仿真軟件靜態(tài)法測量密立根油滴實(shí)驗(yàn)

韓玉龍 郭文博 梅亞軍 宋棟才 張靜雅

摘 要：密立根油滴實(shí)驗(yàn)選擇合適平衡電壓以及油滴是實(shí)驗(yàn)成敗的關(guān)鍵，本文以科大奧瑞仿真軟件為平臺，展示了靜態(tài)法測量密立根油滴所帶電量的參數(shù)以及取值范圍，為學(xué)生深刻理解實(shí)驗(yàn)提供幫助。

關(guān)鍵詞：密立根油滴實(shí)驗(yàn)；靜態(tài)法；科大奧瑞

1909年～1917年之間，美國著名的實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家密立根（Robert Andrews Millikan），用油滴法測量微小油滴上帶有的電荷量，證明任何帶電體所帶的電荷量都是某一個最小電荷（基本電荷）的整數(shù)倍，確定電荷的不連續(xù)性以及精確測定了基本電荷的數(shù)值。羅伯特·密立根因而獲得1923年的諾貝爾物理學(xué)獎。

油滴法測量電子的電荷量通常有靜態(tài)法和動態(tài)法，本文以科大奧瑞仿真軟件為平臺，利用靜態(tài)法測量，靜態(tài)法示意圖如圖1所示。

圖1 靜態(tài)法示意圖

油滴從噴壺中噴出，由于摩擦油滴帶電進(jìn)入電壓為V的極板之間，油滴收到重力和電場力的作用，可以通過調(diào)節(jié)極板間電壓是兩個力平衡，根據(jù)理論推導(dǎo)，可得電荷量滿足的關(guān)系式為：

式中a為未修正的油滴半徑a=9ηvg2ρg，油滴勻速下降的速度vg=ltg。

本實(shí)驗(yàn)提供相關(guān)實(shí)驗(yàn)常數(shù)，油滴的密度ρ：981kg/m3；重力加速度g：9.794m/s2；空氣粘滯系數(shù)η：1.83×10-5Pa·s；油滴勻速下降距離l：2mm；修正常數(shù)b：8.22×10-3N/m；大氣壓強(qiáng)p：1.013×105Pa；電壓板之間的距離d：5mm；單元電荷電量q0：1.602×10-19C；油滴在面板上移動的距離為l：2mm

根據(jù)密立根油滴實(shí)驗(yàn)中油滴的參數(shù)選擇分析，油滴下落距離一定時，所耗時間越長，油滴半徑越小，結(jié)論可知當(dāng)用時小于15s時，油滴攜帶電量必然大；當(dāng)用時大于45s時，油滴半徑過小，其運(yùn)動情況受布朗運(yùn)動影響較大。因此實(shí)驗(yàn)過程中，選用時在20～30s范圍內(nèi)比較合適。選擇合適的油滴大小，同時要注意平衡電壓的選擇。實(shí)驗(yàn)過程中，一般選擇電荷數(shù)小于等于5的油滴進(jìn)行觀測，對于用時20s的油滴，平衡電壓應(yīng)在150～250V之間，用時30s的油滴，平衡電壓在100～250V之間比較合適。

圖2 科大奧瑞密立根油滴實(shí)驗(yàn)儀界面

實(shí)驗(yàn)中，以科大奧瑞仿真軟件為平臺，如圖2所示，平衡電壓在150～250V之間，每10V之間取一個值進(jìn)行測量。

總結(jié)，本次實(shí)驗(yàn)所選油滴所用時間在20s左右，所帶電荷數(shù)在4～7個之間，測量誤差在2%以內(nèi)，測量結(jié)果良好。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉芬，王愛芳，楊田林.密立根油滴實(shí)驗(yàn)中油滴的參數(shù)選擇分析[J].實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)，2014，12（4）：23-24.

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作者簡介：

韓玉龍，郭文博，梅亞軍，宋棟才，張靜雅，安徽省蕪湖市，安徽信息工程學(xué)院。