測量元電荷的方法(元電荷的電量是怎么測定的)

1.元電荷的電量是怎么測定的

測定基元電荷的實(shí)驗(yàn)。

為密立根所做 ，故又稱密立根油滴實(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)。通過油滴移動(dòng)的距離和經(jīng)歷的時(shí)間，可測定其速度，根據(jù)所測的數(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射線或鐳射線照射油滴，油滴所帶電荷發(fā)生改變，引起其速度變化，所測數(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，密立根測出該最小電荷值。實(shí)驗(yàn)無可辨駁地說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定的

測定基元電荷的實(shí)驗(yàn)。

為密立根所做 ，故又稱密立根油滴實(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)。通過油滴移動(dòng)的距離和經(jīng)歷的時(shí)間，可測定其速度，根據(jù)所測的數(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射線或鐳射線照射油滴，油滴所帶電荷發(fā)生改變，引起其速度變化，所測數(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，密立根測出該最小電荷值。實(shí)驗(yàn)無可辨駁地說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 湯姆遜通過對(duì)陰極射線的研究，測量了電子的荷質(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直接證明電荷的分立性，以及首先準(zhǔn)確測定電子電荷的數(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)行多次測量。計(jì)算每個(gè)油滴的帶電量，這里采用倒過來驗(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。如果油滴過大，下降速度會(huì)過快，油滴過小，則布朗運(yùn)動(dòng)明顯。 2、用平衡法測量油滴勻速下降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。這里我們采用倒過來驗(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量值。 4、將電子電荷的測量值與理論值進(jìn)行比較，計(jì)算相對(duì)百分誤差。 儀器簡介 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、通過分析油滴在極板間的受力情況，理解平衡法測量油滴電量公式的推導(dǎo)過程。 2、明白整個(gè)實(shí)驗(yàn)的大致過程，如選擇5個(gè)合適的油滴，每個(gè)油滴測量多次；計(jì)算每個(gè)油滴的帶電量；求解電子電量。 3、根據(jù)要求畫出實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格。 問題解答 1、打開儀器電源開關(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，最有說明力的方法是對(duì)實(shí)驗(yàn)所測得的各個(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。 這是采用的倒過來驗(yàn)證的方法，嚴(yán)格說來只能作為一種實(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)橛捎诳諝獾挠绊懀偷紊舷路磸?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)過程中，如果未調(diào)節(jié)器水平螺絲，即極板沒有處于水平狀態(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 | 登錄 新聞 網(wǎng)頁 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 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靜庫侖[2]（等于1.5924(17) x 1019庫侖）。

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，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)是用來將光線射入裝置中，另外一個(gè)則設(shè)有一部顯微鏡，用以觀測實(shí)驗(yàn)。噴入平板中的油滴可經(jīng)由控制電場來改變位置。

為了避免油滴因?yàn)楣饩€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） 電場力（向上） 首先噴入的油滴會(huì)因?yàn)殡妶錾形撮_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）。接著開啟電場，假如此電場強(qiáng)度夠強(qiáng)（或稱電場力，F(xiàn)E），那么將會(huì)使部分具有電荷的油滴開始上升。

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中央，并使其他油滴墬落。接下來的實(shí)驗(yàn)將只針對(duì)此一油滴進(jìn)行。

然后關(guān)閉電場使油滴下降，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可寫成 （重力，方向向下） ρ為油滴密度 不過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，也就是F = W，由此可得： 一但求得r（太小以致無法直接測量），則W也可算出。 再來將電場重新開啟，此時(shí)作用于油滴的電場力為 （電場力，方向向上） q為油滴電荷；E為電極板之間的電場。

平行板狀電極產(chǎn)生的電場則可以下式求得： 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，再從下式中得到q： （電場力 - 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)院的一場畢業(yè)典禮演說中敘述“草包族科學(xué)”（Cargo cult science）時(shí)提到[4]： 從過往的經(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。

為什么他們沒有在一開始就發(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。