滴突然加上原平衡电压时，将立即静止下来。4、实验仪器OM98CCD微机密立根油滴实验仪。该试验仪主要由油滴盒、CCD电视显微镜、电路箱和22cm监视器等组成。7689?一O10an123提开O平衡14Vpv计时/停平衡电压/12/13.L1L10图4-10-3油滴盒结构图图4-10-4电路箱面板结构图1-油雾室：2-油雾孔开关：3-防风罩：4-上电极：1-视频电缆：2-保险丝：3-电源开关：4-指示灯：5-油滴盒；6-下极板：7-座架：8-上盖板5-电源线;6-水准仪；7-聚焦手轮;8-显微镜；9-喷雾口：10-油雾孔：11-上电极压簧：12-落油孔，9-平衡调节旋钮：10-“计时／停”开关13-摄像孔，14-油滴盒基座11-电压调节开关：12-极性开关：13-上电极压簧

静态法测量油滴电荷的公式： 3 2 3 2 1 18 2 1 d d K l d q U t U g b t pa            = =             +     （2） 表 1 公式中有关参数的值 b(m·Pa) d(m) l(m)(6 格) g(m·s-2 ) p(Pa) η(kg·m -1·S -1 ) 8.21×10-3 5.00×10-3 (6.00×10-3 ) 1.50×10-3 9.794 1.013 1.83×10-5 表 2 上海产中华牌 701 型钟表油密度随温度变化值 温度 t(℃) 0 10 20 30 40 密度 ρ(kg/m3 ) 991 986 981 976 971 为了求得电子电荷，需测几个油滴的带电量 q，求其最大公约数，该最大公约数就是 电子电荷 e 的值。 说明： （1）由于空气粘滞阻力的存在，油滴先经一段变速运动后再进入匀速运动。但变 速运动的时间非常短（小于 0.0ls），与仪器计时器精度相当，所以实验中可认为油滴 自静止开始运动就是匀速运动。 （2）运动的油滴突然加上原平衡电压时，将立即静止下来。 4、实验仪器 OM98CCD 微机密立根油滴实验仪。 该试验仪主要由油滴盒、CCD 电视显微镜、电路箱和 22cm 监视器等组成。 图 4-10-3 油滴盒结构图 1-油雾室;2-油雾孔开关;3-防风罩;4-上电极; 5-油滴盒;6-下极板;7-座架;8-上盖板; 9-喷雾口;10-油雾孔;11-上电极压簧;12-落油孔; 13-摄像孔;14-油滴盒基座 图 4-10-4 电路箱面板结构图 1-视频电缆;2-保险丝;3-电源开关;4-指示灯; 5-电源线;6-水准仪;7-聚焦手轮;8-显微镜; 9-平衡调节旋钮;10-“计时／停”开关; 11-电压调节开关;12-极性开关;13-上电极压簧

5、实验内容实验只要求用静态平衡法测量，平衡测量法的具体步骤是：（）通过电压调节按钮将已经调平衡的油滴移动至第二条水平（“起点"）线上。(2）按下“清零”按钮，使计时器处于00.00状态。(3）按下“计时”按钮，此时测量联动，油滴开始匀速下降，计时器开始计时。（4）等到油滴到达第6条水平（终点”）线时，迅速将按下“平衡”按钮，油滴立即静止，计时也自动停止。从屏幕上记下相应的平衡电压U、油滴下降4格运动时间d。对同一油滴重复上述步骤测量6次。每次测量都应检查和调整平衡电压，以减少因油滴挥发引起平衡电压变化，而产生的系统误差。选择5颗油滴进行测量，求得每颗油滴所带电荷的平均值。6、数据处理用“反向验证法"计算，即将基本电荷的理论值e=1.602×10-19库仑去除每颗油滴的带电量，把得到的商四舍五入取整，作为油滴所带基本电荷的个数n，再把电量可除以n求得基本电荷e的值。计算过程在实验室计算机备用的专用数据处理软件上进行。7、操作要点（1）能观察到油滴纷纷下落是测量的首要条件。因此，首先应注意显微镜头伸入油滴盒中位置约在环状空间的中间位置上，调焦伸缩的范围为油雾孔的直径长度。（2）调节平衡电压的大小，当屏幕上看到油滴的运动方向随平衡电压的大小而改变，选择这样的油滴为测量对象。8、注意事项（1）油雾喷雾器中的油不可装油太满，淹没壶中侧弯管底部即可。用完后一定要放入专用器血中，以免摔坏。使用、存放喷雾器时，喷口始终朝上，以免机油流出。(2）若显示屏上看不到油滴（油滴盒中没有油雾），有可能上电极中心小孔堵塞，需进行清理。(3）若显示屏上看不到油滴（油滴盒中没有油雾），有可能上电极中心小孔堵塞，需进行清理。(65分钟）三、学生的实验开始及指导课后实验中，屏幕上观测的油滴在水平方向运动，或者变模糊甚至消失的原因是什么？思考题

5、实验内容 实验只要求用静态平衡法测量，平衡测量法的具体步骤是： (1) 通过电压调节按钮将已经调平衡的油滴移动至第二条水平（“起点”）线上。 (2) 按下“清零”按钮，使计时器处于 00.00 状态。 (3) 按下“计时”按钮，此时测量联动，油滴开始匀速下降，计时器开始计时。 (4) 等到油滴到达第 6 条水平（“终点”）线时，迅速将按下“平衡” 按钮，油滴立即 静止，计时也自动停止。从屏幕上记下相应的平衡电压 U、油滴下降 4 格运动时间 td。 对同一油滴重复上述步骤测量 6 次。每次测量都应检查和调整平衡电压，以减少 因油滴挥发引起平衡电压变化，而产生的系统误差。 选择 5 颗油滴进行测量，求得每颗油滴所带电荷的平均值 q 。 6、数据处理 用“反向验证法”计算，即将基本电荷的理论值 e=1.602×10-19 库仑去除每颗油滴的 带电量 q ，把得到的商四舍五入取整，作为油滴所带基本电荷的个数 n，再把电量 q 除 以 n 求得基本电荷 e 的值。 计算过程在实验室计算机备用的专用数据处理软件上进行。 7、操作要点 （1）能观察到油滴纷纷下落是测量的首要条件。因此，首先应注意显微镜头伸入油 滴盒中位置约在环状空间的中间位置上，调焦伸缩的范围为油雾孔的直径长度。 （2）调节平衡电压的大小，当屏幕上看到油滴的运动方向随平衡电压的大小而改变， 选择这样的油滴为测量对象。 8、注意事项 (1) 油雾喷雾器中的油不可装油太满，淹没壶中侧弯管底部即可。用完后一定要 放入专用器皿中，以免摔坏。使用、存放喷雾器时，喷口始终朝上，以免机油流出。 (2) 若显示屏上看不到油滴（油滴盒中没有油雾），有可能上电极中心小孔堵塞， 需进行清理。 (3) 若显示屏上看不到油滴（油滴盒中没有油雾），有可能上电极中心小孔堵塞， 需进行清理。 三、学生的实验开始及指导 (65 分钟) 课 后 思 考 题 实验中，屏幕上观测的油滴在水平方向运动，或者变模糊甚至消失的原因是什么？

[1]刘智新,李慧娟,穆秀家．密立根油滴实验人为操作引起的误差探析.大学物理，2008,vol.27(04): 33-36参考[2]郑立军,杨宏伟。密立根油滴实验中油滴带电荷数的辅助分析．大学物理实验.2003,文vol.16(02):32-33献[3]朱世坤，密立根油滴实验中应注意的两个问题，大学物理实验.2004,vol.17(02):30-31

参 考 文 献 [1] 刘智新,李慧娟,穆秀家. 密立根油滴实验人为操作引起的误差探析. 大学物理. 2008, vol.27(04): 33-36 [2] 郑立军,杨宏伟. 密立根油滴实验中油滴带电荷数的辅助分析. 大学物理实验. 2003, vol.16(02): 32-33 [3] 朱世坤. 密立根油滴实验中应注意的两个问题. 大学物理实验. 2004, vol.17(02): 30-31