測(cè)量元電荷的方法(元電荷的電量是怎么測(cè)定的)

1.元電荷的電量是怎么測(cè)定的

測(cè)定基元電荷的實(shí)驗(yàn)。

為密立根所做 ，故又稱(chēng)密立根油滴實(shí)驗(yàn) 。1910年R.A.密立根設(shè)計(jì)了一種直接測(cè)量附著在小油滴上的微量電荷的方法，將油霧從上下放置的平行板電極的上板小孔中噴入，在噴霧過(guò)程中形成的細(xì)小油滴帶電，它們?cè)谥亓?、空氣浮力和粘滯力以及平行板間所加的電場(chǎng)作用力的作用下徐徐下降或浮升。

在強(qiáng)光照射下從側(cè)面的顯微鏡中可清晰地觀察到油滴的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)油滴移動(dòng)的距離和經(jīng)歷的時(shí)間，可測(cè)定其速度，根據(jù)所測(cè)的數(shù)據(jù)可確定油滴所帶的電荷。

在1910~1916年間 ，密立根和他的合作者測(cè)定了幾千個(gè)油滴的電荷，在1/1000的精度范圍內(nèi)，每個(gè)油滴所帶的電荷等于一個(gè)最小電荷的整數(shù)倍 ；用X射線(xiàn)或鐳射線(xiàn)照射油滴，油滴所帶電荷發(fā)生改變，引起其速度變化，所測(cè)數(shù)據(jù)表明油滴所帶電荷的改變也是該最小電荷的整數(shù)倍，密立根測(cè)出該最小電荷值。實(shí)驗(yàn)無(wú)可辨駁地說(shuō)明電荷具有基本的固有單元，奠定了原子物理學(xué)的基礎(chǔ)。

2.元電荷的電量是怎么測(cè)定的

測(cè)定基元電荷的實(shí)驗(yàn)。

為密立根所做 ，故又稱(chēng)密立根油滴實(shí)驗(yàn) 。1910年R.A.密立根設(shè)計(jì)了一種直接測(cè)量附著在小油滴上的微量電荷的方法，將油霧從上下放置的平行板電極的上板小孔中噴入，在噴霧過(guò)程中形成的細(xì)小油滴帶電，它們?cè)谥亓?、空氣浮力和粘滯力以及平行板間所加的電場(chǎng)作用力的作用下徐徐下降或浮升。

在強(qiáng)光照射下從側(cè)面的顯微鏡中可清晰地觀察到油滴的運(yùn)動(dòng)。通過(guò)油滴移動(dòng)的距離和經(jīng)歷的時(shí)間，可測(cè)定其速度，根據(jù)所測(cè)的數(shù)據(jù)可確定油滴所帶的電荷。

在1910~1916年間 ，密立根和他的合作者測(cè)定了幾千個(gè)油滴的電荷，在1/1000的精度范圍內(nèi)，每個(gè)油滴所帶的電荷等于一個(gè)最小電荷的整數(shù)倍 ；用X射線(xiàn)或鐳射線(xiàn)照射油滴，油滴所帶電荷發(fā)生改變，引起其速度變化，所測(cè)數(shù)據(jù)表明油滴所帶電荷的改變也是該最小電荷的整數(shù)倍，密立根測(cè)出該最小電荷值。實(shí)驗(yàn)無(wú)可辨駁地說(shuō)明電荷具有基本的固有單元，奠定了原子物理學(xué)的基礎(chǔ)。

3.科學(xué)家是怎樣測(cè)出電子電荷量的

密里根油滴實(shí)驗(yàn) 電子電荷是一個(gè)重要的基本物理量，對(duì)它的準(zhǔn)確測(cè)定有很大的意義。1883年由法拉第電解定律發(fā)現(xiàn)了電荷的不連續(xù)結(jié)構(gòu)；1897年J J 湯姆遜通過(guò)對(duì)陰極射線(xiàn)的研究，測(cè)量了電子的荷質(zhì)比，從實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn)了電子的存在；而用個(gè)別粒子所帶的電荷的方法來(lái)直接證明電荷的分立性，以及首先準(zhǔn)確測(cè)定電子電荷的數(shù)值，則是由密立根（Milton）在1911年完成的。本實(shí)驗(yàn)就利用密立根油滴實(shí)驗(yàn)儀驗(yàn)證電荷的不連續(xù)性，并求出電子所帶的電量。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，任何油滴從空氣中捕獲的電荷都是最小電荷的整數(shù)倍。 密立根油滴實(shí)驗(yàn)歷來(lái)是一個(gè)著名而有啟發(fā)性的實(shí)驗(yàn)，它設(shè)計(jì)巧妙，結(jié)果準(zhǔn)確。在實(shí)驗(yàn)中，認(rèn)真選擇油滴，耐心跟蹤和測(cè)量，培養(yǎng)一絲不茍的科學(xué)實(shí)驗(yàn)態(tài)度。 實(shí)驗(yàn)中要學(xué)會(huì)選擇合適的油滴，并且熟練控制油滴以進(jìn)行多次測(cè)量。計(jì)算每個(gè)油滴的帶電量，這里采用倒過(guò)來(lái)驗(yàn)證的方法，即用公認(rèn)的電子電量值去除每個(gè)油滴的電量，并取一最接近的整數(shù)，用這個(gè)整數(shù)除油滴的電量，得到電子電荷的測(cè)量值。 該實(shí)驗(yàn)是一個(gè)近代物理實(shí)驗(yàn)，難度系數(shù)：1.00，適合自動(dòng)化、電子信息工程、電氣工程及其自動(dòng)化、機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化、過(guò)程裝備與控制工程、材料成型及控制工程、資源勘查工程、勘查技術(shù)與工程、船舶與海洋工程等專(zhuān)業(yè)以及對(duì)近代物理理論和實(shí)驗(yàn)感興趣的同學(xué)選做。 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、正確選擇和控制油滴。一般選擇平衡電壓在200V以上，勻速下降2mm距離用時(shí)間20-30S的油滴。如果油滴過(guò)大，下降速度會(huì)過(guò)快，油滴過(guò)小，則布朗運(yùn)動(dòng)明顯。 2、用平衡法測(cè)量油滴勻速下降2mm所用的時(shí)間。共選擇5顆油滴，每個(gè)油滴測(cè)量5次。 3、計(jì)算每個(gè)油滴的帶電量，然后計(jì)算電子電荷。這里我們采用倒過(guò)來(lái)驗(yàn)證的方法 ，即用公認(rèn)的電子電量值去除每個(gè)油滴的電量，取一個(gè)最接近的整數(shù)，再用這個(gè)整數(shù)除油滴的電量，從而得到電子電荷的測(cè)量值。 4、將電子電荷的測(cè)量值與理論值進(jìn)行比較，計(jì)算相對(duì)百分誤差。 儀器簡(jiǎn)介 密立根油滴儀，包括水平放置的平行極板（油滴盒）、調(diào)平裝置、照明裝置、顯微鏡、電源、計(jì)時(shí)器（秒表）、實(shí)驗(yàn)用油、噴霧器等。 預(yù)習(xí)要求 1、通過(guò)分析油滴在極板間的受力情況，理解平衡法測(cè)量油滴電量公式的推導(dǎo)過(guò)程。 2、明白整個(gè)實(shí)驗(yàn)的大致過(guò)程，如選擇5個(gè)合適的油滴，每個(gè)油滴測(cè)量多次；計(jì)算每個(gè)油滴的帶電量；求解電子電量。 3、根據(jù)要求畫(huà)出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格。 問(wèn)題解答 1、打開(kāi)儀器電源開(kāi)關(guān)并噴入油霧后，仍看不到油滴，可能的原因有： （1）顯微鏡調(diào)焦不準(zhǔn)確性。同學(xué)可自己調(diào)節(jié)。 （2）極板上的小孔被堵塞了。此時(shí)應(yīng)請(qǐng)老師來(lái)處理，因?yàn)闃O板上有高壓電，折裝極板前必須關(guān)閉儀器電源！ 2、為了證明電荷的不連續(xù)性和所有電荷都是基本電荷e的整數(shù)倍，并得到基本電荷e值，最有說(shuō)明力的方法是對(duì)實(shí)驗(yàn)所測(cè)得的各個(gè)油滴電量q求最大公約數(shù)，這個(gè)最大公約數(shù)就是基本電荷e，也就是電子電荷。但由于這樣處理較繁瑣，測(cè)量時(shí)的誤差又可能較大，因而求出最大公約數(shù)比較困難。 這是采用的倒過(guò)來(lái)驗(yàn)證的方法，嚴(yán)格說(shuō)來(lái)只能作為一種實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證方法。 3、對(duì)某一個(gè)油滴測(cè)量了一次或幾次后，監(jiān)視器屏幕上油滴的象可能會(huì)變得不清楚了。這是因?yàn)橛捎诳諝獾挠绊?，油滴上下反?fù)運(yùn)動(dòng)幾次后，水平方向發(fā)生了移動(dòng)，從而造成顯微鏡調(diào)焦不準(zhǔn)了，此 時(shí)只要微調(diào)顯微鏡調(diào)焦旋鈕即可。 思考討論 1、如何判斷油滴是否處在平衡狀態(tài)？ 2、實(shí)驗(yàn)中如何選擇合適的油滴進(jìn)行測(cè)量？ 3、試分析空氣浮力對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。 4、在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，如果未調(diào)節(jié)器水平螺絲，即極板沒(méi)有處于水平狀態(tài)，則對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果有什么影響？ 5、操作時(shí)怎樣使油滴在計(jì)時(shí)開(kāi)始時(shí)已經(jīng)處于勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)？ 注意事項(xiàng) 1、使用噴霧器往油霧室噴油時(shí)，不要連續(xù)噴多次，一般噴一下即可。以防堵塞極板上的小孔。 2、正確控制選中的油滴，不要跑出顯示器的屏幕。要求每個(gè)油滴測(cè)量6-10次。 3、實(shí)驗(yàn)完畢，記錄室溫和空氣的粘滯系數(shù)，數(shù)據(jù)處理時(shí)要用到。

4.測(cè)元電荷的油滴實(shí)驗(yàn)是怎么做的

我的百科 我的貢獻(xiàn)草稿箱百度首頁(yè) | 登錄 新聞 網(wǎng)頁(yè) 貼吧 知道 MP3 圖片 視頻 百科 幫助 添加到搜藏 返回百度百科首頁(yè) 編輯詞條 油滴實(shí)驗(yàn)?zāi)夸?實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)與原理 密立根實(shí)驗(yàn)與“草包族科學(xué)” 實(shí)驗(yàn)作假丑聞 油滴實(shí)驗(yàn)（Oil-drop experiment），是羅伯特·密立根與哈維·福萊柴爾（Harvey Fletcher）在1909年所進(jìn)行的一項(xiàng)物理學(xué)實(shí)驗(yàn)，并使羅伯特·密立根因而獲得1923年的獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

此實(shí)驗(yàn)的目的是要測(cè)量單一電子的電荷。方法主要是平衡重力與電力，使油滴懸浮于兩片金屬電極之間。

并根據(jù)已知的電場(chǎng)強(qiáng)度，計(jì)算出整顆油滴的總電荷量。重復(fù)對(duì)許多油滴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之后，密立根發(fā)現(xiàn)所有油滴的總電荷值皆為同一數(shù)字的倍數(shù)，因此認(rèn)定此數(shù)值為單一電子的電荷e。

到2006年為止，已知基本電荷值為1.60217653(14) x 1019庫(kù)侖[1]。密立根在諾貝爾獎(jiǎng)?lì)C獎(jiǎng)典禮上，表示他的計(jì)算值為4.774(5) x 1010靜庫(kù)侖[2]（等于1.5924(17) x 1019庫(kù)侖）。

現(xiàn)在已知的數(shù)值與密立根的結(jié)果差異小于百分之一，但仍比密立根測(cè)量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)誤（standard error）大了5倍，因此在統(tǒng)計(jì)上具顯著差異。 [編輯本段]實(shí)驗(yàn)裝置 密立根設(shè)置了一個(gè)均勻電場(chǎng)，方法是將兩塊以水平方式平行排列的金屬板作為兩極，且兩極之間可產(chǎn)生相當(dāng)大的電位差。

金屬板上有四個(gè)小洞，其中三個(gè)是用來(lái)將光線(xiàn)射入裝置中，另外一個(gè)則設(shè)有一部顯微鏡，用以觀測(cè)實(shí)驗(yàn)。噴入平板中的油滴可經(jīng)由控制電場(chǎng)來(lái)改變位置。

為了避免油滴因?yàn)楣饩€(xiàn)照射蒸發(fā)而使誤差增加，此實(shí)驗(yàn)所使用的油擁有較低的蒸氣壓。其中少數(shù)的油滴在噴入平板之前，會(huì)因?yàn)榕c噴嘴發(fā)生摩擦而獲得電荷，成為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

[編輯本段]實(shí)驗(yàn)與原理 在此實(shí)驗(yàn)中，油滴的運(yùn)動(dòng)方向共受四個(gè)力量影響： 空氣阻力（向上） 重力（向下） 浮力（向上） 電場(chǎng)力（向上） 首先噴入的油滴會(huì)因?yàn)殡妶?chǎng)尚未開(kāi)啟而下墬（以重力加速度），并很快的因?yàn)榕c空氣的摩擦而到達(dá)終端速度（等速下墬）。接著開(kāi)啟電場(chǎng)，假如此電場(chǎng)強(qiáng)度夠強(qiáng)（或稱(chēng)電場(chǎng)力，F(xiàn)E），那么將會(huì)使部分具有電荷的油滴開(kāi)始上升。

之后選出一個(gè)容易觀察的油滴，利用電壓的調(diào)整使油滴固定于電場(chǎng)中央，并使其他油滴墬落。接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)將只針對(duì)此一油滴進(jìn)行。

然后關(guān)閉電場(chǎng)使油滴下降，并計(jì)算油滴在下墬時(shí)終端速度v1，再根據(jù)斯托克斯定律（Stokes' Law）算出油滴所受的空氣阻力： （空氣阻力，方向向上） v1 為油滴的終端速度；η 為空氣的黏滯系數(shù)；r 為油滴半徑。 重量W（重力）等于體積V乘上密度ρ，且由于使油滴下降的力量為重力，因此下墬加速度為g。

假設(shè)油滴為完美球型，則重力W可寫(xiě)成 （重力，方向向下） ρ為油滴密度 不過(guò)若要獲得較為精確的數(shù)值，則重量必須減去空氣對(duì)油滴造成的浮力（等于和油滴相等體積的空氣重量）。假設(shè)油滴為完美球型，則浮力B可寫(xiě)成 （浮力，方向向上） ρa(bǔ)ir為空氣密度。

上兩式合并如下： （重力 - 浮力） 到達(dá)終端速度時(shí)加速度為零（等速下降），此時(shí)作用于油滴的合力為零，使F與W互相抵銷(xiāo)，也就是F = W，由此可得： 一但求得r（太小以致無(wú)法直接測(cè)量），則W也可算出。 再來(lái)將電場(chǎng)重新開(kāi)啟，此時(shí)作用于油滴的電場(chǎng)力為 （電場(chǎng)力，方向向上） q為油滴電荷；E為電極板之間的電場(chǎng)。

平行板狀電極產(chǎn)生的電場(chǎng)則可以下式求得： V為電位差；d為平板之間的距離。 若以較為直截了當(dāng)?shù)姆椒?，q可經(jīng)由調(diào)整V使油滴固定，再由FE = W算出： 不過(guò)這種方法實(shí)際上難以實(shí)行。

因此也可使用較容易操作的方式：稍微再將電壓V向上調(diào)升，讓油滴上升并得到一個(gè)新的終端速度v2，再?gòu)南率街械玫絨： （電場(chǎng)力 - 重力 + 浮力 = 油滴向上爬升到達(dá)終端速度時(shí)所受的空氣阻力） 黏滯系數(shù)的修正 密立根當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)所算出的q與油滴大小有關(guān)[3]，這是因?yàn)槿羰怯偷翁?，以致于和空氣粒子的大小差距不大時(shí)，史托克定律將不適用。因此此實(shí)驗(yàn)更精確的黏滯系數(shù)η' 應(yīng)該修正為下式： P為實(shí)驗(yàn)時(shí)的大氣壓力；b = 6.33 x 10-5米 · 毫巴，為實(shí)驗(yàn)定出的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

[編輯本段]密立根實(shí)驗(yàn)與“草包族科學(xué)” 理查·費(fèi)曼曾經(jīng)在1974年，于加州理工學(xué)院的一場(chǎng)畢業(yè)典禮演說(shuō)中敘述“草包族科學(xué)”（Cargo cult science）時(shí)提到[4]： 從過(guò)往的經(jīng)驗(yàn)，我們學(xué)到了如何應(yīng)付一些自我欺騙的情況。舉個(gè)例子，密立根做了個(gè)油滴實(shí)驗(yàn)，量出了電子的帶電量，得到一個(gè)今天我們知道是不大對(duì)的答案。

他的資料有點(diǎn)偏差，因?yàn)樗昧藗€(gè)不準(zhǔn)確的空氣粘滯系數(shù)數(shù)值。于是，如果你把在密立根之后、進(jìn)行測(cè)量電子帶電量所得到的資料整理一下，就會(huì)發(fā)現(xiàn)一些很有趣的現(xiàn)象：把這些資料跟時(shí)間畫(huà)成坐標(biāo)圖，你會(huì)發(fā)現(xiàn)這個(gè)人得到的數(shù)值比密立根的數(shù)值大一點(diǎn)點(diǎn)，下一個(gè)人得到的資料又再大一點(diǎn)點(diǎn)，下一個(gè)又再大上一點(diǎn)點(diǎn)，最后，到了一個(gè)更大的數(shù)值才穩(wěn)定下來(lái)。

為什么他們沒(méi)有在一開(kāi)始就發(fā)現(xiàn)新數(shù)值應(yīng)該較高？——這件事令許多相關(guān)的科學(xué)家慚愧臉紅——因?yàn)轱@然很多人的做事方式是：當(dāng)他們獲得一個(gè)比密立根數(shù)值更高的結(jié)果時(shí)，他們以為一定哪里出了錯(cuò)，他們會(huì)拼命尋找，并且找到了實(shí)驗(yàn)有錯(cuò)誤的原因。另一方面，當(dāng)他們獲得的結(jié)果跟密立根的相仿時(shí)，便不會(huì)那么用心去檢討。