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。
為密立根所做 ，故又稱(chēng)密立根油滴實(shí)驗 。1910年R.A.密立根設計了一種直接測量附著(zhù)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)程中形成的細小油滴帶電，它們在重力、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。
在強光照射下從側面的顯微鏡中可清晰地觀(guān)察到油滴的運動(dòng)。通過(guò)油滴移動(dòng)的距離和經(jīng)歷的時(shí)間，可測定其速度，根據所測的數據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，每個(gè)油滴所帶的電荷等于一個(gè)最小電荷的整數倍 ；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，所測數據表明油滴所帶電荷的改變也是該最小電荷的整數倍，密立根測出該最小電荷值。實(shí)驗無(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。
2.元電荷的電量是怎么測定的
測定基元電荷的實(shí)驗。
為密立根所做 ，故又稱(chēng)密立根油滴實(shí)驗 。1910年R.A.密立根設計了一種直接測量附著(zhù)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)程中形成的細小油滴帶電，它們在重力、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。
在強光照射下從側面的顯微鏡中可清晰地觀(guān)察到油滴的運動(dòng)。通過(guò)油滴移動(dòng)的距離和經(jīng)歷的時(shí)間，可測定其速度，根據所測的數據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，每個(gè)油滴所帶的電荷等于一個(gè)最小電荷的整數倍 ；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，所測數據表明油滴所帶電荷的改變也是該最小電荷的整數倍，密立根測出該最小電荷值。實(shí)驗無(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。
3.科學(xué)家是怎樣測出電子電荷量的
密里根油滴實(shí)驗 電子電荷是一個(gè)重要的基本物理量，對它的準確測定有很大的意義。1883年由法拉第電解定律發(fā)現了電荷的不連續結構；1897年J J 湯姆遜通過(guò)對陰極射線(xiàn)的研究，測量了電子的荷質(zhì)比，從實(shí)驗上發(fā)現了電子的存在；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，以及首先準確測定電子電荷的數值，則是由密立根（Milton）在1911年完成的。本實(shí)驗就利用密立根油滴實(shí)驗儀驗證電荷的不連續性，并求出電子所帶的電量。從實(shí)驗結果可以看出，任何油滴從空氣中捕獲的電荷都是最小電荷的整數倍。 密立根油滴實(shí)驗歷來(lái)是一個(gè)著(zhù)名而有啟發(fā)性的實(shí)驗，它設計巧妙，結果準確。在實(shí)驗中，認真選擇油滴，耐心跟蹤和測量，培養一絲不茍的科學(xué)實(shí)驗態(tài)度。 實(shí)驗中要學(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。計算每個(gè)油滴的帶電量，這里采用倒過(guò)來(lái)驗證的方法，即用公認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，用這個(gè)整數除油滴的電量，得到電子電荷的測量值。 該實(shí)驗是一個(gè)近代物理實(shí)驗，難度系數：1.00，適合自動(dòng)化、電子信息工程、電氣工程及其自動(dòng)化、機械設計制造及其自動(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)以及對近代物理理論和實(shí)驗感興趣的同學(xué)選做。 實(shí)驗內容 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、計算每個(gè)油滴的帶電量，然后計算電子電荷。這里我們采用倒過(guò)來(lái)驗證的方法 ，即用公認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，再用這個(gè)整數除油滴的電量，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，計算相對百分誤差。 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）、調平裝置、照明裝置、顯微鏡、電源、計時(shí)器（秒表）、實(shí)驗用油、噴霧器等。 預習要求 1、通過(guò)分析油滴在極板間的受力情況，理解平衡法測量油滴電量公式的推導過(guò)程。 2、明白整個(gè)實(shí)驗的大致過(guò)程，如選擇5個(gè)合適的油滴，每個(gè)油滴測量多次；計算每個(gè)油滴的帶電量；求解電子電量。 3、根據要求畫(huà)出實(shí)驗數據表格。 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）顯微鏡調焦不準確性。同學(xué)可自己調節。 （2）極板上的小孔被堵塞了。此時(shí)應請老師來(lái)處理，因為極板上有高壓電，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性和所有電荷都是基本電荷e的整數倍，并得到基本電荷e值，最有說(shuō)明力的方法是對實(shí)驗所測得的各個(gè)油滴電量q求最大公約數，這個(gè)最大公約數就是基本電荷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比較困難。 這是采用的倒過(guò)來(lái)驗證的方法，嚴格說(shuō)來(lái)只能作為一種實(shí)驗驗證方法。 3、對某一個(gè)油滴測量了一次或幾次后，監視器屏幕上油滴的象可能會(huì )變得不清楚了。這是因為由于空氣的影響，油滴上下反復運動(dòng)幾次后，水平方向發(fā)生了移動(dòng)，從而造成顯微鏡調焦不準了，此 時(shí)只要微調顯微鏡調焦旋鈕即可。 思考討論 1、如何判斷油滴是否處在平衡狀態(tài)？ 2、實(shí)驗中如何選擇合適的油滴進(jìn)行測量？ 3、試分析空氣浮力對實(shí)驗結果的影響。 4、在實(shí)驗過(guò)程中，如果未調節器水平螺絲，即極板沒(méi)有處于水平狀態(tài)，則對實(shí)驗結果有什么影響？ 5、操作時(shí)怎樣使油滴在計時(shí)開(kāi)始時(shí)已經(jīng)處于勻速運動(dòng)狀態(tài)？ 注意事項 1、使用噴霧器往油霧室噴油時(shí)，不要連續噴多次，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)驗完畢，記錄室溫和空氣的粘滯系數，數據處理時(shí)要用到。
4.測元電荷的油滴實(shí)驗是怎么做的
我的百科 我的貢獻草稿箱百度首頁(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)驗目錄 實(shí)驗裝置 實(shí)驗與原理 密立根實(shí)驗與“草包族科學(xué)” 實(shí)驗作假丑聞 油滴實(shí)驗（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)行的一項物理學(xué)實(shí)驗，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。
此實(shí)驗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。
并根據已知的電場(chǎng)強度，計算出整顆油滴的總電荷量。重復對許多油滴進(jìn)行實(shí)驗之后，密立根發(fā)現所有油滴的總電荷值皆為同一數字的倍數，因此認定此數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]。密立根在諾貝爾獎頒獎典禮上，表示他的計算值為4.774(5) x 1010靜庫侖[2]（等于1.5924(17) x 1019庫侖）。
現在已知的數值與密立根的結果差異小于百分之一，但仍比密立根測量結果的標準誤（standard error）大了5倍，因此在統計上具顯著(zhù)差異。 [編輯本段]實(shí)驗裝置 密立根設置了一個(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)則設有一部顯微鏡，用以觀(guān)測實(shí)驗。噴入平板中的油滴可經(jīng)由控制電場(chǎng)來(lái)改變位置。
為了避免油滴因為光線(xiàn)照射蒸發(fā)而使誤差增加，此實(shí)驗所使用的油擁有較低的蒸氣壓。其中少數的油滴在噴入平板之前，會(huì )因為與噴嘴發(fā)生摩擦而獲得電荷，成為實(shí)驗對象。
[編輯本段]實(shí)驗與原理 在此實(shí)驗中，油滴的運動(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 )因為電場(chǎng)尚未開(kāi)啟而下墬（以重力加速度），并很快的因為與空氣的摩擦而到達終端速度（等速下墬）。接著(zhù)開(kāi)啟電場(chǎng)，假如此電場(chǎng)強度夠強（或稱(chēng)電場(chǎng)力，FE），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(guān)察的油滴，利用電壓的調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)驗將只針對此一油滴進(jìn)行。
然后關(guān)閉電場(chǎng)使油滴下降，并計算油滴在下墬時(shí)終端速度v1，再根據斯托克斯定律（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；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值，則重量必須減去空氣對油滴造成的浮力（等于和油滴相等體積的空氣重量）。假設油滴為完美球型，則浮力B可寫(xiě)成 （浮力，方向向上） ρair為空氣密度。
上兩式合并如下： （重力 - 浮力） 到達終端速度時(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。 若以較為直截了當的方法，q可經(jīng)由調整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(chǎng)力 - 重力 + 浮力 = 油滴向上爬升到達終端速度時(shí)所受的空氣阻力） 黏滯系數的修正 密立根當時(shí)的實(shí)驗所算出的q與油滴大小有關(guān)[3]，這是因為若是油滴太小，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)驗更精確的黏滯系數η' 應該修正為下式： P為實(shí)驗時(shí)的大氣壓力；b = 6.33 x 10-5米 · 毫巴，為實(shí)驗定出的經(jīng)驗常數。
[編輯本段]密立根實(shí)驗與“草包族科學(xué)” 理查·費曼曾經(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，我們學(xué)到了如何應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，量出了電子的帶電量，得到一個(gè)今天我們知道是不大對的答案。
他的資料有點(diǎn)偏差，因為他用了個(gè)不準確的空氣粘滯系數數值。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)現一些很有趣的現象：把這些資料跟時(shí)間畫(huà)成坐標圖，你會(huì )發(fā)現這個(gè)人得到的數值比密立根的數值大一點(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)更大的數值才穩定下來(lái)。
為什么他們沒(méi)有在一開(kāi)始就發(fā)現新數值應該較高？——這件事令許多相關(guān)的科學(xué)家慚愧臉紅——因為顯然很多人的做事方式是：當他們獲得一個(gè)比密立根數值更高的結果時(shí)，他們以為一定哪里出了錯，他們會(huì )拼命尋找，并且找到了實(shí)驗有錯誤的原因。另一方面，當他們獲得的結果跟密立根的相仿時(shí)，便不會(huì )那么用心去檢討。
