姓名：黄明星 班级：0212401 学号：021240127 实验日期：20##年5月19日 同组：郭铮
实验题目：密立根油滴实验
实验目的
1. 学习用油滴实验测量电子电荷的原理和方法。
2. 验证电荷的不连续性。
3. 测量电子的电荷量。
4. 了解CCD摄像机、光学系统的成像原理及视频信号处理技术的工程应用等。
5. 训练学生在实验过程中严谨的态度、实事求是的作风。
实验原理
密立根油滴实验测量基本电荷的基本设计思想是使带电油滴在两金属极板之间处于受力平衡状态。按运动方式分类，可分为平衡法和动态法。
1. 平衡法
平衡测量法的出发点是使油滴在均匀电场中静止在某一位置，或在重力场中作匀速运动。
当油滴在电场中平衡时，油滴在两极板间受到的电场力qE、重力m1g和浮力m2g达到平衡，从而静止在某一位置，即
油滴在重力场中作匀速运动时，情形同动态测量法，将式（4）、（8）和（9）代入式（11）并注意到1/tr=0，则有
2. 元电荷的测量方法
测量油滴上所带电荷量q的目的是找出电荷的最小单位e。为此可以对不同的油滴，分别测出其所带的电荷值qi，它们应近似为元电荷的整数倍。油滴电荷量的最大公约数，或油滴带电量之差的最大公约数，即为元电荷e。
（
为整数） （13）
也可用作图法求e值，根据式（13），e为直线方程的斜率，通过拟合直线即可求的e值。
我们建议实验中选择带1-5个电子的油滴（具体的选择方法会在后面提到），若油滴所带的电子过多，则不好确定该油滴所带的电子个数。
仪器介绍
实验仪由主机、CCD成像系统、油滴盒、监视器和喷雾器等部件组成。
其中主机包括可控高压电源、计时装置、A/D采样、视频处理等单元模块。CCD成像系统包括CCD传感器、光学成像部件等。油滴盒包括高压电极、照明装置、防风罩等部件。监视器是视频信号输出设备。仪器部件示意如图 2。
图 2 主机部件示意图
1、CCD盒 2、电源插座 3、调焦旋钮 4、Q9视频接口 5、光学系统 6、镜头 7、观察孔 8、上极板压簧 9、进光孔10、光源 11、确认键 12、状态指示灯 13、平衡/提升切换键 14、0V/工作切换键 15、计时开始/结束切换键 16、水准泡 17、电压调节旋钮 18、紧定螺钉 19、电源开关 20、油滴管收纳盒安放环 21、调平螺钉(3颗)
CCD模块及光学成像系统用来捕捉暗室中油滴的像，同时将图像信息传给主机的视频处理模块。实验过程中可以通过调焦旋钮来改变物距，使油滴的像清晰地呈现在CCD传感器的窗口内。
电压调节旋钮可以调整极板之间的电压大小，用来控制油滴的平衡、下落及提升。
计时“开始/结束”按键用来计时、“0V/工作”按键用来切换仪器的工作状态、“平衡/提升”按键可以切换油滴平衡或提升状态、“确认”按键可以将测量数据显示在屏幕上，从而省去了每次测量完成后手工记录数据的过程，使操作者把更多的注意力集中到实验本质上来。
油滴盒是一个关键部件，具体构成,如图 3所示。
1、喷雾口 2、进油量开关 3、防风罩 4、上极板 5、油滴室 6、下极板 7、油雾杯 8、上极板压簧9、落油孔
上、下极板之间通过胶木圆环支撑，三者之间的接触面经过机械精加工后可以将极板间的不平行度、间距误差控制在0.01mm以下；这种结构基本上消除了极板间的“势垒效应”及“边缘效应”，较好地保证了油滴室处在匀强电场之中，从而有效地减小了实验误差。
胶木圆环上开有两个进光孔和一个观察孔，光源通过进光孔给油滴室提供照明，而成像系统则通过观察孔捕捉油滴的像。照明由带聚光的高亮发光二极管提供，其使用寿命长、不易损坏；油雾杯可以暂存油雾，使油雾不会过早地散逸；进油量开关可以控制落油量；防风罩可以避免外界空气流动对油滴的影响。
实验内容与步骤
学习控制油滴在视场中的运动，并选择合适的油滴测量元电荷。要求至少测量5个不同的油滴，每个油滴的测量次数应在5次。
1. 调整仪器
① 水平调整
调整实验仪主机的调平螺钉旋钮(俯视时，顺时针平台降低，逆时针平台升高)，直到水准泡正好处于中心（注：严禁旋动水准泡上的旋钮）。将实验平台调平，使平衡电场方向与重力方向平行以免引起实验误差。极板平面是否水平决定了油滴在下落或提升过程中是否发生左右的漂移。
② 喷雾器调整
将少量钟表油缓慢地倒入喷雾器的储油腔内，使钟表油湮没提油管下方，油不要太多，以免实验过程中不慎将油倾倒至油滴盒内堵塞落油孔。将喷雾器竖起，用手挤压气囊，使得提油管内充满钟表油。
③ 仪器硬件接口连接
主机接线：电源线接交流220V/50Hz。
监视器：视频线缆输入端接“VIDEO”，另一Q9端接主机“视屏输出”。DC12V适配器电源线接220V/50Hz交流电压。前面板调整旋钮自左至右依次为显示开关、返回键、方向键、菜单键（建议亮度调整为20、对比度调整为100）。
④ 实验仪联机使用
a、打开实验仪电源及监视器电源，监视器出现仪器名称及研制公司界面。
b、按主机上任意键：监视器出现参数设置界面，首先，设置实验方法，然后根据该地的环境适当设置重力加速度、油密度、大气压强、油滴下落距离。“←”表示左移键、“→”表示为右移键、“+”表示数据设置键。
c、按确认键后出现实验界面：计时“开始/结束”键为结束、“0V/工作”键为0V、“平衡/提升”键为“平衡”。
⑤、CCD成像系统调整
打开进油量开关，从喷雾口喷入油雾，此时监视器上应该出现大量运动油滴的像。若没有看到油滴的像，则需调整调焦旋钮或检查喷雾器是否有油雾喷出。
2. 熟悉实验界面
在完成参数设置后，按确认键，监视器显示实验界面，如图 4。不同的实验方法的实验界面有一定差异。
极板电压：实际加到极板的电压，显示范围：0～1999V。
计时时间：计时开始到结束所经历的时间，显示范围：0～99.99S。
电压保存提示：将要作为结果保存的电压，每次完整的实验后显示。当保存实验结果后（即按下确认键）自动清零。显示范围同极板电压。
保存结果显示：显示每次保存的实验结果，共5次，显示格式与实验方法有关。
平衡法：
当需要删除当前保存的实验结果时，按下确认键2秒以上，当前结果被清除(不能连续删)。
下落距离：显示设置的油滴下落距离。当需要更改下落距离的时候，按住平衡、提升键2秒以上，此时距离设置栏被激活(动态法1步骤和2步骤之间不能更改)，通过 + 键（即平衡、提升键）修改油滴下落距离，然后按确认键确认修改。距离标志相应变化。
距离标志：显示当前设置的油滴下落距离，在相应的格线上做数字标记，显示范围：0.2mm～1.8mm。垂直方向视场范围为2mm，分为10格，每格0.2mm。
实验方法：显示当前的实验方法（平衡法或动态法），在参数设置界面设定。欲改变实验方法，只有重新启动仪器（关、开仪器电源）。对于平衡法，实验方法栏仅显示“平衡法”字样；对于动态法，实验方法栏除了显示“动态法”以外，还显示即将开始的动态法步骤。如将要开始动态法第一步(油滴下落)，实验方法栏显示“1动态法”。同样，做完动态法第一步骤，即将开始第二步骤时，实验方法栏显示“2 动态法”。
仪器生产厂家：显示生产厂家。
3. 正式测量
实验可选用平衡法（推荐）、动态法。实验前仪器必须调水平。
平衡法
① 开启电源，进入实验界面将工作状态按键切换至“工作”，红色指示灯点亮；将“平衡/提升”按键置于“平衡”。
② 将平衡电压调整为400V左右，通过喷雾口向油滴盒内喷入油雾，此时监视器上将出现大量运动的油滴。选取合适的油滴，仔细调整平衡电压U，使其平衡在起始（最上面）格线上。
③ 将“0V/工作”状态按键切换至“0V”，此时油滴开始下落，当油滴下落到有“0”标记的格线时，立即按下计时开始键，同时计时器启动，开始记录油滴的下落时间t。
④ 当油滴下落至有距离标记的格线时（例如：1.6），立即按下计时结束键，同时计时器停止计时，油滴立即静止，“0V/工作”按键自动切换至“工作”。通过“确认”按键将这次测量的“平衡电压和匀速下落时间”结果同时记录在监视器屏幕上。
⑤ 将“平衡/提升”按键置于“提升”，油滴将向上运动，当回到高于有“0”标记格线时，将“平衡/提升”键切换至平衡状态，油滴停止上升，重新调整平衡电压。（注意：如果此处的平衡电压发生了突变，则该油滴得到或失去了电子。这次测量不能作数，从步骤②开始重新找油滴。）
⑥ 重复③④⑤，并将数据（平衡电压V及下落时间t）记录到屏幕上。当5次测量完成后，按“确认”键，系统将计算5次测量的平均平衡电压
和平均匀速下落时间
，并根据这两个参数自动计算并显示出油滴的电荷量q。
重复②③④⑤⑥步，共找5颗油滴，并测量每颗油滴的电荷量
。
数据处理
计算法：至少测量5颗油滴，记录每颗油滴的电荷量，再
，对商四舍五入取后得到每颗油滴所带电子个数
；再
得到每次测量的基本电荷，再求出n次测量的
，与理论值比较求百分误差及不确定度。
作图法：得到和对应的后，以
为纵坐标，
为横坐标作图，拟合得到的直线斜率即为基本电荷
，与理论值比较求百分误差及不确定度。
注意事项
1、CCD盒、紧定螺钉、摄像镜头的机械位置不能变更，否则会对像距及成像角度造成影响。（见图1-3）
2、仪器使用环境：温度为（0-40℃）的静态空气中。
3、注意调整进油量开关（见图1-4），应避免外界空气流动对油滴测量造成影响。
4、仪器内有高压，实验人员避免用手接触电极。
5、实验前应对仪器油滴盒内部进行清洁，防止异物堵塞落油孔。
6、注意仪器的防尘保护。
第二篇：密立根油滴实验近代物理实验论文
近代物理实验论文
——密立根油滴测电子电荷
学院：理学院
班级：
姓名：
学号：
密立根油滴测电子电荷
摘要：密立根油滴实验可以测量油滴的电量，并可验证电荷的量子性，即任何带电体所带的电量都是基本的整数倍。OM98型油滴仪将油滴喷入电容两块水平的平行电极板之间时，油滴经喷射后，一般都是带电的。在不加电场的情况下，小油滴受重力作用而下落，当重力与空气的浮力（或者阻力）和粘滞阻力平衡时，它便匀速下降，或者平衡在某一点，通过测量下降一定高度的时间从而计算得出油滴的带电量。本实验难度较大，且存在不可避免的误差，测量物体带电量还有其他方法这里不再赘述。
关键字：密立根油滴实验、显微摄像油滴仪（OM98型）、油滴
引言：密立根油滴实验，美国物理学家密立根所做的测定电子电荷的实验。1907-1913年密立根用在电场和重力场中运动的带电油滴进行实验，发现所有油滴所带的电量均是某一最小电荷的整数倍，该最小电荷值就是电子电荷。
一、实验目的
1、利用电视显微密立根油滴仪测量电子电荷。
2、了解CCD图像传感器的原理与应用，学习电视显微测量方法。
二、实验背景
1897年汤姆生发现了电子的存在后，人们进行了多次尝试，以精确确定它的性质。汤姆生又测量了这种基本粒子的比荷（荷质比），证实了这个比值是唯一的。许多科学家为测量电子的电荷量进行了大量的实验探索工作。电子电荷的精确数值最早是美国科学家密立根于1917年用实验测得的。密立根在前人工作的基础上，进行基本电荷量e的测量，他作了几千次测量，一个油滴要盯住几个小时，可见其艰苦的程度。密立根通过油滴实验，精确地测定基本电荷量e的过程，是一个不断发现问题并解决问题的过程。为了实现精确测量，他创造了实验所必须的环境条件，例如油滴室的气压和温度的测量和控制。开始他是用水滴作为电量的载体的，由于水滴的蒸发，不能得到满意的结果，后来改用了挥发性小的油滴。最初，由实验数据通过公式计算出的e值随油滴的减小而增大，面对这一情况，密立根经过分析后认为导致这个谬误的原因在于，实验中选用的油滴很小，对它来说，空气已不能看作连续媒质，斯托克斯定律已不适用，因此他通过分析和实验对斯托克斯定律作了修正，得到了合理的结果。
三、实验仪器
OM98型油滴仪、显微摄像油滴仪
四、实验原理与操作
一个质量为m，带电量为ｑ的油滴处在二块平行极板之间，在平行极板未加电压时，油滴受重力作用而加速下降，由于空气阻力的作用，下降一段距离后，油滴将作匀速运动，速度为Vg，这时重力与阻力平衡（空气浮力忽略不计），如图1所示。根据斯托克斯定律，粘滞阻力为
图1
式中
是空气的粘滞系数，ａ是油滴的半径，这时有
当在平行极板上加电压V时，油滴处在场强为Ｅ的静电场中，设电场力qＥ与重力相反，如图2所示，使油滴受电场力加速上升，由于空气阻力作用，上升一段距离后，油滴所受的空气阻力、重力与电场力达到平衡（空气浮力忽略不计），则油滴将以匀速上升，此时速度为Ｖｅ，则有：
又因为 Ｅ＝Ｖ／ｄ
由上述（１）、（２）、（３）式可解出
为测定油滴所带电荷ｑ，除应测出Ｖ、ｄ和速度Ｖｅ、Ｖｇ外，还需知油滴质量ｍ，由于空气中悬浮和表面张力作用，可将油滴看作圆球，其质量为 
式中
是油滴的密度。
由（１）和（５）式，得油滴的半径
考虑到油滴非常小，空气已不能看成连续媒质，空气的粘滞系数应修正为
式中ｂ为修正常数，ｐ为空气压强，ａ为未经修正过的油滴半径，由于它在修正项中，不必计算得很精确，由（６）式计算就够了．
实验时取油滴匀速下降和匀速上升的距离相等，设都为l，测出油滴匀速下降的时间ｔｇ，匀速上升的时间ｔe，则
将（５）、（６）、（７）、（８）式代入（４），可得
令 
得 
/V
此式是动态（非平衡）法测油滴电荷的公式。
下面导出静态（平衡）法测油滴电荷的公式。
调节平行极板间的电压，使油滴不动，Ve=0，即ｔｅà
，由上式可得
或者
上式即为静态法测油滴电荷的公式。为了求电子电荷ｅ，对实验测得的各个电荷ｑ求最大公约数，就是基本电荷ｅ的值，也就是电子电荷ｅ，也可以测得同一油滴所带电荷的改变量
（可以用紫外线或放射源照射油滴，使它所带电荷改变），这时应近似为某一最小单位的整数倍，此最小单位即为基本电荷ｅ。
五、实验步骤
1、仪器调整
调节仪器底座上的三只调平手轮，将水泡调平。由于底座空间较小,调手轮时如将手心向上,用中指和无名指夹住手轮调节较为方便。
喷雾器内的油不可装得太满，否则会喷出很多“油”而不是“油雾”，堵塞上电极的落油孔。每次实验完毕应及时揩擦上极板及油雾室内的积油！
喷油时喷雾器的喷头不要深入喷油孔内，防止大颗粒油滴堵塞落油孔。
喷雾器的汽囊不耐油，实验后，将汽囊与金属件分离保管较好，可延长使用寿命。
如需打开油滴仪检查，一定要拔下电源插头再进行！
2、测量练习
练习是顺利做好实验的重要一环，包括练习控制油滴运动，练习测量油滴运动时间和练习选择合适的油滴。
选择一颗合适的油滴十分重要。大而亮的油滴必然质量大，所带电荷也多，而匀速下降时间则很短，增大了测量误差和给数据处理带来困难。通常选择平衡电压为200～300Ｖ，匀速下落1.5mm的时间在8 - 20S左右的油滴较适宜。喷油后，置“平衡”档,调W使极板电压为200～300Ｖ，注意几颗缓慢运动、较为清晰明亮的油滴。置“0V”档时，观察各颗油滴下落大概的速度，从中选一颗作为测量对象。对于９英寸监视器，目视油滴直径在0.5～1mm左右的较适宜。过小的油滴观察困难,布朗运动明显，会引入较大的测量误差。
判断油滴是否平衡要有足够的耐性。用
将油滴移至某条刻度线上，仔细调节平衡电压，这样反复操作几次，经一段时间观察油滴确实不再移动才认为是平衡了。
测准油滴上升或下降某段距离所需的时间，一是要统一油滴到达刻度线什么位置才认为油滴已踏线，二是眼睛要平视刻度线，不要有夹角。反复练习几次，使测出的各次时间的离散性较小。
3、正式测量
用平衡测量法、动态测量法和同一油滴改变电荷法（第三种方法所用的射线源用户自备）。 如采用平衡法测量，可将已调平衡的油滴用控制移到“起跑”线上，按K3（计时／停），让计时器停止计时，然后将拨向“0V”，油滴开始匀速下降的同时，计时器开始计时。到“终点”时迅速将拨向“平衡”，油滴立即静止，计时也立即停止。动态法是分别测出加电压时油滴上升的速度和不加电压时油滴下落的速度，代入相应公式，求出e值。油滴的运动距离一般取1mm～1.5mm。对某颗油滴重复5～10次测量，选择10～20颗油滴，求得电子电荷的平均值ｅ。在每次测量时都要检查和调整平衡电压，以减小偶然误差和因油滴挥发而使平衡电压发生变化。
六、实验数据处理
=1.59
=0.6%
实验条件：
油的密度 
（20℃）
重力加速度 
空气粘滞系数 
油滴匀速下降距离 
修正常数 
大气压强 
平行极板间距离 
注： n—第几个油滴， t1-t4—每个油滴测时间四次（s）， V平－平衡电压（伏），
－t1-t4的平均值（s）， N－每个油滴带几个电子， 
－由第i个油滴算出的一个电子的电量， －由10个油滴算出的电子电量的平均值（×10－19c）
七、误差分析
1 理论误差
因为油的密度ρ、空气的粘滞系数都是温度的函数, 重力加速度g 和大气压强p 又随实验地点和实验条件的变化而变化,但是一般条件下,计算的误差只有百分之一左右。因此式(10) 是可取的,它给实验结果的计算带来了方便。
2 测量误差
a、密立根油滴实验是一个操作技巧要求较高的实验, 因此, 在实验仪器相同的情况下, 测量误差除了由系统误差引起的部分, 主要就是由测量人员的主观素质引起的偶然误差形成的。
b、选择合适的油滴很重要,油滴的体积太大,大的油滴虽然容易观察,但质量大,必须带很多电荷才能取得平衡,而且下落时间短,结果不易测准。油滴的体积过小,容易产生漂移,也会增大测量误差。选择那些质量适中而带电量不太多的油滴才是可取的, 可根据平衡电压的大小(约200V) 和油滴匀速下降的时间(约15～35s) 来判断油滴的大小和带电量的多少。
八、参考文献：
《近代物理实验》内蒙古工业大学物理实验中心编
九、 心得体会
密立根的实验装置随着技术的进步而得到了不断的改进，但其实验原理至今仍在当代物理科学研究的前沿发挥着作用，例如，科学家用类似的方法确定出基本粒子──夸克的电量。
油滴实验中将微观量测量转化为宏观量测量的巧妙设想和精确构思，以及用比较简单的仪器，测得比较精确而稳定的结果等都是富有启发性的，丰富了我们大学生的思维。