密立根油滴法測(cè)量電荷電量實(shí)驗(yàn)的一種改進(jìn)大全

第一篇：密立根油滴法測(cè)量電荷電量實(shí)驗(yàn)的一種改進(jìn)大全

密立根油滴實(shí)驗(yàn)的操作改進(jìn)

姓名：屈少斌學(xué)號(hào)：2022015020 摘要: 密立根油滴實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一, 至今仍是近代物理實(shí)驗(yàn)中的必做實(shí)驗(yàn)。本文針對(duì)密立根油滴法測(cè)量電荷電量的實(shí)驗(yàn)中存在誤差過(guò)大導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差過(guò)大的問(wèn)題, 提出一種輔助該實(shí)驗(yàn)的軟件方案。該方案能夠避免過(guò)大的誤差, 同時(shí)合理保留精度允許范圍的誤差量, 較為真實(shí)可靠的還原整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程。將該軟件改進(jìn)方案引入實(shí)驗(yàn)教學(xué), 能夠在節(jié)約成本的同時(shí)改善教學(xué)效果、提高教學(xué)質(zhì)量。關(guān)鍵詞: 密立根油滴法;實(shí)驗(yàn);電荷;改進(jìn)方案

引言

19世紀(jì)末, 隨著X射線的發(fā)現(xiàn)而迅速展開(kāi)的物理學(xué)革命, 揭開(kāi)了現(xiàn)代物理學(xué)的序幕, 人類(lèi)從此打開(kāi)了奇妙的微觀世界研究的大門(mén)。1897年J1J1Thomson在研究陰極射線的實(shí)驗(yàn)中確認(rèn)了電子的存在。于是, 測(cè)定電子電荷e就成了當(dāng)時(shí)物理學(xué)家面臨的重大課題。美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家密立根(R1A1Millikan)歷經(jīng)11年時(shí)間[ 1 ], 首次精確地測(cè)出了基本電荷的數(shù)值為e=(1.5924±0.0017)×10-19C,因而獲得1923年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)[ 2 ]。密立根油滴實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)巧妙, 方法簡(jiǎn)便, 設(shè)備簡(jiǎn)單, 結(jié)果準(zhǔn)確, 堪稱(chēng)物理實(shí)驗(yàn)之典范, 尤其是它的設(shè)計(jì)思想更值得借鑒。近年來(lái)[ 3 ], 根據(jù)該實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想改進(jìn)的用磁漂浮的方法測(cè)量分?jǐn)?shù)電荷, 以及用密立根油滴儀同時(shí)測(cè)量粉塵的粒徑和電荷量的實(shí)驗(yàn), 引起了人們的普遍關(guān)注, 說(shuō)明該實(shí)驗(yàn)至今仍富巨大的生命力。重做密立根油滴實(shí)驗(yàn)[ 4 ], 在不斷改進(jìn)測(cè)量方法的同時(shí), 可以進(jìn)一步體驗(yàn)前輩物理學(xué)家深刻的物理思想和精巧的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

1897年湯姆生發(fā)現(xiàn)了電子的存在后，人們進(jìn)行了多次嘗試，以精確確定它的性質(zhì)。湯姆生又測(cè)量了這種基本粒子的比荷（荷質(zhì)比），證實(shí)了這個(gè)比值是唯一的。許多科學(xué)家為測(cè)量電子的電荷量進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)探索工作。電子電荷的精確數(shù)值最早是美國(guó)科學(xué)家密立根于1917年用實(shí)驗(yàn)測(cè)得的。密立根在前人工作的基礎(chǔ)上，進(jìn)行基本電荷量e的測(cè)量，他作了幾千次測(cè)量，一個(gè)油滴要盯住幾個(gè)小時(shí)，可見(jiàn)其艱苦的程度。

密立根通過(guò)油滴實(shí)驗(yàn)，精確地測(cè)定基本電荷量e的過(guò)程，是一個(gè)不斷發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并解決問(wèn)題的過(guò)程。為了實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，他創(chuàng)造了實(shí)驗(yàn)所必須的環(huán)境條件，例如油滴室的氣壓和溫度的測(cè)量和控制。開(kāi)始他是用水滴作為電量的載體的，由于水滴的蒸發(fā)，不能得到滿意的結(jié)果，后來(lái)改用了揮發(fā)性小的油滴。最初，由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)通過(guò)公式計(jì)算出的e值隨油滴的減小而增大，面對(duì)這一情況，密立根經(jīng)過(guò)分析后認(rèn)為導(dǎo)致這個(gè)謬誤的原因在于，實(shí)驗(yàn)中選用的油滴很小，對(duì)它來(lái)說(shuō)，空氣已不能看作連續(xù)媒質(zhì)，斯托克斯定律已不適用，因此他通過(guò)分析和實(shí)驗(yàn)對(duì)斯托克斯定律作了修正，得到了合理的結(jié)果。

密立根的實(shí)驗(yàn)裝置隨著技術(shù)的進(jìn)步而得到了不斷的改進(jìn)，但其實(shí)驗(yàn)原理至今仍在當(dāng)代物理科學(xué)研究的前沿發(fā)揮著作用，例如，科學(xué)家用類(lèi)似的方法確定出基本粒子──夸克的電量。

油滴實(shí)驗(yàn)中將微觀量測(cè)量轉(zhuǎn)化為宏觀量測(cè)量的巧妙設(shè)想和精確構(gòu)思，以及用比較簡(jiǎn)單的儀器，測(cè)得比較精確而穩(wěn)定的結(jié)果等都是富有啟發(fā)性的。

由于密立根油滴法的精妙設(shè)計(jì)和重大的意義, 因此大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課中, 密立根油滴法測(cè)定電子電荷的實(shí)驗(yàn)也是學(xué)生必做實(shí)驗(yàn)之一?，F(xiàn)在做密立根油滴法測(cè)定電子電荷實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備比起100年前的密立根所用設(shè)備有了非常大的改進(jìn)。學(xué)生用專(zhuān)用實(shí)驗(yàn)儀器在做該實(shí)驗(yàn) 時(shí)只需要找到合適的油滴, 并進(jìn)行簡(jiǎn)單的按鍵操作就可以完成基本的測(cè)量。經(jīng)過(guò)測(cè)量, 實(shí)驗(yàn)儀器會(huì)自動(dòng)給出油滴所帶的電荷數(shù)。然后, 學(xué)生通過(guò)計(jì)算就可以測(cè)定電子所帶的電荷數(shù)。然而, 由于實(shí)驗(yàn)儀器本身的原因和學(xué)生的操作誤差, 常常導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果測(cè)量到的電子電荷數(shù)和電子電荷理論值相距甚遠(yuǎn), 大大超出可接受的范圍?；谶@種實(shí)驗(yàn)課程中的實(shí)際情況, 本文提出了一種對(duì)密立根油滴法測(cè)定電子電荷實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方案。

一

密立根油滴法實(shí)驗(yàn)原理

密立根油滴實(shí)驗(yàn)有兩種基本的方法, 即動(dòng)態(tài)法和靜態(tài)平衡法。這兩種方法都是從觀察和測(cè)量帶電油滴在電場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律入手的, 運(yùn)動(dòng)規(guī)律不同導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)方法有一定區(qū)別。為了獲得比較精確的測(cè)量結(jié)果, 盡可能把油滴受到的各種作用和修正因素都考慮進(jìn)去。

動(dòng)態(tài)法

當(dāng)油滴受到的重力、電場(chǎng)力、浮力及粘滯阻力四個(gè)力的作用平衡時(shí), 作勻速的上升運(yùn)動(dòng), 就滿足了動(dòng)態(tài) 法的測(cè)量條件。(1)實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)平行極板間未加電壓時(shí), 油滴受重力、浮力、粘滯阻力三個(gè)力作用,平衡時(shí) F重-F浮=F粘在平行極板間加電壓, 油滴受重力、浮力、電場(chǎng)力及粘滯阻力四個(gè)力作用,平衡時(shí)。

靜態(tài)平衡法

當(dāng)油滴在重力、電場(chǎng)力、浮力三個(gè)力的作用下靜止時(shí), 就滿足了靜態(tài)平衡法的測(cè)量條件。(1)實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)平行極板間未加電壓時(shí), 油滴的受力情況與311節(jié)(1)中未加電壓時(shí)相同。

當(dāng)給平行極板加上電壓時(shí), 調(diào)節(jié)電壓使油滴靜止, 這時(shí)油滴同時(shí)受到重力、浮力、電場(chǎng)力三個(gè)力作用, 其關(guān)系為： F重-F浮= F電

在介紹改進(jìn)方案之前, 再介紹下密立根油滴法[ 5 ]。實(shí)驗(yàn)中，用噴霧器將油滴噴入兩塊相距為d的水平放置的平行極板之間，如圖3所示。油滴在噴射時(shí)由于摩擦，一般都會(huì)帶電。設(shè)油滴的質(zhì)量為m，所帶電量為q，加在兩平行極板之間的電壓為V，油滴在兩平行極板之間將受到兩個(gè)力的作用，一個(gè)是重力mg，一個(gè)是電場(chǎng)力mg=qV/d。通過(guò)調(diào)節(jié)加在兩極板之間的電壓V，可以使這兩個(gè)力大小相等、方向相反，從而使油滴達(dá)到平衡，懸浮在兩極板之間。此時(shí)有: mg=qV/d

(1)

為了測(cè)定油滴所帶的電量q，除了測(cè)定V和d外，還需要測(cè)定油滴的質(zhì)量m。但是，由于m很小，需要使用下面的特殊方法進(jìn)行測(cè)定。

因?yàn)樵谄叫袠O板間未加電壓時(shí)，油滴受重力作用將加速下降，但是由于空氣的粘滯性會(huì)對(duì)油滴產(chǎn)生一個(gè)與其速度大小成正比的阻力，油滴下降一小段距離而達(dá)到某一速度v后，阻力與重力達(dá)到平衡（忽略空氣的浮力），油滴將以此速度勻速下降示。

由斯托克斯定律可得:

f=6παηv=mg

(2)其中η是空氣的粘滯系數(shù)，α是油滴的半徑（由于表面張力的作用，小油滴總是呈球狀）。

設(shè)油滴的密度為ρ，油滴的質(zhì)量m可用下式表示

m=4πα3ρ/3

(3)將（2）式和（3）式合并，可得油滴的半徑為:

α=(9ηv/2ρg)1/2

(4)由于斯托克斯定律對(duì)均勻介質(zhì)才是正確的，對(duì)于半徑小到10-6m的油滴小球，其大小接近空氣空隙的大小，空氣介質(zhì)對(duì)油滴小球不能再認(rèn)為是均勻的了，因而斯托克斯定律應(yīng)該修正為

fr=6παηv/(1+b/αp)式中b為一修正常數(shù)，取b=6.17 ×10-6cmHg ；P為大氣壓強(qiáng)，單位是cmHg。利用平衡條件和（3）式可得

α=[9ηv/2ρg(1+b/αp)]1/2

(5)上式根號(hào)下雖然還包含油滴的半徑α，因?yàn)樗翘幱谛拚?xiàng)中，不需要十分精確，仍可用（4）

式來(lái)表示。將（5）代入（3）式得

2m=4π/3[9ηv/2ρg(1+b/αp)] ρ

(6)當(dāng)平行極板間的電壓為0時(shí)，設(shè)油滴勻速下降的距離為l，時(shí)間為t，則油滴勻速下降的速度為

v=L/t

(7)將（7）式代入（6）式，再將（6）式代入（1）式得

q=18πd[ηL/t(1+b/αp)]

3/2

/v(2ρg)1/2

(8)

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)于同一個(gè)油滴，如果改變它所帶的電量，則能夠使油滴達(dá)到平衡的電壓必須是某些特定的值vn。研究這些電壓變化的規(guī)律可以發(fā)現(xiàn)，他們都滿足下面的方程

q=ne=mgd/vn 式中n=±1, ±2…..而e則是一個(gè)不變的值。

對(duì)于不同的油滴，可以證明有相同的規(guī)律，而且e值是相同的常數(shù)，這即是說(shuō)電荷是不連續(xù)的，電荷存在著最小的電荷單位，也即是電子的電荷值e。于是，（8）式可化為 ne=18πd[ηL/t(1+b/αp)]

3/2

/v(2ρg)1/2

(9)

根據(jù)上式即可測(cè)出電子的電荷值e，驗(yàn)證電子電荷的不連續(xù)性。

二

密立根油滴實(shí)驗(yàn)的儀器

密立根油滴實(shí)驗(yàn)儀MOD-8由油滴儀和CCD成像系統(tǒng)組成。在過(guò)去的油滴實(shí)驗(yàn)中常通過(guò)顯微鏡觀測(cè)油滴, 時(shí)間一長(zhǎng)眼睛感到疲勞, 以至于丟失油滴?，F(xiàn)使用電視顯微油滴儀, 采用CCD攝像頭和監(jiān)視器。從監(jiān)視器上觀察油滴, 視野寬闊, 圖像鮮明, 提高了測(cè)量精度[ 6 ]。

三

實(shí)驗(yàn)中存在的問(wèn)題

現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)采用的密立根油滴儀的操作雖然比較簡(jiǎn)單, 但由于儀器自身的限制, 加上學(xué)生的操作誤差, 常常不能得到令人滿意的測(cè)量精度。根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)經(jīng)歷, 總結(jié)如下幾方面的誤差:

第一, 由于采用噴霧器, 因此油滴大小不可控, 選擇合適大小的油滴需要耗費(fèi)大量時(shí)間和精力。

第二, 兩個(gè)帶電極板間的電壓是可調(diào)的, 但是其精度有限, 因此會(huì)造成實(shí)驗(yàn)中極板間的電場(chǎng)力和油滴重力不能完全平衡, 油滴會(huì)存在緩慢的漂移。

第三, 學(xué)生肉眼判斷油滴進(jìn)入勻速下降狀態(tài)存在一定的誤差。

第四, 油滴儀的按鍵存在響應(yīng)時(shí)間。學(xué)生目視油滴儀屏幕, 觀察到油滴勻速下落開(kāi)始計(jì)時(shí)和計(jì)時(shí)結(jié)束時(shí)都需要操作按鍵, 而從學(xué)生看到到按鍵響應(yīng)中間的時(shí)間誤差較大。由于油的密度、重力加速度、空氣粘度、大氣壓強(qiáng)、平行板間距離等都可以通過(guò)精確測(cè)量得到較為準(zhǔn)確的數(shù)值, 顧不考慮這幾個(gè)參量引入的誤差。

從上述分析可以看出, 密立根油滴儀對(duì)油滴的選擇具有極大的隨機(jī)性, 而儀器本身的性能又增加了許多限制, 加上學(xué)生個(gè)體的操作誤差, 在有限的課堂時(shí)間中,很可能會(huì)使實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)非常大的偏差。這種實(shí)驗(yàn)偏差不但不利于學(xué)生對(duì)密立根油滴法的理解, 還給教師的教學(xué)帶來(lái)了許多不必要的麻煩。

四

改進(jìn)方案

為了能夠在有限的課堂時(shí)間中改善實(shí)驗(yàn)效果, 讓學(xué)生對(duì)密立根油滴法有更為直觀和準(zhǔn)確的認(rèn)識(shí), 本文提出一種軟件方案來(lái)模擬密立根油滴法測(cè)定電子電荷實(shí)驗(yàn)。改進(jìn)方案具體包含以下幾個(gè)部分: 第一, 由于油的密度、重力加速度、空氣粘度、大氣壓強(qiáng)、平行板間距離和修正常數(shù)基本不會(huì)引入大的誤差, 所以我們?cè)谲浖袑⑦@些參量預(yù)置為本地測(cè)量的實(shí)際數(shù)據(jù)。

第二, 通過(guò)軟件隨機(jī)產(chǎn)生模擬油滴的質(zhì)量, 并把油滴的質(zhì)量控制在與實(shí)際噴霧器噴出的油滴相同的數(shù)量級(jí),這個(gè)值做為模擬油滴的真實(shí)值。并根據(jù)這個(gè)模擬的真實(shí)質(zhì)量和前面預(yù)置的本地重力加速度值來(lái)計(jì)算出模擬油滴受到的重力。

第三, 為模擬油滴的真實(shí)值附加一個(gè)大小合適的隨機(jī)測(cè)量誤差, 從而得到模擬油滴的質(zhì)量測(cè)量值。

第四, 設(shè)置兩極板電壓可調(diào), 并且極板電壓調(diào)節(jié)精度采用最高精度的浮點(diǎn)數(shù), 從而保證兩極板電壓絕對(duì)可以使帶電油滴所受到的電場(chǎng)力完全和其重力平衡。電壓值給出精確值。

第五, 通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)模擬油滴從屏幕上方自由落體下落, 并在一個(gè)起始線后進(jìn)入勻速狀態(tài)。該勻速度的大小可以由修正的斯托克斯定律求得。

第六, 學(xué)生觀察到模擬滴穿越起始線進(jìn)入勻速狀態(tài)后, 隨時(shí)可以點(diǎn)擊鼠標(biāo)開(kāi)始記錄時(shí)間和下降距離。記錄完畢時(shí), 再次點(diǎn)擊鼠標(biāo), 計(jì)算機(jī)自動(dòng)統(tǒng)計(jì)給出下降的時(shí)間和下降的距離。

第七, 為上述參與公式計(jì)算的測(cè)量量分別附加一個(gè)合理的誤差, 輸出給學(xué)生。并且將電荷量的計(jì)算結(jié)果輸出給學(xué)生, 讓學(xué)生根據(jù)這個(gè)值進(jìn)行計(jì)算。

第八, 通過(guò)軟件圖示演示數(shù)據(jù)處理過(guò)程和誤差分析的方法, 讓學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)加深認(rèn)識(shí)和理解, 掌握密立根實(shí)驗(yàn)的精髓。

五

改進(jìn)方案的C++和Matlab編程實(shí)現(xiàn)要點(diǎn)

由于C++和Matlab語(yǔ)言具有豐富的函數(shù)庫(kù)和強(qiáng)大的開(kāi)發(fā)功能[ 7 ] [ 8 ], 上述改進(jìn)方案的具體實(shí)現(xiàn)采用C++和Matlab語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。由于文章篇幅所限, 本文并不給出具體程序, 而只闡述編程實(shí)現(xiàn)過(guò)程中需要注意的關(guān)鍵問(wèn)題: 第一, 軟件方案中的預(yù)置量需要提前實(shí)地測(cè)量, 保證與實(shí)際密立根油滴儀一致。只有這些前提條件是準(zhǔn)確一致的, 才能確保兩個(gè)實(shí)驗(yàn)可以進(jìn)行相對(duì)應(yīng)的比較。

第二, 隨機(jī)產(chǎn)生油滴時(shí), 由于帶電量和質(zhì)量都是隨機(jī)的, 所以需要通過(guò)軟件設(shè)置保證油滴的質(zhì)量和帶電量基本符合實(shí)際情況, 不會(huì)相差若干個(gè)數(shù)量級(jí)。

第三, 一定要給軟件產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量附加一個(gè)誤差量, 而且誤差量的具體大小根據(jù)相應(yīng)的實(shí)際測(cè)量工具來(lái)確定。

六

結(jié)

論

密立根油滴實(shí)驗(yàn)的方法給我們?cè)S多啟發(fā)，通過(guò)本實(shí)驗(yàn)，我們不僅能進(jìn)一步理解該實(shí)驗(yàn)，而且還可以對(duì)電荷的量子性有初步的感受，能夠用實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)量子論的東西進(jìn)行接觸，也許對(duì)我們學(xué)習(xí)量子論的物理知識(shí)有很大的幫助，可能就是因?yàn)樽鲞^(guò)本實(shí)驗(yàn)，我們?cè)趯W(xué)習(xí)量子論的后續(xù)課程中有一點(diǎn)點(diǎn)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)了想要做好此實(shí)驗(yàn)并不是那么的容易，因?yàn)楫?dāng)我們真正的來(lái)做該實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，我們才發(fā)現(xiàn)，雖然實(shí)驗(yàn)的原理不是很難，但是操做起來(lái)比較困難，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中我們不僅要用眼睛觀看油滴的運(yùn)動(dòng)，而且還要用手進(jìn)行相關(guān)的操作，這樣導(dǎo)致我們的眼眼睛和手的操作很難同時(shí)實(shí)現(xiàn)。鑒于上面的這些因素，才提出了下面的操作控制。

密立根油滴法測(cè)量電荷電量的實(shí)驗(yàn)中常常由于實(shí)驗(yàn)儀器本身的誤差和學(xué)生的操作誤差過(guò)大而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果嚴(yán)重偏離正確值, 給學(xué)生的學(xué)習(xí)和教師的教學(xué)都帶來(lái)了非常大的困擾。本文提出一種軟件方案用于輔助密立根油滴法實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該方案能夠避免上述較大的誤差, 同時(shí)合理保留精度允許范圍的誤差量, 較為真實(shí)的反映密立根油滴法實(shí)驗(yàn)的整個(gè)過(guò)程。采用該方法, 在不用更換密立根油滴儀的情況下, 就可以解決該實(shí)驗(yàn)中學(xué)習(xí)和教學(xué)的問(wèn)題, 可以在節(jié)約成本的同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)效果較好的改善。

密立根因測(cè)出電子電量及其他方面的貢獻(xiàn)，榮獲1923年度諾貝爾物理獎(jiǎng)，從他的成功過(guò)程可以看出，在科學(xué)探索中，只要具備了條件，思想方法正確，百折不撓地干下去，認(rèn)識(shí)就能不斷深化，并能最終獲得成功。p參考文獻(xiàn): [1] 熊俊.近代物理實(shí)驗(yàn)[M].北京: 北京師范大學(xué)出版社,2007:1-9.[2] 李娟,李蜀晉, 胡再?lài)?guó).密立根油滴實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析[ J].物理實(shí)驗(yàn),2008,28(4):28-30.[3] 潘人培.物理實(shí)驗(yàn)[M].南京: 南京工學(xué)院出版社,1986:267-276.[4] 鄔鴻彥,朱明剛.近代物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:科學(xué)出版社, 1998:41-51.[5] 李明.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教程[M].浙江: 浙江大學(xué)出版社, 2007.[6] 張?zhí)?,董有爾.近代物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:科學(xué)出版社, 2004:30-36.[7] 譚浩強(qiáng)，周志德，北京：清華大學(xué)出版社，C++程序設(shè)計(jì)。電子工業(yè)出版社，2006.[8] 陳杰.MATLAB寶典[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

第二篇：密立根油滴課后思考題

密立根油滴是一個(gè)物理實(shí)驗(yàn)，大家做完這個(gè)實(shí)驗(yàn)之后有什么收獲呢？以下是小編精心準(zhǔn)備的密立根油滴課后思考題，大家可以參考以下內(nèi)容哦！

一、選擇題

1、在密立根油滴實(shí)驗(yàn)前，需要實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行水平調(diào)節(jié)操作嗎？

A、需要 B、不需要

2、在密立根油滴實(shí)驗(yàn)時(shí)，任意一個(gè)油滴都可以被作為實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)象嗎？

A、是 B、不是

3、在密立根油滴實(shí)驗(yàn)中，主要驗(yàn)證電荷的（）

A 顆粒性 B 連續(xù)性 C 帶電性

4、以下說(shuō)法正確的是：（）

A、在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中尋找的電荷平衡電壓為0-400之間的任意值

B、本次實(shí)驗(yàn)所采用的方法是動(dòng)態(tài)（非平衡）法測(cè)油滴電荷

C、我們將實(shí)驗(yàn)測(cè)量和計(jì)算得到的一組油滴帶電量數(shù)據(jù)除以公認(rèn)值e，得到各油滴的帶電量子數(shù)（一般為非整數(shù)），再對(duì)這些四舍五入取整，作為各油滴的帶電量子數(shù)n5、密立根油滴實(shí)驗(yàn)中，基本電荷e的計(jì)算，應(yīng)對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的各油滴電荷q求（）

A、算術(shù)平均值 B、最小公倍數(shù) C、最小整數(shù) D、最大公約數(shù)

二、填空題

1、在進(jìn)行密立根油滴實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇一個(gè)合適油滴的電壓標(biāo)準(zhǔn)是 V到 V。

2、在進(jìn)行密立根油滴實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇一個(gè)合適油滴的試測(cè)時(shí)間范圍是 S到 S。

3、密立根油滴實(shí)驗(yàn)中，主要需要測(cè)___________和 ___________這兩個(gè)物理量。

三、簡(jiǎn)答題

1、為什么實(shí)驗(yàn)前要先調(diào)水平？

2、什么樣的油滴是合適的？

參考答案：

一、選擇題

1、在密立根油滴實(shí)驗(yàn)前，需要實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行水平調(diào)節(jié)操作嗎？

A、需要 B、不需要

答案：A2、在密立根油滴實(shí)驗(yàn)時(shí)，任意一個(gè)油滴都可以被作為實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)象嗎？

A、是 B、不是

答案：B3、在密立根油滴實(shí)驗(yàn)中，主要驗(yàn)證電荷的（A）

A 顆粒性 B 連續(xù)性 C 帶電性

4、以下說(shuō)法正確的是：（C）

A、在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中尋找的電荷平衡電壓為0-400之間的任意值

B、本次實(shí)驗(yàn)所采用的方法是動(dòng)態(tài)（非平衡）法測(cè)油滴電荷

A、算術(shù)平均值 B、最小公倍數(shù) C、最小整數(shù) D、最大公約數(shù)

二、填空題

1、在進(jìn)行密立根油滴實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇一個(gè)合適油滴的電壓標(biāo)準(zhǔn)是 200 V到 300 V。

2、在進(jìn)行密立根油滴實(shí)驗(yàn)時(shí)，選擇一個(gè)合適油滴的試測(cè)時(shí)間范圍是 8 S到 20 S。

3、密立根油滴實(shí)驗(yàn)中，主要需要測(cè)__電壓__________和 ___時(shí)間_______這兩個(gè)物理量。

三、簡(jiǎn)答題

1、為什么實(shí)驗(yàn)前要先調(diào)水平？

答案要點(diǎn)：本實(shí)驗(yàn)采用的方法是平衡法，本方法利用兩個(gè)平衡狀態(tài)（1、重力與電場(chǎng)力平衡處于“靜止”狀態(tài)；

2、重力與空氣阻力二力平衡，處于勻速直線運(yùn)動(dòng)狀態(tài)），立方程求解。其中平衡狀態(tài)1即對(duì)電場(chǎng)力的方向有豎直向上的要求，與電場(chǎng)力方向垂直的平行極板必須為水平，因此，實(shí)驗(yàn)前需要滿足這一要求將平行極板調(diào)水平。

2、什么樣的油滴是合適的？

答案要點(diǎn)：

1、平衡電壓在200至300V；

2、油滴測(cè)量時(shí)下落所花的時(shí)間在8至20秒。

第三篇：密立根經(jīng)典實(shí)驗(yàn)總結(jié)

摘要：重溫密里根經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，深入理解大師所用的基本實(shí)驗(yàn)方法，借鑒學(xué)習(xí)密里根采用宏觀力學(xué)模式揭示微觀離子的量子本性的物理構(gòu)想,精湛的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)作風(fēng)，從而更好地提高我們的素質(zhì)和能力。

關(guān)鍵詞：密里根光電效應(yīng) 普朗克常量基本電荷

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn) 油滴實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)思方法創(chuàng)新

引言：美國(guó)物理學(xué)家密里根首先設(shè)計(jì)并完成的光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)和密里根油滴實(shí)驗(yàn)，在近代物理發(fā)展史上被認(rèn)為是物理實(shí)驗(yàn)學(xué)上的一個(gè)光輝典范，密里根以巧妙的實(shí)驗(yàn)精湛的技術(shù)，無(wú)可辯駁的實(shí)驗(yàn)證實(shí)了普朗克常量和任何帶電體所帶的電荷都是某一小電荷基本電荷的整數(shù)倍及基本電荷的數(shù)值

密立根，R．A．(Robert Andrews Millikan 1868～1953)美國(guó)物理學(xué)家。1868年3月22日生于伊利諾伊州的莫里森。1887年入奧伯林大學(xué)，讀完二年級(jí)時(shí)，被聘任為初等物理班的教員，從此便致力于物理學(xué)。1891年他大學(xué)畢業(yè)后，繼續(xù)擔(dān)任初等物理班的講課；A．A邁克耳孫在實(shí)驗(yàn)中的精湛技術(shù)，M．I．普平在講課中強(qiáng)調(diào)熟練的教學(xué)手段，都對(duì)他的影響很大。1895年，他獲得博士學(xué)位后留學(xué)歐洲，聽(tīng)過(guò)J．-H．龐加萊、M．普朗克等的講課。1896年回國(guó)任教于芝加哥大學(xué)。由于教學(xué)成績(jī)優(yōu)異，第二年就升任副教授。1896年至1921年曾先后在芝加哥大學(xué)擔(dān)任物理學(xué)的助理教授、副教授和教授。1921年應(yīng)聘到加利福尼亞理工學(xué)院擔(dān)任物理實(shí)驗(yàn)室主任并主持學(xué)院的行政委員會(huì)，一直工作到40年代。1916年他還兼任國(guó)家研究委員會(huì)主席，1928年兼任美國(guó)科學(xué)進(jìn)展協(xié)會(huì)會(huì)長(zhǎng)。1953年12月19日在加利福尼亞的帕薩迪納逝世。密立根的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)深深的影響了近代物理學(xué)的進(jìn)程，下面就兩個(gè)實(shí)驗(yàn)分別作出介紹。

一對(duì)光電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究

1905年，愛(ài)因斯坦在普朗克能量子的啟發(fā)下，提出了光量子的概念，并成功解釋了光電效應(yīng)。接著，密立根對(duì)光電效應(yīng)進(jìn)行了10年左右的研究，于1916年發(fā)表論文證實(shí)了愛(ài)因斯坦的正確性，并精確測(cè)出了普朗克常量。從而為量子物理學(xué)的誕生奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，愛(ài)因斯坦和密立根都因光電效應(yīng)方面的杰出貢獻(xiàn)，分別于1921年和1923年獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)原理

光電效應(yīng)是電磁波理論所無(wú)法解釋的，1905年愛(ài)因斯坦依照普朗克常量的量子假設(shè)，提出了關(guān)于光的本性的光子假說(shuō)：當(dāng)光與物質(zhì)相互作用時(shí)，其能流集中在一些叫光子的粒子上，每個(gè)光子都具有能量h?，其中h是普朗克常數(shù)，?是光的頻率。當(dāng)金屬中的自由電子從入射光中吸收一個(gè)光子的能量h?時(shí)，一部分消耗于電子從金屬表面溢出所需要的逸出功W，其余

12h??mVm?W 轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮拥膭?dòng)能。根據(jù)能量守恒有：

2上式稱(chēng)為愛(ài)因斯坦方程，其中m是光電子質(zhì)量，Vm是光電子離開(kāi)金屬表面時(shí)的最大速度。如圖是研究光電效應(yīng)的一種簡(jiǎn)單實(shí)驗(yàn)裝置，在光電管的陽(yáng)極A和

陰極K之間加上直流電壓U.當(dāng)用單色光照射陰極K時(shí)，陰極上就會(huì)有光電子逸出，它們將在加速電場(chǎng)的作用下飛向陽(yáng)極A而形成電流I，稱(chēng)為光電流。光電效應(yīng)具有下列幾個(gè)規(guī)律(1)飽和光電流強(qiáng)度Is 與入射光強(qiáng)成正比

若用一定頻率和強(qiáng)度的單色光照射陰極K，改變加在A和K兩極的電壓U，測(cè)量光電流I的變化，則可得到如圖(2)所示。實(shí)驗(yàn)表明，光電流I隨著正向

電壓U的增大而增大，并逐漸趨于飽和值Is；而且，飽和電流的大小與入射光強(qiáng)成正比。

(2)光電子的最大動(dòng)能隨入射光頻率的增加而增加，與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。

如圖(3)所示，當(dāng)A和K兩極電壓為零時(shí)，光電流不為零；只有當(dāng)兩極間加了反向電壓U??Us?0時(shí)，光電流I才為零，Us稱(chēng)為截止電壓。當(dāng)U?0

極間沒(méi)有外加電場(chǎng)，有電子具有足夠的動(dòng)能從陰極飛到陽(yáng)極，從而形成光電流；只有當(dāng)加一個(gè)反向電壓，并且足夠大以至于等于-Us時(shí)，就是那些具有最大初動(dòng)能的光電子，也必須將其初動(dòng)能全部用于克服外電場(chǎng)力做功，從而在外電場(chǎng)的作用下剛剛到達(dá)陽(yáng)極，就返回陰極，使其在回路中不形成光電流，因此有

12mVm

eUs?2(3)紅限頻率

如圖(4)所示，當(dāng)入射光頻率逐漸增大時(shí)，截止電壓將隨之線性地增加；而且當(dāng)入射光頻率小于某值，截止電壓為零，這一頻率稱(chēng)為截止頻率或紅限頻率，紅限頻率與陰極材料有關(guān)。

愛(ài)因斯坦方程可以很好的解釋這一現(xiàn)象，Us??的關(guān)系可表示如下： UshW??? ee 陰極材料的逸出功W越大，紅限頻率越高，即要求入射光子的能量越大。入射光頻率越高，光電子的動(dòng)能越大，需要的反向截止電壓越高，而且反向截止電壓與入射光頻率成線性關(guān)系，直線的斜率是普朗克常量與電子電量之比。

由于暗電流和本底電流均很小，數(shù)量級(jí)相差102，與其光電流相比可忽略。

產(chǎn)生誤差的主要原因有：

(1)接觸電位愛(ài)因斯坦光電方程是在同種金屬材料做陰極和陽(yáng)極的情況下得出的，在兩種金屬接觸的地方存在“接觸電位差”。接觸電位差的大小與這些金屬的逸出功有關(guān)。光電管一般用逸出功大的金屬做陽(yáng)極，用逸出功小的金屬做陰極。

(2)暗電流和本底電流光電管在沒(méi)有受到光照時(shí)，也產(chǎn)生電流，稱(chēng)為暗電流，它是由熱電流、漏電流、兩部分組成。

(3)反向電壓

由于陽(yáng)極的污染，實(shí)驗(yàn)時(shí)出現(xiàn)了反向電流。特性曲線與橫軸交點(diǎn)的電流雖然等于“0”，但陰極光電流并不等于“0”，交點(diǎn)的電位差US也不等于截止電位差

'US，兩者之差視陰極電流上升的快慢和陽(yáng)極電流的大小所決定。

如果陰極電流上升越快，陽(yáng)極電流越小，Ua和Ua之差越小。

'使周?chē)碾s散光對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響降到最低，而本底電流是周?chē)s散光射入光電管所致，它們都隨外加電壓的變化而變化。

實(shí)驗(yàn)改進(jìn)的設(shè)想

a、針對(duì)本底電流產(chǎn)生原因，可設(shè)計(jì)一個(gè)遮光罩，罩住從汞燈到光電管這段測(cè)量線路，來(lái)減少周?chē)s散光對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。

b、實(shí)驗(yàn)中電流數(shù)據(jù)會(huì)有微小跳動(dòng)，可能是由于逸出的光電子朝各個(gè)方向運(yùn)動(dòng)的都有，而光電倍增管沒(méi)有及時(shí)捕捉到所有的光電子，從而產(chǎn)生跳動(dòng)，可對(duì)光電倍增管進(jìn)行改進(jìn)。再者，光子本來(lái)就是一份一份的，打在陰極板上，不可能每時(shí)每刻的光量子都相同，并且經(jīng)過(guò)空氣，加上電流傳輸?shù)倪^(guò)程中電源電壓的影響以及電子的飄逸，導(dǎo)致了電流數(shù)值的跳動(dòng)。

c、在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，更換濾色片本身就比較麻煩，而且要記得蓋住汞燈出光孔，這就給實(shí)驗(yàn)帶來(lái)很多不確定的影響因素。更換過(guò)程中散光對(duì)實(shí)驗(yàn)可能會(huì)有更大的影響，可設(shè)計(jì)一個(gè)盤(pán)形的裝置，濾色片可安在上面，通過(guò)旋轉(zhuǎn)就可更換濾色片，這樣可減少人為的失誤。

d、在測(cè)截止電壓時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)電流為零時(shí)電壓的數(shù)值不是某個(gè)具體數(shù)值而是一個(gè)電壓范圍，這時(shí)我們?nèi)ソ刂闺妷簯?yīng)該取平均值，這樣處理的過(guò)程會(huì)更準(zhǔn)確。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理所分析的所測(cè)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)并制作實(shí)驗(yàn)儀器，在實(shí)驗(yàn)中不斷改進(jìn)實(shí)驗(yàn)儀器和方法，密立根終于1916年發(fā)表的實(shí)驗(yàn)結(jié)果全面地證實(shí)了愛(ài)因斯坦光量子理論對(duì)光電效應(yīng)的分析，光量子理論才開(kāi)始得到人們的承認(rèn)。在諾貝爾獎(jiǎng)?lì)I(lǐng)獎(jiǎng)詞中，密立根并不諱言，他在做光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，對(duì)愛(ài)因斯坦的光電方程和光量子理論曾長(zhǎng)期抱懷疑態(tài)度。他做這些實(shí)驗(yàn)的本來(lái)目的是希望證明經(jīng)典電磁理論。但他在事實(shí)面前服從真理，反過(guò)來(lái)宣布愛(ài)因斯坦的光電方程完全得到了證實(shí)。

對(duì)光電效應(yīng)現(xiàn)象的研究，使人們進(jìn)一步認(rèn)識(shí)到光的波粒二象性的本質(zhì)，促進(jìn)了光量子理論的建立和近代物理學(xué)的發(fā)展。利用光電效應(yīng)制成的光電器件如光電管、光電池、光電倍增管等，已成為生產(chǎn)和科研中不可或缺的傳感和換能器。光電探測(cè)器和光電測(cè)量?jī)x的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。另外，利用光電效應(yīng)還可以制一些光控繼電器，用于自動(dòng)控制、自動(dòng)設(shè)計(jì)數(shù)、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)跟蹤等。

二測(cè)量基本電荷

密立根油滴實(shí)驗(yàn)原理

用噴霧器將油滴噴入電容器兩塊水平的平行電極板之間時(shí)，油滴經(jīng)噴射后，一般都是帶電的。在不加電場(chǎng)的情況下，小油滴受重力作用而降落，當(dāng)重力與空氣的

浮力和粘滯阻力平衡時(shí)，它便作勻速下降，它們之間的關(guān)系是： mg=F1+B（1）式中：mg——油滴受的重力，F(xiàn)1——空氣的粘滯阻力，B——空氣的浮力。令σ、ρ分別表示油滴和空氣的密度；a為油滴的半徑；η為空氣的粘滯系數(shù)；vg為油滴勻速下降速度。因此油滴受的重力為 mg=4/3πa^3δg(注：a^3為a的3次方，一下均是)，空氣的浮力 mg=4/3πa^3ρg，空氣的粘滯阻力f1=6πηaVg（流體力學(xué)的斯托克斯定律，Vg表示v下角標(biāo)g）。于是（1）式變?yōu)椋?/p>

4/3πa^3δg=6πηaVg+4/3πa^3ρg 可得出油滴的半徑 a=3(ηVg/2g(δ-ρ))^1/2（2）

當(dāng)平行電極板間加上電場(chǎng)時(shí)，設(shè)油滴所帶電量為q，它所受到的靜電力為qE，E為平行極板間的電場(chǎng)強(qiáng)度，E＝U／d，U為兩極板間的電勢(shì)差，d為兩板間的距離。適當(dāng)選擇電勢(shì)差U的大小和方向，使油滴受到電場(chǎng)的作用向上運(yùn)動(dòng)，以ve表示上升的速度。當(dāng)油滴勻速上升時(shí)，可得到如下關(guān)系式： F2+mg=qE+B（3）

上式中F2為油滴上升速度為Ve時(shí)空氣的粘滯阻力： F2=6πηaVe 由（1）、（3）式得到油滴所帶電量q為 q=(F1+F2)/E=6πηad/(Vg+Ve)（4）

（4）式表明，按（2）式求出油滴的半徑a后，由測(cè)定的油滴不加電場(chǎng)時(shí)下降速度vg和加上電場(chǎng)時(shí)油滴勻速上升的速度ve，就可以求出所帶的電量q。注意上述公式的推導(dǎo)過(guò)程中都是對(duì)同一個(gè)油滴而言的，因而對(duì)同一個(gè)油滴，要在實(shí)驗(yàn)中測(cè)出一組vg、ve的相應(yīng)數(shù)據(jù)。用上述方法對(duì)許多不同的油滴進(jìn)行測(cè)量。測(cè)出單個(gè)電子電荷值，前后歷經(jīng)十一年，實(shí)驗(yàn)方法作過(guò)三次改革，作了上千次數(shù)據(jù)，每一步實(shí)驗(yàn)都是在摸索著進(jìn)行，最初只是重復(fù)H.A.威耳遜的實(shí)驗(yàn)，所得結(jié)果沒(méi)有什么進(jìn)步。后來(lái)改用鐳作為電離劑，代替X射線，到加到電壓到1萬(wàn)伏以讓帶點(diǎn)云霧的頂層在重力和電場(chǎng)力的作用下穩(wěn)定不動(dòng)，到用鐘表油來(lái)做液粒，而后密里根油滴儀最早的設(shè)計(jì)。作了近兩百顆的油滴的平衡實(shí)驗(yàn)綜合所有數(shù)據(jù)，并對(duì)斯托克斯律進(jìn)行修正。1913年宣布從油滴測(cè)定電子電荷為e=(4.774±0.009)×10-10esu。密立根的歷史功績(jī)就在于以巧妙的實(shí)驗(yàn)，確鑿的數(shù)據(jù)肯定了電的原子性。密立根從1910年就著手于光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)。他為了能在沒(méi)有氧化物薄膜的電極表面上同時(shí)測(cè)量真空中的光電效應(yīng)和接觸電勢(shì)差，設(shè)計(jì)了一個(gè)特殊的真空管在這個(gè)管子里安裝了精致的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)樣品固定在小輪上，小輪可以用電磁鐵控制，所有操作都是借助于裝在外面的可動(dòng)的電磁鐵來(lái)完成。所有的真空管都要進(jìn)行這樣幾步操作：先在真空中排除全部表面的氧化膜；然后測(cè)量消除了氧化膜的表面上的光電流和光電勢(shì)并同時(shí)測(cè)量表面的接觸電勢(shì)差。三種待測(cè)的鹼金屬(Na、K、Li)做成的圓柱體電極裝在小輪上，用電磁鐵操縱小輪的轉(zhuǎn)位。剃刀可沿管軸方向前后移動(dòng)，真空管外面有另外一個(gè)電磁鐵，可使管內(nèi)的銜鐵動(dòng)作，從而帶動(dòng)剃刀旋轉(zhuǎn)，在圓柱電極上進(jìn)行切削，刮掉電極上極薄的一層表皮，讓新刮出的表面處在真空中保持清潔，這時(shí)可將光電極轉(zhuǎn)至對(duì)準(zhǔn)電極以測(cè)量接觸電勢(shì)差；再轉(zhuǎn)一個(gè)角度，對(duì)準(zhǔn)窗口以接受單色紫外光的照射，同時(shí)測(cè)量其光電流從光電流與電壓的關(guān)系曲線求出在某一波長(zhǎng)的光照射下被測(cè)陰極的遏止電壓V。然后將六組光電流曲線所得作圖，密立根得到的正好是一根漂亮的直線。他還根據(jù)這根直線的斜率求出了普朗克常數(shù)h的值，與普朗克1900年從黑體輻射求得的h值：6.55×10-27erg·s，符合得極好。

當(dāng)初湯姆孫研究陰極射線，面對(duì)電子速度、電子電荷、電子質(zhì)量3個(gè)未知量，手中只有電場(chǎng)力、洛侖茲力兩個(gè)方程，求解條件不完備，只能求出荷質(zhì)比而不是電子電荷；密立根手中具備了重力、粘滯力、電場(chǎng)力3個(gè)方程，他就站到了巨人肩上。斯托克斯公式盡人皆知，只有密立根首先想到用它補(bǔ)足自己的方程組，可見(jiàn)把物理模型由陰極射線換成帶電液滴是高明的，也是幸運(yùn)的。但這決不是偶然的僥幸，它源于密立根長(zhǎng)期不懈的磨煉，厚積薄發(fā)。機(jī)遇只青睞有準(zhǔn)備的人，否則撞個(gè)滿懷也會(huì)失之交臂，科學(xué)史上此等例證屢見(jiàn)不鮮。密立根的創(chuàng)新特色就在于用足人類(lèi)已有知識(shí)，巧妙解決未知問(wèn)題。

物理學(xué)是在實(shí)驗(yàn)與理論緊密相互作用的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，理論進(jìn)展的基礎(chǔ)在于理論能夠解釋現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)事實(shí)，并且還能夠預(yù)言可以由實(shí)驗(yàn)證實(shí)的新現(xiàn)象。當(dāng)物理學(xué)中一個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論預(yù)言相矛盾時(shí)，就會(huì)發(fā)生物理學(xué)的革命，并且導(dǎo)致新理論的產(chǎn)生。密立根兩大經(jīng)典實(shí)驗(yàn)很好的證實(shí)了理論預(yù)言，量子論的建立，光電效應(yīng)的廣泛應(yīng)用，極大的影響了人類(lèi)的物理思維和現(xiàn)代人類(lèi)生活。

物理實(shí)驗(yàn)課上我們操作著經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)物理學(xué)者的改進(jìn)的方法步驟和實(shí)驗(yàn)儀器，兩三個(gè)小時(shí)就做完，但我們的每一步操作都凝結(jié)著密立根的幾十年的心血，實(shí)驗(yàn)原理的分析很多物理學(xué)家都能做到，重要的是由分析出的問(wèn)題提出解決的方案，密立根的過(guò)人之處就在于此，這突破前人的創(chuàng)新，正是大學(xué)生欠缺的。實(shí)驗(yàn)課上重復(fù)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)就是由提出問(wèn)題到解決問(wèn)題的過(guò)程，但重復(fù)的不僅僅是步驟，最重要的是——思維。

參考文獻(xiàn)：

《物理學(xué)上的重大實(shí)驗(yàn)》作者:譚樹(shù)杰, 王華編著西安交大物理研究所教學(xué)內(nèi)容廣州大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)示范中心網(wǎng)站

《普通物理實(shí)驗(yàn)》主編：崔亞量梁為民《原子物理學(xué)》

《普通物理學(xué)簡(jiǎn)明教程》胡盤(pán)新湯毓駿編百度知道

維基百科

百度百科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)教程

第四篇：用拉伸法測(cè)量金屬絲楊氏模量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)專(zhuān)題

研究報(bào)告

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

序號(hào)：05 用拉伸法測(cè)量金屬絲楊氏模量實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)

普通物理實(shí)驗(yàn)中，在測(cè)量金屬絲長(zhǎng)度時(shí)，是在架子上直接利用鋼尺進(jìn)行測(cè)量的，這樣既不便測(cè)量又會(huì)造成較大的測(cè)量誤差;在測(cè)量平面鏡與標(biāo)尺之間的距離時(shí)，是直接利用鋼尺進(jìn)行測(cè)量的，這樣測(cè)量不易保證鋼尺的水平性，從而增加了測(cè)量誤差;在測(cè)量金屬絲伸長(zhǎng)量時(shí)，實(shí)驗(yàn)利用光杠桿和望遠(yuǎn)鏡等儀器，操作比較麻煩，在調(diào)整望遠(yuǎn)鏡及標(biāo)尺位置時(shí)，不易與平面鏡對(duì)準(zhǔn)，而且從望遠(yuǎn)鏡中讀數(shù)時(shí)，視線不易與刻度線平齊、容易使眼疲勞和晃動(dòng)望遠(yuǎn)鏡，這都會(huì)造成較大的讀數(shù)誤差;在加砝碼后，砝碼經(jīng)常會(huì)持續(xù)的晃動(dòng)，使金屬絲受力大小不停的變化，不利于讀數(shù)，也會(huì)影響測(cè)量結(jié)果。為了使實(shí)驗(yàn)更具準(zhǔn)確性及學(xué)習(xí)性，以下我將從這四個(gè)方面對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改良。

針對(duì)直接在儀器上用鋼尺對(duì)待側(cè)金屬絲進(jìn)行測(cè)量造成的誤差，我將利用靈敏度較大的歐姆表來(lái)代替鋼尺進(jìn)行測(cè)量。做實(shí)驗(yàn)時(shí)，先利用歐姆表測(cè)量0.5米待測(cè)金屬絲的電阻，算出單位長(zhǎng)度金屬絲的電阻R1，然后再測(cè)量我們做實(shí)驗(yàn)時(shí)，鋼絲上夾頭與下夾頭之間金屬絲的電阻R2,再利用L=R2/R1求出金屬絲的長(zhǎng)度。我認(rèn)為這樣改良，雖然增加了實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性，而且增加了歐姆表這個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器，從而增加了實(shí)驗(yàn)的開(kāi)支，但這樣可以使學(xué)生多學(xué)一些知識(shí)，例如：學(xué)生對(duì)歐姆表的使用以及金屬絲電阻與長(zhǎng)度的關(guān)系等知識(shí)的學(xué)習(xí)。而且這樣改良也可以減少金屬絲的測(cè)量誤差，從而使實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。

對(duì)于測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體之間水平距離時(shí)，如何保證鋼尺良好的水平性，我將利用連通器原理進(jìn)行改良。在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，取一個(gè)塑料細(xì)管，把管內(nèi)注入一些水，然后把細(xì)管的一端放在其中一個(gè)物體的邊緣，把另一端放在另一物體的邊緣，測(cè)量時(shí)鋼尺的兩端與塑料管兩端管內(nèi)的水面平齊，這樣就可以保證鋼尺在測(cè)量時(shí)的水平性，從而更加準(zhǔn)確的測(cè)量出兩物體之間的水平距離，減少實(shí)驗(yàn)誤差。而且該實(shí)驗(yàn)中利用了連通器的原理，也能使學(xué)生更加深入的掌握連通器原理，并活學(xué)活用，利用連通器原理對(duì)生活的一些方法進(jìn)行改良，例如：在工地上對(duì)同一高度做標(biāo)記時(shí)，就可以利用連通器原理來(lái)找出同一高度的位置。有利于學(xué)生知識(shí)與動(dòng)手能力的培養(yǎng)。

針對(duì)利用光杠桿和望遠(yuǎn)鏡等儀器出現(xiàn)的問(wèn)題，我將通過(guò)改變儀器來(lái)消除。我利用的也是光杠桿原理，我把放置平面鏡的地方換成了我初中時(shí)玩的一種激光燈研究報(bào)告

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)

序號(hào)：05(該燈可以發(fā)出很細(xì)且?guī)墓饩€，而且光線強(qiáng)度較強(qiáng))。在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，把激光燈前端放在支架上，后端放在與金屬絲相連的圓座上，使得在拉金屬絲時(shí)，激光燈發(fā)出光線與水平夾角隨著金屬絲的長(zhǎng)度的變化而變化。在裝有標(biāo)尺與望遠(yuǎn)鏡的鐵架上只保留一個(gè)標(biāo)尺，在做實(shí)驗(yàn)時(shí)，調(diào)整鐵架的位置，使得激光燈發(fā)出的光線照在標(biāo)尺上，在這一步中，因?yàn)榧す鉄舭l(fā)出的光線是有色且亮的，故很容易調(diào)整標(biāo)尺的位置。因?yàn)椴恍枰ㄟ^(guò)望遠(yuǎn)鏡來(lái)讀數(shù)了，就不會(huì)有因?yàn)橥h(yuǎn)鏡晃動(dòng)而產(chǎn)生誤差了，而且直接在標(biāo)尺上讀數(shù)，容易使視線與刻度線平齊，降低眼疲勞等問(wèn)題，使得讀數(shù)更加準(zhǔn)確。這樣改良實(shí)驗(yàn)，既能減少實(shí)驗(yàn)的難度，又能使實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確，而且由于我利用的那種激光燈相對(duì)于望遠(yuǎn)鏡等儀器很便宜，故還可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)的開(kāi)支。

針對(duì)砝碼晃動(dòng)引起金屬絲受力不斷變化，從而導(dǎo)致讀數(shù)誤差增大這一問(wèn)題，我將在砝碼周?chē)黾右恍┢骷?lái)使其停止晃動(dòng)。我的具體方法是，在裝有待測(cè)金屬絲的楊氏模量?jī)x底座上安裝兩根相互垂直的滑桿，且兩桿的中心相互重疊，在兩個(gè)滑桿上分別套上兩個(gè)帶套的鐵片，這兩個(gè)鐵片分別在桿中心的兩邊，而且這些鐵片的套上分別都有一個(gè)螺帽，擰動(dòng)螺帽可以控制鐵片在滑桿上的滑動(dòng)及靜止。做實(shí)驗(yàn)時(shí)，在把砝碼放到砝碼盤(pán)后，滑動(dòng)滑桿上的四個(gè)鐵片，使鐵片貼在砝碼上，但不給砝碼豎直方向上的力，并擰動(dòng)螺帽固定鐵片，從而使砝碼停止晃動(dòng)，然后再進(jìn)行讀數(shù)，這樣就會(huì)消除由于砝碼晃動(dòng)造成讀數(shù)的困難以及造成的讀數(shù)誤差。這樣改良實(shí)驗(yàn)，雖然增加了實(shí)驗(yàn)器件，從而增加了實(shí)驗(yàn)開(kāi)支，以及增加了實(shí)驗(yàn)操作的復(fù)雜性，但有利于學(xué)生動(dòng)手能力的培養(yǎng)，以及增加實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。綜合起來(lái)，這樣改良還算可以。