密立根油滴实验（实验报告示例）

重要的事情放在前面：                        

本文大多数内容（包括实验目的、实验原理、实验仪器、实验内容、思考题）均源于大学物理实验指导书，并非本人原创，其余均为本人原创。                     

实验数据均为本人经过实验得出，放在这里是为了展示完整的实验报告，并供读者参考和学习，请端正学习心态，切勿抄袭、无故修改、伪造实验数据！                       

因为技术原因，有一些数字表达在这写得不标准。                       

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实验过程杂谈视频：

实验报告正文：

一、实验目的

1.了解油滴法测电子电量的基本原理和实验方法。

2.验证电荷的不连续性。

3.测定电子的电荷值e。

4.着重提高过程持续与专注的能力。

二、实验原理

        用油滴法测量电子的电荷，可以用静态（平衡）测量法或动态（非平衡）测量法，也可以通过改变油滴的带电量，再用静态法或动态法测量油滴带电量的改变量。各测量方法分述如下。

1.静态（平衡）测量法：

        用喷雾器将油喷入两块相距为d的水平放置的平行极板之间。油在喷射撕裂成油滴时，一般都带电的。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和静电力qE的作用，如下图所示。如果调节两极板间的电压U可使该两力达到平衡，这时有

        从上式可见，为了测出油滴所带的电量q，除了需测定平衡电压U和极板间距离d外，还需要测量油滴的质量m。因m很小，需用如下特殊方法测定：平行极板不加电压时，油滴受到重力而加速下降，由于空气阻力的作用，下降一段距离达到某一速度vg后，阻力fr与重力mg平衡（空气浮力忽略不计），油滴将匀速下降。根据斯托克斯定律，油滴匀速下降时有

        其中η为空气的粘滞系数；a为油滴的半径（由于表面张力的原因，油滴总是呈小球状）。

        至于油滴匀速下降的速度vg，可用下法测出。

        由此可见，静态测量法需要测量两个变量：一个是平衡电压U，另一个是油滴匀速下降一段距离l所需的时间tg。一般取l=0.200cm比较合适。

        实验发现，对于某一颗油滴，如果我们改变它所带的电量q，则能够使油滴达到平衡的电压必须是某些特定值Un，研究这些电压变化的规律可发现它们都满足方程q=mgd/Un，式中n=±1，±2，…，而e则是一个不变从值，可见所有带电油滴所带电量q都是最小电量e的整数倍，这就证明了电荷的不连续性，且最小电量e就是电子的电荷值e=q/n。

2.动态（非平衡）测量法：

三、实验仪器

1.油滴盒：圆桶形有机玻璃中，放置两块圆形平行铝板电极，铝板有接线柱引出，用以接直流高压电源。上铝板的中心有小孔，喷雾灯喷入的油滴由小孔落入两极板之间。照明小灯通过有机玻璃导光杆照亮油滴，油滴盒防风罩前装有测量显微镜， 通过绝缘环上的观察孔观察平行极板间的油滴，暗背景上明亮的油滴就像夜空中的明星。

2.THQMD-1型密立根油滴仪面板功能：

（1）CCD：将光信号转换成电子图像信号，与成像显微镜及显示器组成电子成像系统。

（2）电源开关按钮：打开按钮，电源接通，整机开始工作。

（3）视频输出插座：将CCD成像系统的信号输出至显示器，显示器阻抗选择开关拨至75Ω处。

（4）功能切换开关有平衡、升降、测量三挡。

① “平衡”挡：可用电压调节旋钮来调节平衡电压大小，使被测油滴处于平衡状态，调节平衡电压范围为DC 0〜450 V。

② “升降”挡：上下电极在平衡电压的基础上自动增加提升电压，油滴将失去原先的平衡状态(上升或者下降)，可用电压调节旋钮来调节，调节范围为DC 300〜700 V。

③ “测量”挡：极板间电压为0 V，被测誼油滴在被测量阶段因受重力影响而匀速下落，并同时开始计时，油滴下落到预定距离时，迅速拨到平衡挡，同时停止计时。

（5）电压调节旋钮：置于不同的挡位可调节不同的电压，调节范围为DC 0〜700 V。

（6）视频输入座：CCD视频输出和CCD电源共用座。

（7）秒表记时键：按一下该键，清除秒表内存的同时开始计时，再按一下该键，计时器将停止计时，秒表显示当前计时时间。

（8）水平仪：调节仪器机箱底部三只调平螺栓，使水泡处于中间位置，此时平行板处于水平位置。 （9）成像显微镜：显示油滴成像，与CCD成像系统及显示器配套组成电子成像系统。

（10）油室：由上、下电极组成一个平行极板的电容器，加上电压时，极板间形成相对均匀电场，可使带电油滴在电场中处于平衡状态。

（11）照明灯室：内置永久性照明LED，单灯使用寿命大于三年。

（12）计时器：用来测量油滴下降预定距离间的时间，精确到0.1s。

（13）三位半数字电压表：显示上下电极板之间的实际电压。

3.HQMD-1型密立根油滴仪主要技术参数：

平行极板间距：(5.00±0.01) mm   平行板板伺电压：直流DC 0〜700 V连续可调

平衡电压：DC 300〜450 V           升降电压：DC 300〜700 V

数字电压表：0〜±1999±1V          数字秒表：0〜（99.9±0.1）s

TV显微镜放大倍数：3倍               CCD清晰度：420TV线

CCD最低照度：0.02 lux               信噪比：＞48dB

显示器尺寸：8寸                           平均相对误差：≤3%

4.HQMD-1密立根油滴仪的使用说明：（静态法测油滴电量的仪器调整和使用方法）

1）调整仪器：

（1）将仪器放平稳，凋节仪器机箱底部左右两只调平螺丝，使水准泡指示水平（水泡处于中间位置），这时平行极板处于水平位置。

（2）先预热10分钟.利用预热时间，调节监视器，使分划板刻线清晰。

（3）CCD电子显示系统的安装与调整。

① 将CCD托板安装在CCD接筒上。

② 取下油滴仪目镜头，将内接筒套在测量显微镜筒上，再将目镜头装好。并凋整目镜头，使分划板聚焦清楚。

③ 将CCD镜头装于CCD上。用视频电缆将CCD上的VIDEO OUT插座与监视器的VIDEO IN插座相连接。监视器的阻抗开关置于75Ω，对比度放最大处，亮度尽量暗些。用随CCD所附专用电源线将CCD上的电源插孔与油滴仪上的CCD电源插座相连接。

④ 打开监视器电源.即可看到模糊图像。将CCD聚焦约25 cm（明视距离），使远处的景物更清楚。 . ⑤ 用专用螺丝将CCD固定在CCD托板上，镜头套在CCD接筒上。

⑥ 将CCD接筒套插在油滴仪的镜筒上.微调CCD镜头焦距，使分划板清楚，调整油滴仪显微镜焦距，使油滴清晰、明亮。

（4）检查计时器是否损坏。按计时键，使计时秒表计时幵始，再按一次计时键，使计时秒表停止计时，计吋秒表则会显示当前的计时时间。

（5）把功能切换开关拨到“平衡”挡，调节电压在250 V左右，从油雾室小孔喷入油滴（喷一、两下即可），油滴从上电极板中间直径0.4mm孔落入电场中，关闭油雾室。微调测量显微镜的调焦手轮。这时视场中出现大量清晰的油滴，如夜空繁星。如果视场太暗，油滴不够明亮，可略微调节监视器面板上的微调旋钮。

（6）驱走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动的为止，选择其中一颗，仔细调节平衡电压，使油滴静止不动，处于平衡状态。

（7）功能切换开关拨到“测量”挡，油滴匀速下降，同时计时，下落距离为2mm，即显示器屏幕上纵向四个格子，每个格子显示0.5mm，油滴匀速落到最后一格时，将功能切换开关迅速拨到“平衡”挡，同时秒表停止计时，此时完成一颗油滴的测量阶段。

（8）为重复测量油滴，要将油滴返回到原测量位置，将功能键打到“升降”挡，调节适当电压，此时油滴可快速上升到原始位置，恢复到“平衡”挡，可转入下一次测量。

（9）如此反复测量，并记录实验数据，可由以下提供的公式计算出油滴的带电量、油 滴的半径和油滴的质量。

注意：调整仪器时，如果打开有机玻璃油雾室，必须先将功能切换开关切换至“测量”位置。

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300V左右， 喷雾器喷入油滴，电场力会自动驱走不需要的油滴，直到剩下几颗缓慢运动时为止。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，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，但一般带的电荷比较多，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，太小则布朗运动明显。通常可以选择平衡电压在200 V以上，在20〜30 s的时间内匀速下降2 mm的油滴，其大小和带电量都比较合适。

3）正式测量：

5.注意事项：

（1）实验前应检查油滴仪是否水平，如果不水平可能造成落油孔被堵。

（2）在实验中，要注意跟踪和控制油滴，以免丢失。

（3）合理选择油滴的大小，适当调节CCD摄像头与观察孔的距离。

（4）为使平衡电压测值准确，应适当延长观察平衡状态的时间。

（5）不断校准工作电压，若发现平衡电压有明显改变，则应放弃，重新选择油滴。

（6）若落油孔已被堵塞，将上极板取下，用纸和气球将落油孔内油擦出，吹去即可。

（7）水平仪是用来调整油痺盒电极板水平的，水平仪在出厂前已经作过调整，因此切勿将其取下兼作它用，也勿任意旋动，否则油滴盒电极板不能调到水平，油滴就会产生漂移，甚至移出视场。

（8）油滴仪在通电或者做实验的情况下，切记不要将防风罩取下，此时，上、下电极板之间有DC 0〜750 V的高压。一定要小心，防止触电事故的发生。

四、实验内容

1. 用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了。

2. 测量油滴匀速下降一段距离l所需要的时间tg时，为了在按动计时器时有思想准备，应先让它下降一段距离后再测量时间。选定测量的一段距离l，应该在平行极板之间的中央部分，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。太靠近下电极板，测量完时间后，油滴容易丢失，也会影响测量。一般取l= 2cm比较合适。

3. 对同一颗油滴应进行5〜10次测量，测量结束后可直接将功能切换开关切换至“升降”挡，油滴便可升至原始位置。如果实验中油滴逐渐变得模糊，要微调测量显微镜跟踪油滴，勿使油滴丢失。

用同样方法分别为4〜5颗油滴进行测量，求得电子电荷e。

五、数据记录

六、数据处理

七、结果陈述

八、实验总结与思考题

1.实验总结：

        实验圆满完成。

2.思考题：

（1）本实验的“巧妙构思”体现在哪？

        本实验利用油被撕裂成油滴后带有少量的电荷，通过电压和重力的作用测出油滴的带电量，从而可以验证电荷的不连续性，并可以测出电子的电量。还有就是将电量这种小量的测量转换成测电压和时间等大量，即通过测量实验中易得到的宏观量，从而推算出难以直接测量的微观量。

（2）油滴的大小应如何选择才合适？

        通常选择平衡电压为200至300伏，匀速下落1.5mm所需的时间在8至20s之间的油滴为宜。

九、相关题

1. 下面哪种情况对实验没有影响？（A）

    A. 多次加减升降电压

    B. 两个极板不水平

    C. 实验仪器没有调平

2. 密立根油滴实验中,下列说法正确的是（C）。

    A. 该实验测得油滴的电量就是元电荷的电量

    B. 油滴质量可以用天平测量

    C. 油滴由于摩擦而带电

    D. 只要测出两极板之间的距离与电压就能求得油滴的电量

3. 在密立根实验中，处于重力场中时，通过什么方式知道油滴处于匀速运动状态（C）。

    A. 通过秒表计时判断

    B. 油滴在很短时间内就能处于匀速状态

    C. 油滴经过每个格子所用的时间大致相等时

    D. 通过加压调节

4. 选择大小合适的油滴是为了减少测量什么物理量的误差（C）。

    A. 油滴体积

    B. 油滴质量

    C. 时间

    D. 电压

5. 在密立根油滴实验中，如果两个油滴速度接近而平衡电压差别很大，说明两个油滴（B）。 

    A. 元电荷不同

    B. 电荷量差别大

    C. 质量差别大

    D. 体积差别大

6. 静态法测密立根油滴实验，涉及操作过程：a，调节平衡电压，使选中油滴所受重力与电场力达到平衡，油滴静止；b，打开提升电压，使油滴上升到指定位置；c，将提升电压置于零伏（按下零伏按钮），让油滴下落一段距离，重力与阻力达到平衡，油滴匀速下降，开始计时。操作顺序正确的是（C）

    A. c a b

    B. a b c

    C. a c b

7. 油滴在场强为E的电容器中上升的时候，受到哪些力的作用：（ABC）

    A. 粘滞阻力

    B. 重力

    C. 电场力

8. 油滴的运动轨迹不在铅直线上的原因是（BCD）。 

    A. 油滴喷的数量较多

    B. 油雾是从油管中喷进电场的，喷射形成空气局部涡旋，造成横向有运动

    C. 电极板没放水平，电场歪了。

    D. 装置漏风

9. 密立根油滴实验的实验目的（BCD）

    A. 研究光电效应

    B. 测定电子的电荷值

    C. 掌握油滴法测电子电量的原理和方法

    D. 验证电荷的不连续性，证实电荷量具有量子性

10. 密立根油滴实验中，静态法需要测得哪些物理量（ACD）

    A. 油滴在重力场中匀速运动的路程

    B. 油滴在静电场中的提升电压

    C. 油滴在静电场中的平衡电压

    D. 油滴在重力场中匀速运动的时间

11. 密立根油滴实验静态法中，油滴达到了哪几个平衡状态（BC）

    A. 静电场中，当电场电压大于平衡电压时，重力、电场力及空气阻力达到了平衡状态，油滴匀速运动

    B. 静电场中，当电场电压等于平衡电压时，重力与电场力达到了平衡状态，油滴静止。

    C. 重力场中，重力与空气阻力达到了平衡状态，油滴匀速运动。

12. 密立根油滴实验所用的方法（BC）

    A. 瞬时测量法

    B. 静态测量法

    C. 平衡测量法

13. 静态法中油滴静止在电容器中的时候，主要受到（A）的作用。A.重力、电场力 B.重力、粘滞阻力

14. 电容器两极板不水平，将对实验【1】影响，实验中调节仪底脚螺丝使平行板电容器调到【2】，使平衡电场方向与重力方向【3】，并用【4】检验。A.有 B．无 C.水平 D.平行 E.垂直 F.竖直 G.水准泡

    标准答案：A;C;D;G

15. (判断题)选择油滴时，油滴越大越好，因为大的油滴比较亮。

    标准答案：错误

16. (判断题)选择油滴时，油滴越小越好，因为小的油滴比较好控制。

    标准答案：错误

17. (判断题)测量过程中，一定要保证电容器水平，否则会影响测量结果的准确性。

    标准答案：正确

18. (判断题)选择油滴时，不能选择太大或太小的油滴，应选择下落屏幕4格（2mm）的时间为20-30秒的油滴。

    标准答案：正确