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基本电荷量的测量物理实验报告5篇

时间:2022-11-09 18:54:04 来源:网友投稿

基本电荷量的测量物理实验报告5篇基本电荷量的测量物理实验报告  用密立根油滴仪测量电子电量实验报告记录  ————————————————————————————————作者:——————————下面是小编为大家整理的基本电荷量的测量物理实验报告5篇,供大家参考。

基本电荷量的测量物理实验报告5篇

篇一:基本电荷量的测量物理实验报告

  用密立根油滴仪测量电子电量实验报告记录

  ————————————————————————————————作者:————————————————————————————————日期:

  2

  用密立根油滴仪测量电子电量

  摘要:密立根油滴仪可以测定油滴的电量,并可验证电荷的量子性,即任何带电体所带的电量都是基本电荷的整数倍.密立根油滴仪的设计思想巧妙,其测量油滴电量的方法筒单,而结果却具有不容置疑的说服力。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(具有颗粒性)。(2)测量并得到了元电荷即为电子电荷,其值为e=1.602×10-19C。

  关键词:油滴仪;电子电量;静态平衡测量法;喷雾;中图分类号:+O文献标识码:A

  UsingMillikanoildropinstrumentmeasuringofelectroniccharge

  Abstract:Millikanoildropinstrumentcanmeasuretheoildropletsoftheelectricity,andcanvalidatethecharge

  quantization,namelyanybodychargedwithelectricityareintegermultiplesofthebasiccharge.Millikanoildrop

  instrumentoftheingeniousdesign,themeasurementofoildropletchargemethodandtheresultisasingle

  cylinder,allowalldoubtpersuasion.Millikaninthisexperimentalworkhasspentnearly10yearsofefforts,and

  achievedsignificantresults,itisprovedthatthecharge(1)discontinuity(havingaparticle).(2)Measurementand

  gettheelementarychargeisthechargeoftheelectron,itsvalueise=1.60×10-19C.

  Keyword:Oildropinstrument;Electroniccharge;Staticbalancemeasuringmethod;Spray;

  美国著名实验物理学家密立根花了七年功夫(1909~1917)所做的测量微小油滴上所带电荷的工作在近代物理学发展中具有重要意义,实验设计巧妙,简单方便地证明了所有电荷

  都是基本电荷e的整数倍,明确了电荷的不连续性。现在公认的基本电荷为e=(1.602±

  0.002)×10-19C.由于实验中喷出的油滴是非常微小的,难于捕捉、控制和测量,因此做本实验时,特别要有严谨的科学态度,严格的实验操作,准确的数据处理,才能得到比较好的实验结果。

  一、实验目的

  1.领会密立根油滴实验的设计思想。2.掌握密立根油滴仪的使用方法。3.运用密立根油滴仪测定油滴的电量,并验证电荷的量子性。

  二、实验原理

  用喷雾器将油滴喷入两块相距为

  d的水平放置的平行板之间。由于喷射时

  d的摩擦,油滴一般带有电量q。当平行板间加有电压V,产生电场E,油滴受电场力作用。调整电压的大小,使

  qEVmg

  油滴所受的电场力与重力相等,油滴将静止地悬浮在极板中间,见图1。此时

  图1带电平行板间油滴的平衡

  mgqEqVd

  或

  3

  qmgdV

  (1)

  V、d是容易测量的物理量,如果进一步测量出油滴的质量m,就能得到油滴所带的电

  量。实验发现,油滴的电量是某最小恒量的整数倍,即q=ne,n1,2,……。这样就证明了电荷的不连续性,并存在着最小的电荷单位,即电子的电荷值e。

  设油滴的密度为,油滴的质量m可用下式表示:

  m4r33

  (2)

  为测量r,去掉平行板间电压。油滴受重力而下降,同时受到空气的粘滞性对油滴所产生的阻力。粘滞力与下降速度成正比,也就是服从斯托克斯定律:

  fr6rv

  (3)

  (式中是空气粘滞系数,r是油滴半径,v是油滴下落速度)油滴受重力

  p4r3g

  (4)

  3

  当油滴在空气中下降一段距离时,粘滞阻力增大,达到二力平衡,油滴开始匀速下降。

  4r3g6rv

  (5)

  3

  解出油滴半径:

  r9v2g

  (6)

  对于半径小到106m的油滴,空气介质不能认为是均匀连续的,因而需将空气的粘滞系数修正为:

  

  

  

  1

  

  b

  pr

  式中b为一修正系数,p为大气压强,于是可得:

  r9v1

  (7)

  2g1b

  pr

  4

  3

  

  2

  m

  

  4

  

  

  9v

  

  1

  

  

  3

  2g

  1

  bpr

  

  (8)

  上式根号中还包含油滴半径r,但因它是处于修正项中,不须十分精确,故可将(6)带

  入(8)式进行计算。

  考虑到油滴匀速下降的速度v等于匀速下降的距离与经过这段距离所需时间的比值,即

  v=l/t。得到:

  3

  

  2

  m

  

  4

  

  

  9l

  

  1

  

  

  (9)

  3

  2gt

  1

  bpr

  将上式代入(1)式可得:

  3

  

  2

  qne

  18

  

  l

  

  2g

  

  t1

  

  bpr

  

  

  dV

  (10)

  上式及公式(6)就是本实验的所用的基本公式。

  三、实验仪器

  密立根油滴仪包括:油

  滴盒、油滴照明装置,测量1.油雾室

  显微镜、供电电源以及电子2.油滴盒

  停表、喷雾器等部分组成。3.防风罩

  如图3所示,油滴盒由4.照明灯

篇二:基本电荷量的测量物理实验报告

  ,.

  实验33元电荷的测定

  1897年,J.J.汤姆逊发现了电子后,许多科学家为测量电子的电荷量进行了大量的实验探索工作。其中,美国物理学家密立根(R.A.Millikan)从1910年开始,历时七年之久,通过测量微小油滴所带的电荷,不仅证明了电荷的不连续性,即所有的电荷都是基本电荷e的整数倍,而且测得了基本电荷的准确值。电荷e是一个基本物理量,它的测定还为从实验上测定电子质量、普朗克常数等其他物理量提供了可能性,密立根因此获得了1923年的诺贝尔物理学奖。

  密立根油滴实验用经典力学的方法,揭示了微观粒子的量子本性。它的构思巧妙,设备简单,结果准确,是一个著名而有启发性的物理实验。本实验就是采用密立根油滴实验的方法来测定电子的电荷值e的。实验中油滴非常微小(半径约为109m,质量约为1015kg),进行本实验需具备严谨的科学态度、严格的实验操作、准确的数据处理,才能得到较好的实验结果。

  一、实验目的

  1.了解油滴仪测定油滴带电量的基本原理及实验方法。2.测定电子的电荷值e并验证电荷的不连续性。

  二、实验仪器

  密立根油滴仪、喷雾器等。

  三、实验原理

  ,.

  1.基本原理

  实验中,用喷雾器将油滴喷入两块相距为d的水平放置的平行极板之间,

  如图33-1所示。油滴在喷射时由于摩擦,一般都会带电。设油滴的质量为m,

  所带电量为q,加在两平行极板之间的电压为V,油滴在两平行极板之间将受到两个力的作用,一个是重力mg,一个是电场力qE=q?V。通过调节加在两极

  d板之间的电压V,可以使这两个力大小相等、方向相反,从而使油滴达到平衡,

  悬浮在两极板之间。此时有

  mgqEqVd

  (33-1)

  其中,m为油滴的质量(约1015kg),q为油滴所带的电量,d为两极板间的距

  离,V为油滴平衡不动时所加电压。

  图33-1

  图33-2

  为了测出q值,除测定d、V外,还需要测定m,油滴的m很小,需要用如

  下方法测定。

  2.油滴质量m的测定

  如图33-2所示,平行板未加电压时,油滴受重力而加速下降,但空气的

  粘滞性对油滴所产生的阻力与速度成正比,由stokes定律知fr=6pa0hug,油滴下降一段距离后,油滴匀速下降,阻力与重力平衡(忽略空气浮力),有

  fr=6pa0hug=mg

  (33-2)

  其中,h是空气的粘滞系数,a0为油滴的半径,约106m(油滴由于表面张力,

  ,.

  总是呈小球状),g为油滴匀速下降时的运动速度。

  设油的密度为r,油滴的质量又可表示为

  m

  43

  a03

  将(33-3)式代入(33-2)式得

  (33-3)

  a09g2g

  (33-4)

  对于半径小于106m的小球,大小与空气孔隙相近,空气介质不能再认为是均匀

  的,粘滞系数应修正为1b,式中b为一修正常数,p为大气压强,这

  pa0

  时a0应改为a1,其中

  a1=

  9hug?12rg1+b

  pa0

  (33-5)

  (33-5)式根号中仍含有a0,但它处于修正项中,不需十分精确,仍可用(33-4)

  式计算。将(33-5)式代入(33-3)式,得

  m=

  43

  pr

  (9hug2rg

  ?1+

  1

  b

  )32

  pa0

  (33-6)

  3.g的测定

  当电压V=0时,测出油滴在平行极板间匀速下降L距离所用的时间t,则

  g

  Lt

  (33-7)

  4.q的计算公式

  将(33-6)式、(33-7)式代入(33-1)式,整理后得

  轾犏

  32

  q=

  18p2rg

  鬃犏犏犏犏t(1+hLb

  )

  dV

  犏臌pa0

  (33-8)

  ,.

  其中,油的密度ρ=(991-0.5T)kgm3(它随温度变化),重力加速度

  (

  T

  273

  )

  32

  383

  g=9.7905m×s-2,空气的粘滞系数273

  1.73105N.S.m2,油

  T383

  滴匀速下降距离L=1.60103m,修正常数b=8.23103N.m1,大气压强

  p=101325Pa,平行极板距离d=5.00103m

  将以上数据代入(33-8)式,得

  q=

  1.02´10轾犏臌t(1+0.0196

  14

  t

  )

  3

  2

  ?1V

  5.电荷的不连续性

  (33-9)

  实验发现:(1)对于同一个油滴,如果改变它所带的电量(如加放射源、X

  射线等),则能够使油滴达到平衡的电压必须是某些特定的值Vn,研究Vn的规律,

  可以发现Vn满足下列方程

  q=ne=mg?dVn

  (33-10)

  其中n=±1,±2,……,而e则是一个不变的值。这表示电量q是不连续的,

  是最小单位e(电子电荷值)的整数倍。

  (2)对于不同的油滴,可以发现有同样的规律,而且e值是相同的常数,这

  说明电荷是不连续的,电荷存在着最小的电荷单位,也即是电子的电荷值e。于

  是,(33-8)式可化为

  32

  ne

  18

  L

  d

  2g

  t(1

  bpa0

  )

  V

  (33-11)

  根据式(33-11)即可测出电子的电荷值e,验证电子电荷的不连续性。

  ,.

  四、实验内容

  1.测定油滴所带电量q调节平衡电压值,使油滴平衡不动,记录此时的平衡电压V,测定油滴在平

  衡极板间匀速下降1.6mm所用的时间t。根据公式(33-9),计算油滴所带电量q。2.验证电荷的不连续性

  为了证明电荷的不连续性和所有电荷都是基本电荷e的整数倍,并求得e值,我们用“倒过来验证”的办法进行数据处理,即用实验测得q与公认的电子电荷值(e=1.6021892×1019C)相比较,定出n(取最接近的整数),最后用q/n求出实验值e实验。

  五、实验步骤

  1.仪器调节(1)水平调整调整实验仪主机的调平螺钉(21)(俯视时,顺时针平台降低,逆时针平台

  升高),直到水准泡正好处于中心(注:严禁旋动水准泡上的旋钮)。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左右的漂移。

  (2)喷雾器调整将少量钟表油缓慢地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)、开机

  ,.

  a、打开实验仪电源及监视器电源,监视器出现仪器名称及研制公司界面。b、按主机上任意键:监视器出现参数设置界面,先设置实验方法,然后根据该地的环境适当设置温度、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、按确认键后出现实验界面:将工作状态切换至“工作”,红色指示灯亮,将平衡、提升按键设置为“平衡”。(4)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。2.练习测量(1)选择合适的油滴(下落时间20~30s,电压250~300vdc)根据油滴在电场中受力平衡公式qv/d=4πa3ρg/3以及多次实验的经验,当油滴的实际半径在0.5-1μm时最为适宜。若油滴过小,布朗运动影响明显,平衡电压不易调整,时间误差也会增加;若油滴过大,下落太快,时间相对误差增大,且油滴带多个电子的几率增加,前面说到,我们希望合适的油滴最好带1-5个电子。操作方法:按键设置状态分别为;“结束”、“工作”、“平衡”状态,平衡电压调为约400V。喷入油滴,调节调焦旋钮,使屏幕上显示大部分油滴,可见带电多的油滴迅速上升出视场,不带电的油滴下落出视场,约10s后油滴减少。选择那种上升缓慢的油滴作为暂时的目标油滴,切换“0V/工作”键,这时极板间的电压为0V,在暂时的目标油滴中选择下落速度为每格3~4s的作为最终的目标油滴,调节调焦旋钮使该油滴最小最亮。

  ,.

  (2)平衡电压的确认目标油滴聚焦到最小最亮后,仔细调整平衡时的“电压调节”使油滴平衡在某一格线上,等待一段时间(大约两分钟),观察油滴是否飘离格线。若油滴始终向同一方向飘离,则需重新调整平衡电压;若其基本稳定在格线或只在格线上下做轻微的布朗运动,则可以认为油滴达到了力学平衡,这时的电压就是平衡电压。(3)控制油滴的运动将油滴平衡在屏幕顶端的第一条格线上,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,油滴在重力、浮力及空气阻力的作用下作下落运动。油滴是先经一段变速运动,然后变为匀速运动,但变速运动的时间非常短(小于0.01s,与计时器的精度相当),所以可以认为油滴是立即匀速下落的。当油滴下落到有0标记的格线时,立刻按下“计时”键,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(1.6)的格线时,再次按下计时键,计时器停止计时(计时位置见图3-3),此时油滴停止下落。“0V/工作”按键自动切换至“工作”,“平衡/提升”按键处于“平衡”,可以通过“确认”键将此次测量数据记录到屏幕上。将“平衡/提升”按键切换至“提升”,这时极板电压在原平衡电压的基础上增加约200V的电压,油滴立即向上运动,待油滴提升到屏幕顶端时,切换至“平衡”,找平衡电压,进行下一次测量。每颗油滴共测量5次,系统会自动计算出这颗油滴的电荷量。

  0油滴下落距离

  1.6

  (开始下落的位置)

  (开始记时的位置)

  。。。

  (结束记时的位置)

  ,.

  图33-3平衡法计时位置示意图

  3.正式测量(1)、在前面步骤选择合适油滴的基础上,将“0V/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,立即按下计时开始键,同时计时器启动,开始记录油滴的下落时间t。(2)当油滴下落至有距离标记的格线时(例如:1.6),立即按下计时结束键,同时计时器停止计时,油滴立即静止,“0V/工作”按键自动切换至“工作”。通过“确认”按键将这次测量的“平衡电压和匀速下落时间”结果同时记录在监视器屏幕上。(3)将“平衡/提升”按键置于“提升”,油滴将向上运动,当回到高于有“0”标记格线时,将“平衡/提升”键切换至平衡状态,油滴停止上升,重新调整平衡电压。(注意:如果此处的平衡电压发生了突变,则该油滴得到或失去了电子。这次测量不能作数,从步骤②开始重新找油滴。)(4)重复(1)(2)(3),并将数据(平衡电压V及下落时间t)记录到屏幕上。当5次测量完成后,按“确认”键,系统将计算5次测量的平均平衡电压U和平均匀速下落时间t,并根据这两个参数自动计算并显示出油滴的电荷量q。

  ,.

  (7)重复上述步骤,共找5颗油滴,并测量每颗油滴的电荷量计算定出每个油滴的n和e,最后求出e再与e公认比较,算出百分偏差。

  4.数据记录及处理表格

  油滴序号

  平衡电压次数

  V/V

  1

  2

  1

  3

  4

  5

  平均

  1

  2

  3

  2

  4

  5

  平均

  1

  2

  3

  3

  表33-1

  下降时间T/s

  qne/1019C

  e/1019Cn

  ,.

  4

  5

  平均

  e

  六、注意事项

  B=e-e公认?100%e公认

  1、CCD盒、固定螺钉、摄像镜头的机械位置不能变更,否则会对像距及成像角

  度造成影响。

  2、仪器使用环境:温度为(0-40℃)的静态空气中。

  3、注意调整进油量开关,应避免外界空气流动对油滴测量造成影响。

  4、仪器内有高压,实验人员避免用手接触电极。

  5、实验前应对仪器油滴盒内部进行清洁,防止异物堵塞落油孔。

  6、注意仪器的防尘保护。

  七、思考题

  1.通过实验数据进行分析,指出作好本实验关键要抓住哪几步?造成实验数据测量不准的原因是什么?2.为什么对不同油滴测得的电子电荷最后不能再求平均值来得到电子电荷的测量值?

  附录一ZKY-MLG-6型油滴仪简介

  1.仪器基本结构实验仪由主机、CCD成像系统、油滴盒、监视器和喷雾器等部件组成。

  ,.

  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3-4。

  图33-4主机部件示意图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、计时开始/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)

  ,.

  CCD模块及光学成像系统用来捕捉暗室中油滴的像,同时将图像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,使油滴的像清晰地呈现在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大小,用来控制油滴的平衡、下落及提升。

  计时“开始/结束”按键用来计时、“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3-5所示。

  图33-5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

  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,使油雾不会过早地散逸;

  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。

  2.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,如图3-6。不同的实

  验方法的实验界面有一定差异。

  0

  (极板电压)(计时时间)

  (电压保存提示栏)

  (保存结果显示区)(共5格)

  (距离标志)

  (下落距离栏)(实验方法栏)

  (仪器生产厂家)

  ,.

  图33-6实验界面示意图

  极板电压:实际加到极板的电压,显示范围:0~1999V。

  计时时间:计时开始到结束所经历的时间,显示范围:0~99.99S。

  电压保存提示:将要作为结果保存的电压,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)(下落时间)

  动态法:

  (提升电压)(平衡电压)(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:显示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。垂直方向视场范围为2mm,分为10格,每格0.2mm。

  实验方法:显示当前的实验方法(平衡法或动态法),在参数设置界面设定。欲改变实验方法,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,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。

  附录二常用参数表

  表33-2油滴仪专用的油密度随温度变化表

  温度(C)

  0

  10

  20

  30

  40

  (kgm3)

  991

  986

  981

  976

  971

  表33-3空气的动态粘度η

  t(C)

  0

  1.71

  (´10-4Pa)

  0

  101.760

  201.810

  301.857

  401.964

  501.981

  601.998

  702.044

  802.081

  附录三油滴仪测定基本电荷的另一种方法

  最初的密立根油滴实验是利用(33-8)式,即测出平衡电压Vn、匀速下降速度g,求出ne,定出e。后来密立根又进行了改进,以后对于e的测量大多采用以下方法:改变带电油滴的带电量或改变极板之间的场强(即改变极板间的电压),测出油滴在有电场存在时的匀速运动速度E,而后定出电子电荷e。具体方法为:如在两极板间不加电压,油滴在空气中均速降落时,将同时受到重力和空气阻力的作用,且两者平衡,mg6a0g

  ,.

  即

  43

  a03g

  6a0g

  则

  a0

  9g2g

  (33-12)(33-13)

  如果在两极板间加上任意电压V,当油滴在电场中匀速上升时(速度为E,

  E与g反向)则有

  qEmg6a0E

  (33-14)

  由(33-12)、(33-13)及(33-14)式得

  q

  4(9)32(g)1232g

  dV

  (g

  E)

  (33-15)

  由于油滴很小,(33-15)式中η也应修正

  1bpa0

  代入(33-15)式得

  q

  ne

  4(9)32(g)1232g

  dV

  (g

  E)(1

  bpa0

  )32

  (33-16)

  其中g

  Lgtg

  ,E

  LEtE

  。

  如果取LgLE0.002m,并将π、η、d、ρ、g、b、p等数值代入(33-16)

  式则可写成

  q=ne=1.43?10-14(1tE1tg)V?tg(10.02tg)32

  (33-17)

  如果电压V加上后,油滴E的方向与不加电压时油滴g的方向相同,则

  q=ne=1.43?10-14(1tg1tE)V?tg(10.02tg)32

  (33-18)

  实验中测出V,tg及tE,利用(33-17)式或(33-18)式,即可算出q,再由qe公认

  ,.

  定出n,然后求出e实验qn。(这里所用符号的物理意义与前面完全一样)

篇三:基本电荷量的测量物理实验报告

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  大学物理实验报告

  课程名称:大学物理实验实验名称:基本测量学院名称:机电工程学院专业班级:学生姓名:学号:实验地点:基础实验大楼D508座位号:32实验时间:第三周周二下午一点开始

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  实验一长度和圆柱体体积的测量一、实验目的:

  1.掌握游标的原理,学会正确使用游标卡尺2.了解螺旋测微器的结构和原理,学会正确使用螺旋测微器3.掌握不确定度和有效数字的概念,正确表达测量结果

  二、实验仪器:

  游标卡尺、螺旋测微器

  三、实验原理:

  当待测物体是一直径为d,、高度为h的圆柱体时,物体的体积为V=πd²h/4,只要用游标卡尺测出高度h,用螺旋测微器测出直径d,代入公式就可以算出该圆柱体的体积。一般说来,待测圆柱体各个断面大小和形状都不尽相同。从不同方位测量它的直径,数值会稍有差异;圆柱体的高度各处也不完全一样。为此,要精确测定圆柱体的体积,必须在它的不同位置测量直径和高度,求出直径和高度的算术平均值。

  四、实验内容和步骤:

  1.用游标卡尺测量圆柱的高度h(1)利用表达式a/n(其中a为主尺刻线间距,n为游标分度数)确定所用的游标卡尺的最小分度值(2)检查当外卡钳口合拢时,游标零线是否和主尺零线对齐,如不对齐,则读出这个初读数(即零点偏差)(3)用游标卡尺在圆柱体不同部位测量高度五次,将测得的结果填

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  入自拟表中2.用螺旋测微器测圆柱直径d(1)弄清所用螺旋测微器的量程、精度和最大允差,并读出零点偏差(2)在圆柱体的不同部位测直径五次,分别填入自拟表中

  五、实验数据与处理:

  实验二密度的测量一、实验目的:

  1.掌握物理天平的正确使用方法2.用流体静力称衡法和比重瓶法测定形状不规则的固体和液体的密

  度3.进一步练习间接测量量的不确定度传递运算,正确表达测量结果

  二、实验仪器:

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  物理天平、烧杯、比重瓶、温度计、待测物等

  三、实验原理:

  若一物体的质量为m,体积为V,则它的密度为ρ=m/V,由公式可知,密度是间接测量。实验中,可用天平测出物体的质量。对于形状规则的固体,可通过测出它的外形尺寸直接算出体积,而对于液体或形状不规则的固体,其外形不定或难以简化为若干易测尺寸的函数,难算出其体积。这个问题,可选用流体静力称衡法,把密度的测量转化为质量测量问题;对于液体和某些固体的密度,还可采用比重瓶法测定。1.流体静力称衡法

  根据阿基米德原理,物体在液体中所受的浮力等于它所排开液体的质量。若不计空气浮力,设物体在空气中的重量为m1g,全部浸入液体中的视重为m2g,则物体在液体中受的浮力为(m1-m2)g=ρtVg,根据阿基米德原理可知,V=(m1-m2)/ρt,式中,ρt为液体在室温时的密度。由上式得被测物体的密度为ρ=m1/V=m1ρt/(m1-m2)①.实验中,液体通常用水,不同温度下水的密度见附录,式①只适用于被测物体的密度ρ>ρt,若ρ<ρt,则要在被测物下栓一个重物进行测量,且测量步骤也要作些变动。

  如果将上述物体再浸入密度为ρ′的待测液体中,并称出此时物体的重量为m3g,则物体所受浮力为(m1-m3)g,且(m1-m3)g=ρ′Vg②,由式①与式②联立,就可解出待测液体的密度为ρ′=(m1-m3)ρt/(m1-m2)2.比重瓶法

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  (1)测液体的密度

  先称出比重瓶的质量m0,将纯水注满比重瓶,称得纯水与比重瓶的总质量为m1,在比重瓶内换上待测液体,称得总质量为m2。这样,同体积纯水的质量和待测液体的质量分别为m1-m0和m2-m0。设待测液体的密度为ρ′,纯水的密度为ρ0,由于体积相同,故待测液体的密度为ρ′=(m2-m0)ρ0/(m1-m0)(2)测小块固体的密度

  如果要用比重瓶测出小块不溶于水的固体的密度ρ,可依次用天平称出小块固体的质量m3,注满水后比重瓶与水的总质量m1及投入小块固体后的总质量m4。显然,被小固体排出比重瓶的水的质量为m1+m3-m4,排出水的体积就是小块固体的体积。所以,小块固体密度为ρ=m3ρ0/(m1+m3-m4)③

  四、实验内容和步骤:

  1.2.用流体静力称衡法测固体的密度

  (1)将待测物体用细线悬挂在天平左方的小钩上,称出其质量m1(2)将盛有大半杯纯水的被子放在天平左边的托盘上,然后将细线悬挂的待测物体全部浸没在水中(切勿与杯底或杯壁相碰),称出物体在水中的质量m2

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  (3)从附表中查出室温为t时纯水的密度ρ0,按式②算出物体的密度2.用比重瓶法测量小块固体的密度(1)将比重瓶注满纯水,塞上塞子,擦去溢出的水(瓶内不能有残留的水泡),这时水面恰好达到毛细管顶部,用天平称出比重瓶和纯水的总质量m1(2)将小块固体洗净、烘干,称出质量m3,(3)将小块固体投入盛有纯水的比重瓶内,重复步骤1,称出比重瓶、瓶内的纯水和小块固体的总质量m4(4)由式③算出固体的密度

  五、实验数据与处理:

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  六、附上原始数据:

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篇四:基本电荷量的测量物理实验报告

  参考资料大学物理实验一一马靖马宋设施洋主编大学物理实验指导一一物理实验教程一一丁慎训张连芳主编大学物理实验一一霍剑青吴泳华等主编评分标准找到1颗条件合适平衡电压和下降时间的油滴并多次测找到2颗条件合适平衡电压和下降时间的油滴并多次测找到3颗条件合适平衡电压和下降时间的油滴并多次测实验目的及仪器各5分共10

  教学目的实验项H

  实验原理概要

  大学物理实验教案

  元电荷的测定1.了解油滴仪测定油滴带电量的慕本原理及实验方法。2.测定电子的电荷值e并验证电荷的不连续性。

  美国物理学家密立根(R.A.Millikan)从1910年开始,历时七年之久,通过测量微小油滴所带的电荷,不仅证明了电荷的不连续性,即所有的电荷都是基木电荷e的整数倍,而且测得了基本电荷的准确值。

  1、基本原理带电油滴喷入两平行极板,如果调节极板电压使油滴

  平衡则mg=qE=ql,如图1所示。a

  2、油滴质量的测定

  当油滴在空气中匀速下落时,受到的阻力与重力平衡/;=6paQhu^=mg,如图2所示,油滴的质量m=—7rp‘

  图1

  图2

  A

  i

  经过修正后可以求得加二-pr(—~严

  32怡“A

  3、的测定

  当电压V=0时,测出油滴在平行极板间匀速下降L距离所用的

  时间t,则乙4、q的计算

  3/2

  由以上公式可以推导;11q=

  把油的)

  密度Q.重力加速度g.空气粘度77,油滴匀速下降距离厶,修正常

  b,大气压强〃,极板距离d带入公式,整理后得

  1.43r10*14O1

  q=—--------------o

  診+0.0196&)V

  教学重点与难点

  1.正确使用喷雾器,常握如何用喷雾器喷出大量细小油滴的技巧。2.选择适当的油滴,掌握在大量油滴中筛查出符合要求的油滴的方法。3.掌握测量油滴平衡电压和下降时间的方法。

  1.调节仪器水平,练习控制油滴和测量油滴的平衡电压、下降时间,练

  实验内容提要

  习选择油滴。2.寻找合适的油滴,对于每个油滴测量5次。

  3.处理数据。

  1.每个油滴的平衡电压必须测量准确,耍做到在该电压作用下,油滴没

  测暈与数据处理要求

  有明显的向上或者向下的运动趋势,观察和判断油滴平衡的时间要足够长。

  2.下降吋间必须测量多次,每次都要注意下降起点和终点是否准确。1.如果油滴的平衡电压很低或者下降时间很短,会带來什么影响?

  思考题

  2.验证电荷的不连续性,需要什么条件?

  3.能否用下降一半距离的时间乘以二倍,得到总的下降时间?

  《大学物理实验》一一马靖马宋设施洋主编《大学物理实验指导》一一丁

  参考资料

  道淳陈Z前编《物理实验教程》一一丁慎训张连芳主编《大学物理实验》一一霍剑青吴泳华等主编

  评分标准

  一、预习与操作评分标准(总分100分)1.预习20分2.操作80分

  (1)仪器水平调节一一10分(2)找到1颗条件合适(平衡电压和下降时间)的油滴,并多次测量30分(3)找到2颗条件合适(平衡电压和下降时间)的油滴,并多次测量一一30分(4)找到3颗条件合适(平衡电压和下降时间)的油滴,并多次测堕30分二、报告的评分标准(总分100分)(1)实验目的及仪器各5分——共10分(2)实验原理——10分(3)表格上方各实验参数正确填写一一5分(4)三颗油滴的计算结果均在公认值±5%范围——55分(5)单位电荷量的平均值一一10分(6)百分偏差一一10分

篇五:基本电荷量的测量物理实验报告

  东物

  姓名日期实验名称

  南大验

  学报

  指导老师报告成绩

  理实

  学号座位号

  告

  密立根油滴法测电子电荷

  目

  录

  预习报告„„„„„„„„„„„„„„„„„2~5

  实验目的„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2实验仪器„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„2实验中的主要工作„„„„„„„„„„„„„„„„2预习中遇到的问题及思考„„„„„„„„„„„„„3实验原始数据记录„„„„„„„„„„„„„„„„4

  实验报告„„„„„„„„„„„„„„„„6~12

  实验原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„实验步骤„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„实验数据处理及分析„„„„„„„„„„„„„„„„讨论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„

  实验目的:1、学会使用密立根油滴仪等实验仪器2、掌握密立根油滴法测定电子电荷的试验方法3、领悟密立根实验的设计思想4、进一步掌握处理实验数据的方法

  实验仪器(包括仪器型号):仪器名称密立根油滴仪型号规格MOD-5生产厂家南京培中科技开发研究所仪器编号油A-07

  实验中的主要工作:1、调整仪器:将仪器放平,调节仪器底部左右两只调平螺丝,使仪器水平,仪器预热10分钟,将油从油雾室旁的喷雾口喷入,微调测微显微镜的调焦手轮。2、3、测量练习:练习控制油滴。正式测量:对同一颗油滴进行6~8次测量,而且每次测量都要重新调整平衡电压,用同样的方法再进行。4、5、数据处理:验证电荷的不连续性并测定电子电荷值e。仔细观察显微镜视场中看到的大小、明暗、降落快慢各异的油滴的表现。

  预习中遇到的问题及思考:1、若油滴室内两容器极板不平行,对实验结果有何影响?答:若油滴室内两容器极板不平行,则油滴所受电场力不在竖直方向上,故不能保证油滴做直线运动,计算公式条件不成立,求出来的电子电荷数量不准确。2、若所加视场方向使得电荷所受电场力方向与重力方向相同,能否利用本实验的理论思想和方法测得电子电荷e?答:若所加视场方向使得电荷所受电场力方向与重力方向相同,也能利用本实验的理论思想和方法测得电子电荷e,不过只能用动态法测量,并且要修改相应受力关系式。

  实验原始数据记录:油的密度p=981kg/m3重力加速度g=9.80m/s2空气的粘滞系数n=1.83*10-5kg/(m*s)油滴匀速下降的距离取l=2.00*10-3m修正常数b=8.22*10-3m*pa大气压强P=1.013*105pa平行极板距离d=5.00*10-3m

  代入以上数据可得

  油滴编号

  1#

  U/V341340338339340338

  2#

  U/V173174174173174173174

  3#

  U/V281282282281282283282

  4#

  U/V234235234234236235235

  5#

  U/V287288287286286288287

  6#

  U/V323323322321322323322

  次数

  t/s

  23.924.024.123.924.123.824.0

  t/s

  32.330.631.231.432.131.831.6

  t/s

  26.126.225.926.026.326.126.1

  t/s

  22.621.622.122.422.822.322.3

  t/s

  39.839.740.039.840.239.739.9

  t/s

  45.646.145.846.046.245.946.0

  123456

  平均值339

  油滴编号数据处理

  1#3.101.9421.553.10

  2#3.542.18821.7710.63

  3#3.292.0621.6453.44

  4#4.963.1031.6533.31

  5#1.6561.03511.6563.50

  6#1.781.1311.7811.25

  q/(10-19c)q/e取整n

  测量值e(10-19c)

  对实验结果的分析

  在实验误差允许范围内,可知各油滴所带电荷量都约为1.6*10-19C的整数倍,且不连续分布。

  一、实验原理用喷雾器将油滴喷入两块相距为d的水平放置的平行极板之间,在油的喷射分散过程中,摩擦作用使得油滴带电,设油滴的质量为m,所带的电量为q,两极板间的电压为U,调节U,可使油滴静止在某一位置,忽略空气对油滴的浮力作用,则在平衡状态下有即,

  „„①其中m是一个微观量,无法从实验直接测量,需

  要采用特殊的方法间接测量:撤除平行板间的电压,油滴在重力作用下加速降落,随即便有空气的黏性阻力Fr作用在油滴上,重力与黏性阻力合作用的结果使得油滴很快达到以恒定速度v下落,粘滞阻力fr与重力mg平衡,即fr=6πrηv=mg„„②式中η是空气的黏滞系数,r是油滴的半径(由于表面张力的原因,油滴总是呈小球状)设油滴的密度为ρ,则„„③

  故由①②③得:

  „„④

  密立根在当年的实验中发现,斯托克斯公式fr=6πrηv应用于非常小的油滴时,应该对黏滞系数η进行一个除以的修正,其

  中b为修正常数,b=8.22×10-3m·Pa;p为大气压强,单位为Pa,④式中速度v可通过测量在平行板电压为零的状态下,油滴匀速下降的距离l和相应的时间t得到v=l/t将⑤式代入④式并考„„⑤虑η的修正得

  „„⑥本实验中油的密度ρ=9.81Kg·m-3,重力加速度g=9.80m/s2空气的黏滞系数η=1.83×10-5Kg·m-1·s-1,油滴匀速下降的距离l=2.0×10-3m修正常数b=8.22×10-3m·Pa,大气压强p=1.013×105Pa平行板间距离d=5.0×10-3m

  代入⑥式得

  二、实验步骤1、调整仪器:将仪器放平,调节仪器底部左右两只调平螺丝,使仪器水平。仪器预热十分钟,将油从油雾室旁的喷雾口喷入(喷一次即可),微调测量显微镜的调焦手轮,使视场中出现大量清晰的油滴。2、练习测量:练习控制油滴,在平行极板上加上平衡电压(约250V),工作电压选择开关置(平衡)挡,驱走不需要的练习控制油滴,直到剩下几颗缓慢运动的油滴为止。注视其中的某一颗油滴,仔细调节平衡电压,使这颗油滴静止不动。然后去掉平衡电压,让它自由下降,下降一段距离后再加上“提升”电压,使油滴上升。如此反复多次地进行练习,以掌握控制油滴的方法。

  练习测量油滴运行的时间,任意选择几颗运动速度快慢不同的油滴,用计时器测出它们下降一段距离所需要的时间,或者加上一定的电压,测出它们上升一段距离所需要的时间,如此反复多练习几次。3.正式测量:在视场分划板的中央部分选定测量的一段距离l,对同一颗油滴应进行6次测量,而且每次测量都要重新调整平衡电压。用同样方法分别对6颗油滴进行测量。4.数据处理

  本实验中

  。

  为了证明电荷的不连续性,并得到基本电荷值e,应对实验测得的各油滴的电量q求最大公约数,即基本电荷值e。本次实验采用倒过来验证的办法进行数据处理,即用公认的电子电荷值e=1.60×10-19C去除以实验测得的电量q,得到一个接近于某个整数的数值,这个整数就是油滴所带的基本电荷的数目n。再用这个n去除以实验测得的电量,即电子电荷值e。三、实验数据及分析

  油滴编号

  1#

  U/V341340338

  2#

  U/V173174174

  3#

  U/V281282282

  4#

  U/V234235234

  5#

  U/V287288287

  6#

  U/V323323322

  次数

  t/s

  23.924.024.1

  t/s

  32.330.631.2

  t/s

  26.126.225.9

  t/s

  22.621.622.1

  t/s

  39.839.740.0

  t/s

  45.646.145.8

  123

  456

  339340338

  23.924.123.824.0

  173174173174

  31.432.131.831.6

  281282283282

  26.026.326.126.1

  234236235235

  22.422.822.322.3

  286286288287

  39.840.239.739.9

  321322323322

  46.046.245.946.0

  平均值339

  油滴编号数据处理

  1#3.101.9421.553.10

  2#3.542.18821.7710.63

  3#3.292.0621.6453.44

  4#4.963.1031.6533.31

  5#1.6561.03511.6563.50

  6#1.781.1311.7811.25

  q/(10-19c)q/e取整n

  测量值e(10-19c)

  对实验结果的分析

  在实验误差允许范围内,可知各油滴所带电荷量都约为1.6*10-19C的整数倍,且不连续分布。

  四、讨论1、试验中,有时油滴有漂移现象,例如油滴做定向漂移或作乱漂移,试分别分析其产生的原因和解决的方法。答:①水准泡是用来检查油滴盒电极板水平的,使用久后,油滴漂移可能与水准泡是否松动有关。②检查上极板和绝缘环有没有放平整,有没有翘起来,否则油滴所受的电力场和重力不在同一条直线上,油滴就要漂移。③检查石英玻璃窗有没有掉下来,空气通过观察孔对流,从而

  使油滴漂移。

  2、甲乙两同学都用倒过来验证的方法处理数据,甲同学跟踪测定一个油滴得到的数据是到的数据是,比,乙同学跟踪测定一个油滴得更接近电子电荷的公认值

  e,乙同学认为他选择的油滴比甲同学的油滴更加合适一些,你的观点如何?答:我认为甲同学的测定更加精准一些,本实验要求需取整的数应无限接近于离其最近的整数,这样实验数据误差才更小,从而证明了电荷带电量的不连续性。

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