第5章近代物理实验近代物理实验是介于普通物理实验和科学研究之间的一种实践环节，其中有些实验在近代物理学发展历程中起过重要的作用，还有一些实验则涉及到现代实验研究中的一些专门技术。也有一些实验由计算机软件协助完成。通过学习近代物理实验的实验思想和实验技术，可以使我们了解前人的探索过程和物理学家的物理思想，掌握近代物理实验的某些原理和实验方法，掌握运用现代计算机技术进行物理实验的思想方法，锻炼我们综合运用各种实验技术的能力。5.1密立根油滴实验美国物理学家密立根（R.A.Mi11ikan）在1909年到1917年通过实验测量微小带电油滴在静电场和重力场中的受力平衡情况及在空气中的运动情况，巧妙的求出了微小带电油滴所带的电量，并且通过相应的数据处理，得出了电荷量子化的结论。密立根油滴实验的设计简明巧妙，方法简单，而结论却具有不容置疑的说服力，1923年荣获诺贝尔物理学奖。因此现在我们重演这个实验仍具有一定的启发性。【实验目的】1、通过实验了解、掌握密立根油滴实验的设计思想，实验方法和实验技巧。2、验证电荷的量子化并测定基本电荷电量。3、通过对实验仪器的调整和油滴的选择、跟踪、测量以及实验数据处理等，培养学生严谨的科学实验态度。【实验原理】利用密立根油滴仪测定电子电量，关键在于测出油滴的带电量。测定油滴的带电量通常有两种方法：静态（平衡）测量法和动态（非平衡）测量法。前者的测量原理、实验操作和数据处理都较简单，故这里主要介绍静态（平衡）测量法。1、静态（平衡）测量法用喷雾器将油滴喷入电容器两块相距为d的水平放置平+qE行电极板之间，油滴经喷射后，一般都是带电的。设油滴的F2U→mg质量为m，所带的电荷为q，两极板间的电压为U，则油滴在平行极板间将同时受到重力mg、静电力qE和空气浮力F，的图5-1-1电场中油滴受力情况作用。如图5-1-1所示。如果调节两极板间的电压U，可使两力达到二力平衡，这时Umg =qE+F,=4%+F,(5-1-1)211
211 第 5 章 近代物理实验 近代物理实验是介于普通物理实验和科学研究之间的一种实践环节，其中有些实验在近代物 理学发展历程中起过重要的作用，还有一些实验则涉及到现代实验研究中的一些专门技术。也有 一些实验由计算机软件协助完成。通过学习近代物理实验的实验思想和实验技术，可以使我们了 解前人的探索过程和物理学家的物理思想，掌握近代物理实验的某些原理和实验方法，掌握运用 现代计算机技术进行物理实验的思想方法，锻炼我们综合运用各种实验技术的能力。 5.1 密立根油滴实验 美国物理学家密立根(R．A．Millikan) 在 1909 年到 1917 年通过实验测量微小带电油滴在 静电场和重力场中的受力平衡情况及在空气中的运动情况，巧妙的求出了微小带电油滴所带的电 量，并且通过相应的数据处理，得出了电荷量子化的结论。密立根油滴实验的设计简明巧妙，方 法简单，而结论却具有不容置疑的说服力，1923 年荣获诺贝尔物理学奖。因此现在我们重演这个 实验仍具有一定的启发性。 【实验目的】 1、通过实验了解、掌握密立根油滴实验的设计思想，实验方法和实验技巧。 2、验证电荷的量子化并测定基本电荷电量。 3、通过对实验仪器的调整和油滴的选择、跟踪、测量以及实验数据处理等，培养学生严谨的 科学实验态度。 【实验原理】 利用密立根油滴仪测定电子电量，关键在于测出油滴的带电量。测定油滴的带电量通常有两 种方法：静态（平衡）测量法和动态（非平衡）测量法。前者的测量原理、实验操作和数据处理 都较简单，故这里主要介绍静态（平衡）测量法。 1、 静态（平衡）测量法 用喷雾器将油滴喷入电容器两块相距为 d 的水平放置平 行电极板之间，油滴经喷射后，一般都是带电的。设油滴的 质量为 m，所带的电荷为 q，两极板间的电压为 U，则油滴在 平行极板间将同时受到重力 mg、静电力 qE 和空气浮力 Ff 的 作用。如图 5-1-1 所示。如果调节两极板间的电压 U，可使两 力达到二力平衡，这时 f f U mg qE F q F d = + = + （5-1-1） 图 5-1-1 电场中油滴受力情况
从上式可见，为了测出油滴所带的电量9，除了需测定U和d外，还需要测量油滴质量m。因Ⅲ很小，需用如下特殊方法测定。平行极板不加电压时，油滴受重力作用而加速下降，除受空气浮力作用外，还受空气粘滞阻力的作用，粘滞力可由斯托克斯定律给出：f.=6元navg下降一段距离达到某一速度v后，空气粘滞阻力，、空气浮力F与重力mg平衡，油滴将匀速下降。油滴匀速下降时f.=6元anyg=mg-F(5-1-2)式中，Ⅱ是空气的粘滞系数，α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Po，空气的密度为p，油滴的质量m、空气浮力F,可用下式表示4(5-1-3)m==元a'po34F:=元a'p'g(5-1-4)3由式（5-1-2）、（5-1-3）、（5-1-4）得油滴半径9nVg(5-1-5)a:2pg式中，p=Po-p"，对于半径小到106米的油滴小球，与空气分子的间隙相当，空气已不能看成是连续介质，空气的粘滞系数应作如下修正n7=b1+-pa此时的斯托克斯定律应修正为6元anygf =b1+pa式中b为修正常数，b=6.17x10-6米·厘米汞高，p为大气压强，单位为厘米汞高。根据修正后的粘滞阻力公式，得油滴半径为212
212 从上式可见，为了测出油滴所带的电量 q，除了需测定 U 和 d 外，还需要测量油滴质量 m。 因 m 很小，需用如下特殊方法测定。 平行极板不加电压时，油滴受重力作用而加速下降，除受空气浮力作用外，还受空气粘滞阻 力的作用，粘滞力可由斯托克斯定律给出： r g f av = 6 下降一段距离达到某一速度 g v 后，空气粘滞阻力 r f 、空气浮力 Ff 与重力 mg 平衡，油滴 将匀速下降。油滴匀速下降时 r g f f a v mg F = = − 6 （5-1-2） 式中，η 是空气的粘滞系数， a 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 0 ，空气的密度为 ' ，油滴的质量 m 、空气浮力 Ff 可用下式表示 3 0 4 3 m a = （5-1-3） 3 f 4 3 F a g = （5-1-4） 由式（5-1-2）、（5-1-3）、（5-1-4）得油滴半径 g 9 2 v a g = （5-1-5） 式中， 0 = − ' ，对于半径小到 10-6 米的油滴小球，与空气分子的间隙相当，空气已不能 看成是连续介质，空气的粘滞系数应作如下修正 1 b pa = + 此时的斯托克斯定律应修正为 g r 6 1 a v f b pa = + 式中 b 为修正常数，b=6.17×10-6 米·厘米汞高，p 为大气压强，单位为厘米汞高。根据修正后 的粘滞阻力公式，得油滴半径为
9myg(5-1-6)72pg1+bpa上式根号中还包含油滴的半径a，由于它处在修正项中，故不需十分精确，因此它可用（5-1-5）式计算即可。式（5-1-6）中的油滴匀速下降的速度V，可用下述方法测出：在平行板未加电压时，测出油滴下降/长度时所用的时间t。，即可知1(5-1-7)Vatg将（5-1-7）、（5-1-6）、（5-1-3）、（5-1-4）代入（5-1-1）式，整理后得下d18元nl(5-1-8)q=UbV2pgt.(1+pa上式是用平衡测量法测定油滴所带电荷的理论公式。2、动态（非平衡）测量法为解决静态平衡法中由于空气流扰动而产生的非预期的影响以及油滴蒸发引起的误差，可在平行极板上加以适当的电压U，使油滴受静电力作用加速上升。速度增加时，空气对油滴的粘滞力也随之增大，上升一段距离达到某一速度V后，油滴将以匀速上升，油滴所受空气粘滞阻力、空气浮力、重力与静电力达到平衡，这时U46anv。=qa-3"元apg当去掉平行极板上所加的电压U后，油滴受重力作用而加速下降。当空气粘滞阻力、空气浮力和重力平衡时，X6元anv.元apg两式相除得U4元a'pgqd3Ve=ndpgVe3213
213 g 9 1 2 1 v a g b pa = + （5-1-6） 上式根号中还包含油滴的半径 a ，由于它处在修正项中，故不需十分精确，因此它可用（5-1- 5）式计算即可。 式（5-1-6）中的油滴匀速下降的速度 g v ，可用下述方法测出：在平行板未加电压时，测出油 滴下降 l 长度时所用的时间 g t ，即可知 g g l v t = （5-1-7） 将（5-1-7）、（5-1-6）、（5-1-3）、（5-1-4）代入（5-1-1）式，整理后得 3 2 g 18 2 (1 ) l d q g b U t pa = + （5-1-8） 上式是用平衡测量法测定油滴所带电荷的理论公式。 2、 动态（非平衡）测量法 为解决静态平衡法中由于空气流扰动而产生的非预期的影响以及油滴蒸发引起的误差，可在 平行极板上加以适当的电压 U，使油滴受静电力作用加速上升。速度增加时，空气对油滴的粘滞 力也随之增大，上升一段距离达到某一速度 e v 后，油滴将以匀速上升,油滴所受空气粘滞阻力、空 气浮力、重力与静电力达到平衡，这时 3 e 4 6 3 U a v q a g d = − 当去掉平行极板上所加的电压 U 后，油滴受重力作用而加速下降。当空气粘滞阻力、空气 浮力和重力平衡时， 3 g 4 6 3 a v a g = 两式相除得 3 e 3 g 4 3 4 3 U q a g v d v a g − =
所以(5-1-9)1：如果油滴所带的电量从g变到g，油滴在电场中匀速上升的速度将由V变成v。，而匀速下降的速度1。不变，这时油滴所带的电量4元apg7U显然电荷的改变量4a元apg(5-1-q,=q-qD310)实验时取油滴匀速下降和匀速上升的距离相等，都设为l，测得油滴匀速下降1所用时间为tg，匀速上升/所用时间为t和t，即17(5-1-V. =VVg=-tgt.t11)将式（5-1-6）和式（5-1-11）代入式（5-1-9）和式（5-1-10）得信18元nlSt!q=UbJ2pg(1 +pa(5-1-12)18元nl(-()q=元bJ2pg(1 +pa214
214 所以 3 g e g 4 3 v v d q a g v U + = （5-1-9） 如果油滴所带的电量从 q 变到 q ，油滴在电场中匀速上升的速度将由 e v 变成 e v ，而匀速 下降的速度 g v 不变，这时油滴所带的电量 3 g e g 4 3 v v d q a g v U + = 显然电荷的改变量 3 e e g 4 3 i v v d q q q a g v U − = − = （5-1- 10） 实验时取油滴匀速下降和匀速上升的距离相等，都设为 l ，测得油滴匀速下降 l 所用时间为 g t ，匀速上升 l 所用时间为 e t 和 e t ， 即 g e e g e e , , l l l v v v t t t = = = （5-1- 11） 将式（5-1-6）和式（5-1-11）代入式（5-1-9）和式（5-1-10）得 3 2 1 2 g e g 3 2 1 2 e g e 18 1 1 1 2 (1 ) 18 1 1 1 2 (1 ) i l d q g b U t t t pa l d q g b U t t t pa = + + = − + （5-1-12）
E18元nl令dk=b12pg(1+pa(+))q=k2则(-0)klq, = h从实验所测得的结果，可以分析出q与q,只能为某一数值的整数倍，由此可以得出油滴所带电子的总数n和电子的改变数i，从而得到一个电子的电荷为e=l_l(5-1-13)in【实验仪器】HLD-MOD-IX型油滴仪，喷雾器，油，MOD-5型立根油滴仪1、MOD-5型立根油滴仪如图5-1-2和图5-1-3所示。215
215 令 3 2 18 2 (1 ) l k d g b pa = + 则 1 2 g e g 1 2 e g e 1 1 1 1 1 1 1 1 i q k t t t U q k t t U t = + = − 从实验所测得的结果，可以分析出 q 与 i q 只能为某一数值的整数倍，由此可以得出油滴所 带电子的总数 n 和电子的改变数 i ，从而得到一个电子的电荷为 i q q e n i = = （5-1-13） 【实验仪器】 HLD-MOD-Ⅸ型油滴仪，喷雾器，油，MOD-5 型立根油滴仪 1、MOD-5 型立根油滴仪如图 5-1-2 和图 5-1-3 所示
2325152517图5-1-2油滴仪结构图1-油滴盒：2-防风罩；3-油雾室；4-照明灯：5-导光棒；6-照明灯电源插座；7-调平螺丝；8-水平仪9-显微镜：10-目镜头：11-接目镜：12-调焦手轮：13-数字电压表；14-工作电压调节旋钮；15-工作电压反向开关；16-升降电压调节旋钮；17-升降电压反向开关；18-低压汞灯；19-CCD；20-CCD托板；21-CCD接筒：22-CCD电源插播座：23-视频电缆：24-监视器：25-计时器插座S图5-1-3油滴盒图5-1-4分划板1-喷口：2-油募口开关：3-油雾孔：4-上电极板压簧5-外接电源插孔：6-油滴盒基座：7-油滴仪版面油滴仪包括油滴盒、照明装置、调平装置、测量显示镜、电源、计时器、喷雾器等。MOD-5B型密立根油滴仪带有低压汞灯，可改变油滴所带的电荷量。MOD-5BC型密立根油滴仪还配有电荷耦合器件（CCD）的电子显示装置。油滴盒由两块经过精磨的平行板（上、下电极）和中间垫的胶木圆环组成。胶木圆环上有进光孔、观察孔和石英玻璃窗口，油滴盒放在防风罩中，上极板中央有一个直径0.4mm的小孔，油滴从油雾室经油雾孔落入小孔，进入上下电极之间。油滴盒防风罩前装有测量显微镜，用以观察平行板间的油滴。测量显微镜目镜中装有分划板216
216 油滴仪包括油滴盒、照明装置、调平装置、测量显示镜、电源、计时器、喷雾器等。MOD-5B 型密立根油滴仪带有低压汞灯，可改变油滴所带的电荷量。MOD-5BC 型密立根油滴仪还配有电 荷耦合器件（CCD）的电子显示装置。 油滴盒由两块经过精磨的平行板（上、下电极）和中间垫的胶木圆环组成。胶木圆环上有进 光孔、观察孔和石英玻璃窗口，油滴盒放在防风罩中，上极板中央有一个直径 0.4mm 的小孔，油 滴从油雾室经油雾孔落入小孔，进入上下电极之间。 油滴盒防风罩前装有测量显微镜，用以观察平行板间的油滴。测量显微镜目镜中装有分划板 图 5-1-2 油滴仪结构图 1-油滴盒；2-防风罩；3-油雾室；4-照明灯；5-导光棒；6-照明灯电源插座；7-调平螺丝；8-水平仪； 9-显微镜；10-目镜头；11-接目镜；12-调焦手轮；13-数字电压表；14-工作电压调节旋钮；15-工作电压 反向开关；16-升降电压调节旋钮；17-升降电压反向开关；18-低压汞灯；19-CCD；20-CCD 托板； 21-CCD 接筒；22-CCD 电源插座；23-视频电缆；24-监视器；25-计时器插座 图 5-1-3 油滴盒 图 5-1-4 分划板 1-喷雾口；2-油雾口开关；3-油雾孔；4-上电极板压簧 5-外接电源插孔；6-油滴盒基座；7-油滴仪版面
（如图5-1-4所示），其垂直总刻度相当于视场中的0.3cm，用以测量油滴运动的距离。分划板中间的横向刻度可用来观测油滴的布朗运动。电源部分提供4种电压：①3.6V油滴照明电压；②500V直流工作电压，该电压可连续调节，从数字电压表上直接读数，并由工作电压的反向开关改变上下电极板的极性：③200V左右的直流升降电压，该电压叠加在工作电压上，以控制油滴在视场中的合适位置。升降电压高，油滴移动速度快，反之则慢，该电压在电压表上无指示；④12VCCD电源电压。2、HLD-MOD-IX型油滴仪HLD-MOD-IX型油滴仪由主机和实验软件两部分构成，主机部分主要由机箱面板、油滴盒和复杂的电子电路构成。这里仅对机箱面板、油滴盒、实验软件界面及软件操作控件做以简易的介绍。(1)机箱面板机箱面板如图5-1-5所示，旋钮功能请看图注。2nB88856.O16101514131211图5-1-5HLD-MOD-IX型油滴仪面板俯视图1-电压显示：2-时间显示：3-视频输出插座：4-水准泡：5-油雾室和照明灯室：6-电源开关按钮7-显微镜；8-“正负电荷”按钮；9-“复位”按钮；10-CCD摄像头；11-“清零”按键；12-“计/停”按键；13-“测量”按键；14-“平衡”按键：：15-“提升”按键；16-平衡电压调节旋钮。需要指出的是：“3-视频输出插座”是在本机配用CCD摄像头时使用，输出至监视器，监视器阻抗选择开关拨至75Q处；“12-计/停按键”是在油滴下落到预定开始位置时按一下此键，开始计时，到达预定距离时，再按一次该键，停止计时；“15-提升按键”，按下该键时，上下电极在平衡电压的基础上自动增加DC200V～300V的提升电压“16-平衡电压调节旋钮”，可调节“平衡”按键时的极板间电压，调节电压DC0～500V左右。217
217 （如图 5-1-4 所示），其垂直总刻度相当于视场中的 0.3cm，用以测量油滴运动的距离。分划板中 间的横向刻度可用来观测油滴的布朗运动。 电源部分提供 4 种电压：①3.6V 油滴照明电压；②500V 直流工作电压，该电压可连续调节， 从数字电压表上直接读数，并由工作电压的反向开关改变上下电极板的极性；③200V 左右的直流 升降电压，该电压叠加在工作电压上，以控制油滴在视场中的合适位置。升降电压高，油滴移动 速度快，反之则慢，该电压在电压表上无指示；④12VCCD 电源电压。 2、HLD-MOD-Ⅸ型油滴仪 HLD-MOD-Ⅸ型油滴仪由主机和实验软件两部分构成，主机部分主要由机箱面板、油滴盒和复 杂的电子电路构成。这里仅对机箱面板、油滴盒、实验软件界面及软件操作控件做以简易的介绍。 ⑴机箱面板 机箱面板如图 5-1-5 所示，旋钮功能请看图注。 需要指出的是：“3-视频输出插座”是在本机配用 CCD 摄像头时使用，输出至监视器，监视器 阻抗选择开关拔至 75Ω处；“12-计/停按键”是在油滴下落到预定开始位置时按一下此键，开始 计时，到达预定距离时，再按一次该键，停止计时；“15-提升按键”，按下该键时，上下电极在平 衡电压的基础上自动增加 DC200V～300V 的提升电压；“16-平衡电压调节旋钮”，可调节“平衡” 按键时的极板间电压，调节电压 DC 0～500V 左右。 图 5-1-5 HLD-MOD-IX 型油滴仪面板俯视图 1-电压显示；2-时间显示；3-视频输出插座；4-水准泡；5-油雾室和照明灯室： 6-电源开关按钮； 7-显微镜；8-“正负电荷”按钮；9-“复位”按钮；10-CCD 摄像头；11-“清零”按键；12-“计/停” 按键；13-“测量”按键；14-“平衡”按键：；15-“提升”按键；16-平衡电压调节旋钮
(2)油滴盒油滴盒示意图如图5-1-6所示，油滴盒的防风罩前装有测量显微镜，通过胶木圆环上的观察孔观察平行极板间的油滴，显示屏公上装有分划板，其总刻度相当于线视场中0.2cm，用以测量油滴运动的距离L，分划板中间的横向刻度尺是用来测量布朗运动的。12(3)实验软件界面图5-1-6HLD-MOD-IX型油滴仪油滴盒1-上盖板：2-油雾孔开关：3-油雾室：4-油雾孔5-喷要口：6-上软件界面如图5-1-7，各按钮功能看图电极板压簧：7-上电极板：8-防风罩：9-胶木圆环；10-下电极板：注。11-油滴盒基座；12-底板(4)软件操作控件实验控制区内有如下按钮：“提升”、“平衡”、“测量”、“计时”、“停止”、“清零”，这些按钮福豆防谢立粮油清仪（型011图5-1-7密里根油滴仪实验界面1-菜单按钮：2-标题栏：3-图像采集区：4-最小化按钮：5-关闭按钮：6-数值显示区：7-实验控制区8-图像控制区：9-实验原理提示：10-数据操作区：11-数据记录区。只有在设备打开成功后才可使用。在具体操作时，其作用与油滴仪面板上的按钮的作用大致相同。【实验内容】1、用MOD-5型立根油滴仪测量(1)调整仪器将仪器放平稳，调节仪器底部左右两只调平螺丝，使水平仪指示水平，这时平行极板处于水218
218 ⑵油滴盒 油滴盒示意图如图 5-1-6 所示，油滴盒 的防风罩前装有测量显微镜，通过胶木圆环 上的观察孔观察平行极板间的油滴，显示屏 上装有分划板，其总刻度相当于线视场中 0.2cm，用以测量油滴运动的距离 L，分划板 中间的横向刻度尺是用来测量布朗运动的。 ⑶实验软件界面 软件界面如图 5-1-7，各按钮功能看图 注。 ⑷软件操作控件 实验控制区内有如下按钮：“提升”、“平衡”、“测量”、“计时”、“停止”、“清零”，这些按钮 只有在设备打开成功后才可使用。在具体操作时，其作用与油滴仪面板上的按钮的作用大致相同。 【实验内容】 1、用 MOD-5 型立根油滴仪测量 ⑴调整仪器 将仪器放平稳，调节仪器底部左右两只调平螺丝，使水平仪指示水平，这时平行极板处于水 图 5-1-6 HLD-MOD-IX 型油滴仪油滴盒 1-上盖板;2-油雾孔开关;3-油雾室 ;4-油雾孔 5- 喷雾口;6-上 电极板压簧; 7-上电极板; 8-防风罩;9-胶木圆环;10-下电极板; 11-油滴盒基座;12-底板 图 5-1-7 密里根油滴仪实验界面 1-菜单按钮：2-标题栏：3-图像采集区：4-最小化按钮：5-关闭按钮： 6-数值显示区：7-实验控制区： 8-图像控制区：9-实验原理提示：10-数据操作区：11-数据记录区
平位置。先预热10min，利用预热时间，从测量显微镜中观察。如果分划板位置不正，则转动目镜头，将分划板放正，目镜头要转到底。调节目镜，使分划板刻线清晰。将油从油雾室旁的喷雾口喷入（喷雾器持平喷一次即可），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。如果视场太暗，油滴不够清晰，或视场上下亮度不均匀，可略微转动油滴照明灯的方向节，使小灯泡前面的聚光灯正对前方。若用CCD（连同监视器），则将CCD对准显微镜，并进行调节，使监视器中看到清晰明亮的油滴。注意：调整仪器时，如果打开有机玻璃油雾室，必须先将平衡电压反向开关置“0”。（2）练习测量①练习控制油滴：用平衡法实验时，在平行极板上加工作（平衡）电压250V左右，反向开关放在“+”或“”侧均可，放走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动的油滴为止。注视其中的某一颗，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，让它匀速下降，下降一段距离后再加上平衡电压和升降电压，使油滴上升。如此反复多次地进行练习，以掌握控制油的方法。②练习测量油滴运动的时间：任意选择几颗运动速度快慢不同的油滴，用秒表测出它们下降一位移段所需要的时间。或者加上一定的电压，测出他们上升一段距离所需要的时间。如此反复多练几次，以掌握测量油滴运动时间的方法。③练习选择油滴：要做好本实验，很重要的一点是选择合适的油滴。选的油滴体积不能太大，太大的油滴虽然比较亮，但带电荷比较多，下降速度也比较快，时间不容易测准确。油滴也不能选得太小，否则布朗运动明显。通常平衡电压在200V以上，在20~30s时间内匀速下降2mm的油滴，其大小和带电量都比较合适。④练习改变油滴的带电量：对MOD-5B型密立根油滴仪，可以改变油滴的带电量。按下汞灯按纽，低压汞灯亮约5s，油滴的运动速度发生改变，这时油滴的带电量已经改变了。(3）正式测量①平衡测量法：从式（5-1-8）可知，用静态平衡测量法实验时，要测量两个量，一个是平衡电压U，另一个是油滴匀速下降一段距离1所需要的时间1g。测量平衡电压必须经过仔细的调节，并将油滴置于分划板上某条横线附近，以便准确判断出这颗油滴是否平衡。测量油滴匀速下降一段距离7所需要的时间t。时，应先让油滴下降一段距离后再测量时间。选定测量的一段距离，应该在平行板之间的中央部分，即视场中分划板的中央部分。若太靠近上电极板，小孔附近有气流，电场也不均匀，会影响测量结果。若太靠近下电极板，测量完时间t219
219 平位置。先预热 10min，利用预热时间，从测量显微镜中观察。如果分划板位置不正，则转动目 镜头，将分划板放正，目镜头要转到底。调节目镜，使分划板刻线清晰。 将油从油雾室旁的喷雾口喷入（喷雾器持平喷一次即可），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。如果视场太暗，油滴不够清晰，或视场上下亮度不均匀，可略微转动 油滴照明灯的方向节，使小灯泡前面的聚光灯正对前方。若用 CCD（连同监视器），则将 CCD 对 准显微镜，并进行调节，使监视器中看到清晰明亮的油滴。 注意：调整仪器时，如果打开有机玻璃油雾室，必须先将平衡电压反向开关置“0”。 ⑵练习测量 ①练习控制油滴：用平衡法实验时，在平行极板上加工作（平衡）电压 250V 左右，反向开关 放在“+”或“-”侧均可，放走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动的油滴为止。注视其中的 某一颗，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，让它匀速下降，下降一 段距离后再加上平衡电压和升降电压，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。 ②练习测量油滴运动的时间：任意选择几颗运动速度快慢不同的油滴，用秒表测出它们下降 一位移段所需要的时间。或者加上一定的电压，测出他们上升一段距离所需要的时间。如此反复 多练几次，以掌握测量油滴运动时间的方法。 ③练习选择油滴：要做好本实验，很重要的一点是选择合适的油滴。选的油滴体积不能太大， 太大的油滴虽然比较亮，但带电荷比较多，下降速度也比较快，时间不容易测准确。油滴也不能 选得太小，否则布朗运动明显。通常平衡电压在 200V 以上，在 20~30s 时间内匀速下降 2mm 的 油滴，其大小和带电量都比较合适。 ④练习改变油滴的带电量：对 MOD-5B 型密立根油滴仪，可以改变油滴的带电量。按下汞灯 按纽，低压汞灯亮约 5s，油滴的运动速度发生改变，这时油滴的带电量已经改变了。 ⑶正式测量 ①平衡测量法：从式（5-1-8）可知，用静态平衡测量法实验时，要测量两个量，一个是平衡 电压 U，另一个是油滴匀速下降一段距离 l 所需要的时间 tg。测量平衡电压必须经过仔细的调节， 并将油滴置于分划板上某条横线附近，以便准确判断出这颗油滴是否平衡。 测量油滴匀速下降一段距离 l 所需要的时间 g t 时，应先让油滴下降一段距离后再测量时间。 选定测量的一段距离 l ，应该在平行板之间的中央部分，即视场中分划板的中央部分。若太靠近上 电极板，小孔附近有气流，电场也不均匀，会影响测量结果。若太靠近下电极板，测量完时间 tg
后，油滴容易丢失，影响测量。一般取1为0.2cm比较合适，对同一颗油滴应进行5~6次测量，而且每次测量都要重新调整平衡电压。如果油滴逐渐变得模糊，要微调测量显微镜跟踪油滴，防止油滴丢失。用同样方法分别对1~2颗油滴进行测量，对MOD-5B型密立根油滴仪，也可用改变油滴带电量的办法，反复对同一颗油滴进行实验，求得电子电荷e。②动态非平衡测量法：具体方法可由学生根据实验原理自拟（供选做）。③改变油滴带电量的研究与测量（供选做）方法自拟。2、用HLD-MOD-IX型油滴仪测量(1)仪器调节①将仪器放平稳，调节底座上的三个调平手轮，使水准泡指示水平，这时平行极板处于水平位置。②打开油滴仪电源，先预热仪器，预热时间不少于10分钟。打开监视器电源，5秒后自动进入测量状态。(2)静态（平衡）测量法①按“清零”键，使计时秒表清零。②按下“平衡”按键，调节电压在200V左右，将油雾从油雾室旁的喷雾口喷入（喷1一2次即可），，打开油雾孔开关，油滴从上电极板中间直径0.4mm的小孔落入电场中。微调测量显微镜的调焦手轮，这时在监视屏上将出现大量清晰的油滴，如果视场太暗，油滴不够明亮，亮度不均匀，可打开监视器左边小盒，内有4个调节旋钮。对比度一般置于较大，亮度不要太亮。③通过调节“平衡电压调节旋钮”驱走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动、大小适中的油滴为止，选择其中一颗，仔细调节平衡电压，使油滴静止不动。记下“电压表”上显示的数U。④通过按“提升”按键把油滴提升到显示屏最上端，再按下“测量”键，使油滴开始下降。③当油滴转为匀速运动时（正常须在按下“测量”键1秒钟后），可根据需要按下“计/停”按键计时。③通过按“计/停”键，测量油滴下落为2mm（在刻度板为4大格）的距离所经过的时间1g。停止计时，并立即按“平衡”键或“提升”键，以免油滴逃逸出本电场，此时完成一颗油滴的测量，此时“秒表”上的时间为油滴在2mm距离匀速运动的时间tg。如此对同一颗油滴重复5次测量，每次测量时都要检查和调整平衡电压，如果油滴逐渐变得模糊，要微调测量显微镜，跟踪油滴，勿使丢失。③用同样方法，选择2颗油滴分别进行测量。得到该实验所需多组数据。③按公式对实验测量数据进行数据处理。220
220 后，油滴容易丢失，影响测量。一般取 l 为 0.2cm 比较合适。 对同一颗油滴应进行 5~6 次测量，而且每次测量都要重新调整平衡电压。如果油滴逐渐变得 模糊，要微调测量显微镜跟踪油滴，防止油滴丢失。 用同样方法分别对 1~2 颗油滴进行测量，对 MOD-5B 型密立根油滴仪，也可用改变油滴带电 量的办法，反复对同一颗油滴进行实验，求得电子电荷 e 。 ②动态非平衡测量法：具体方法可由学生根据实验原理自拟（供选做）。 ③改变油滴带电量的研究与测量（供选做）方法自拟。 2、用 HLD-MOD-Ⅸ型油滴仪测量 ⑴仪器调节 ①将仪器放平稳，调节底座上的三个调平手轮，使水准泡指示水平，这时平行极板处于水平 位置。 ②打开油滴仪电源，先预热仪器，预热时间不少于 10 分钟。打开监视器电源，5 秒后自动进 入测量状态。 ⑵静态（平衡）测量法 ①按“清零”键，使计时秒表清零。 ②按下“平衡”按键，调节电压在 200V 左右，将油雾从油雾室旁的喷雾口喷入(喷 1—2 次即 可)，打开油雾孔开关，油滴从上电极板中间直径 0.4mm 的小孔落入电场中。微调测量显微镜的 调焦手轮，这时在监视屏上将出现大量清晰的油滴，如果视场太暗，油滴不够明亮，亮度不均匀， 可打开监视器左边小盒，内有 4 个调节旋钮。对比度一般置于较大，亮度不要太亮。 ③通过调节“平衡电压调节旋钮”驱走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动、大小适中的 油滴为止，选择其中一颗，仔细调节平衡电压，使油滴静止不动。记下“电压表”上显示的数 U。 ④通过按“提升”按键把油滴提升到显示屏最上端，再按下“测量”键，使油滴开始下降。 ⑤当油滴转为匀速运动时（正常须在按下“测量”键 1 秒钟后），可根据需要按下“计/停” 按键计时。 ⑥通过按“计/停”键，测量油滴下落为 2mm（在刻度板为 4 大格）的距离所经过的时间 g t 。 停止计时，并立即按“平衡”键或“提升”键，以免油滴逃逸出本电场，此时完成一颗油滴的测 量，此时“秒表”上的时间为油滴在 2mm 距离匀速运动的时间 g t 。 ⑦如此对同一颗油滴重复 5 次测量，每次测量时都要检查和调整平衡电压，如果油滴逐渐变 得模糊，要微调测量显微镜，跟踪油滴，勿使丢失。 ⑧用同样方法，选择 2 颗油滴分别进行测量。得到该实验所需多组数据。 ⑨按公式对实验测量数据进行数据处理