2022年ZKY-MLG-6-CCD显微密立根油滴仪实验指导及操作说明书--03-13.docx

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1、ZKY-MLG-6CCD 显微密立根油滴仪试验指导及操作说明书成 都 世 纪 中 科 仪 器 有 限 公 司四 川 世 纪 中 科 光 电 技 术 有 限 公 司地址：成都市经济技术开发区龙泉驿区南二路309 号： 610100：028 8524700685243932：028 85247006网址； WWW.ZKY.C nE-mail: ZKYZKY.C n2021-03-13CCD显微密立根油滴仪试验指导及操作说明书第 0 页 共 10 页CCD 显微密立根油滴仪油滴试验是近代物理学中测量根本电荷e也称元电荷的一个经典试验，该试验是由美国闻名物理学家密立根 Robert A. Millik

2、an经受十多年设计并完成的；这一试验的设计思想简明奇妙、方法简洁，而结论却具有不容置疑的说服力，因此堪称物理试验的精华和典范；1908 年，在总结前人试验体会的根底上，密立根开头讨论带电液滴在电场中的运动过程；结果说明，液滴上的电荷是根本电荷的整数倍， 但因测量结果不够精确而不具说服力；1910 年，他用油滴代替简洁挥发的水滴， 获得了比拟精确的测量结果；1913 年，密立根宣布了其开创性的讨论结果，这一结果具有里程碑的意义：1明确了带电油滴所带的电荷量都是根本电荷的整数倍，2用试验的方法证明白电荷的不连续性， 3测出了根本电荷值 从而通过荷质比运算出电子的质量；此后， 密立根又连续改进试验，

3、提高试验精度，最终获得了牢靠的结果经过很多次的试验，密立根测出的试验数据是309 号：610100四川世纪中科光电技术地址：四川省成都市经济技术开发区龙泉驿区南二路：0288524700685243932：02885247006e=1.59241710- 19C，这与现在公认的值相差仅1%，最早完成了根本电荷的测量工作；这一结果再次证明电子的存在，使对“电子存在的观点持疑心态度的物理学家信服；由于在测定根本电荷值和测出普朗克常数等方面做出的成就，密立根在1923 年获得了诺贝尔物理学奖；随着现代测量精度的不断提高，目前公认的元电荷e = 1.602177330.00000049 10-19C；

4、本试验采纳CCD摄像机和监视器，可特别清晰地看到钟表油油滴的运动过程，大大改善了实验条件，使测量结果更为精确；试验目的1. 学习用油滴试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. 明白 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. 训练同学在试验过程中严谨的态度、实事求是的作风；试验原理密立根油滴试验测量根本电荷的根本设计思想是使带电油滴在两金属极板之间处于受力平稳状态；按运动方式分类，可分为平稳法和动态法；1. 动态法第一分析重力场中一个足够小的油滴的运动，设此油滴半径为 r亚微米量级 ，质量为 m1，空气是粘滞流体，故此运动

5、油滴除重力和浮力外仍受粘滞阻力的作用；由斯托克斯定律，粘滞阻力与物体运动速度成正比；设油滴以速度vf 匀速下落，那么有m1 gm2 gKvf1此处 m2 为与油滴同体积的空气质量，K 为比例系数， g 为重力加速度；油滴在空气及重力场中的受力情形如图1左图所示；假设此油滴带电荷为q，并处在场强为 E 的匀称电场中， 设电场力 qE 方向与重力方向相反， 如图 1右图所示，假如油滴以速度vr 匀速上升，那么有qEm1m2 gKvr2CCD显微密立根油滴仪试验指导及操作说明书第 1 页 共 10 页图 1 左图为重力场中油滴受力示意图，右图为电场中油滴受力示意图由式 1和 2消去比例系数 K ，可

6、解出 q 为qm1m2 g Evfvfvr 3由式 3可以看出，要测量油滴上电荷量q，需要分别测出m1、m2、E、vf、vr 等物理量；由喷雾器喷出的油滴的半径r 是亚微米数量级，直接测量其质量m1 是困难的，为此期望消去m1，而代之以简洁测量的量；设钟表油与空气的密度分别为1、 2，于是半径为r 的油滴的视重为m1gm2 g4r 3132 g4由斯托克斯定律，粘滞流体此处为空气对球形运动物体的阻力与物体速度成正比，其比例系数 K 为 6 r，此处的为空气粘度，r 为物体半径；于是可将式4代入式 1，有2 gr 2v f12 95因此r以此代入式 3并整理得到q9292g31vf212 12

7、113fvr v 267 12 gEv f因此，假如测出 vr、vf 和、 1 、 2、 E 等宏观量即可得到q 值；考虑到油滴的直径与空气分子的间隙相当，空气已不能看成是连续介质，其空气粘度需修正为 1bpr8此处 p 为空气压强， b 为修正常数， b=0.00823N/m ，因此式 5可修正为CCD显微密立根油滴仪试验指导及操作说明书第 2 页 共 10 页2 gr 2v f 19b2 1pr9由于半径 r 在修正项中，当精度要求不是太高时，油滴半径由式6运算即可；将 6代入 8中，并以 8代入式 7，得132 132v31q921r 12 gEv fvf 21bpr10试验中经常固定油

8、滴运动的距离s，通过测量油滴在距离s 内所需要的运动时间t 来求得其运动速度v，且电场强度EUdd 为平行平板间的距离，U 为所加的电压，因此，式10可写成33112 s2 111121q92 dgUtttb1112frf1pr式中有些量和试验仪器以及条件有关，选定之后在试验过程中不变，如d、s、 1- 2及等， 将这些量与常数一起用C 代表，可称为仪器常数，于是式11简化成3122qC 11111Ut ftrt f1b11pr由此可知，测量油滴上的电荷，只表达在U、tf、tr 的不同；对同一油滴， tf 相同， U 与 tr 的不同， 标志着电荷的不同；2. 平稳法平稳测量法的动身点是使油滴

9、在匀称电场中静止在某一位置，或在重力场中作匀速运动；当油滴在电场中平稳时，油滴在两极板间受到的电场力qE 、重力 m1g 和浮力 m2 g 到达平稳， 从而静止在某一位置，即qEm1m2 g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 ，那么有s 331322 1121q92 d 12 gUt f1bpr123. 元电荷的测量方法CCD显微密立根油滴仪试验指导及操作说明书第 3 页 共 10 页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

10、约数，或油滴带电量之差的最大公约数，即为元电荷e；qini e ni 为整数13也可用作图法求 e 值，依据式 13， e 为直线方程的斜率，通过拟合直线即可求的e 值；我们建议试验中挑选带1-5 个电子的油滴 详细的挑选方法会在后面提到，假设油滴所带的电子过多，那么不好确定该油滴所带的电子个数；仪器介绍试验仪由主机、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

11、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 、观看孔 8 、上极板压簧 9 、进光孔10、光源 11 、确认键 12 、状态指示灯 13 、平稳 / 提升切换键 14 、0V/ 工作切换键 15 、计时开头 / 终止切换键 16 、水准泡 17 、电压调剂旋钮 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获暗室中油滴的像，同时将图像信息传给主机的视频处理模块；试验过程中可以通过调焦旋钮来转变物距，使油滴的像清晰地出现在CCD 传感器的窗口内；电压调剂旋钮可以调整极

12、板之间的电压大小，用来掌握油滴的平稳、下落及提升；计时“开头 /终止按键用来计时、 “ 0V/ 工作按键用来切换仪器的工作状态、“平稳 /提升按键可以切换油滴平稳或提升状态、“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，使操作者把更多的留意力集中到试验本质上来；油滴盒是一个关键部件，详细构成,如图 3所示；CCD显微密立根油滴仪试验指导及操作说明书第 4 页 共 10 页图 3 油滴盒装置示意图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

13、间的接触面经过机械精加工后可以将极板间的不平行度、间距误差掌握在 0.01mm 以下；这种结构根本上排除了极板间的“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，从而有效地减小了试验误差；胶木圆环上开有两个进光孔和一个观看孔，光源通过进光孔给油滴室供应照明，而成像系统那么通过观看孔捕获油滴的像；照明由带聚光的高亮发光二极管供应，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；进油量开关可以掌握落油量；防风罩可以防止外界空气流淌对油滴的影响；试验内容与步骤学习掌握油滴在视场中的运动，并挑选相宜的油滴测量元电荷；要求至少测量5 个不同的油滴， 每个油滴的测量次数应

14、在5 次；1. 调整仪器 水平调整调整试验仪主机的调平螺钉旋钮俯视时，顺时针平台降低，逆时针平台上升，直到水准泡正好处于中心 注： 严禁旋动水准泡上的旋钮 ；将试验平台调平， 使平稳电场方向与重力方向平行以免引起试验误差；极板平面是否水平打算了油滴在下落或提升过程中是否发生左右的漂移； 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，以免试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，使得提油管内布满钟表油； 仪器硬件接口连接主机接线：电源线接沟通 220V/50Hz ；监视器：视频线缆输入端接“VIDEO ，另一 Q9 端接主机“

15、视屏输出；DC12V 适配器电源线接 220V/50Hz 沟通电压； 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、比照度调整为 100； 试验仪联机使用CCD显微密立根油滴仪试验指导及操作说明书第 5 页 共 10 页a、翻开试验仪电源及监视器电源，监视器显现仪器名称及研制公司界面；b、按主机上任意键：监视器显现参数设置界面，第一，设置试验方法，然后依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、按确认键后显现试验界面： 计时“开头 /终止键为终止、 “ 0V/ 工作键为 0V

16、 、“平稳 /提升键为“平稳；、CCD 成像系统调整翻开进油量开关，从喷雾口喷入油雾，此时监视器上应当显现大量运动油滴的像；假设没有看到油滴的像，那么需调整调焦旋钮或检查喷雾器是否有油雾喷出；2. 熟识试验界面在完成参数设置后，按确认键，监视器显示试验界面，如图4；不同的试验方法的试验界面有肯定差异；极板电压计时时间0电压储存提示栏储存结果显示区共 5 格下落距离栏距离标志试验方法栏仪器生产厂家图 4 试验界面示意图极板电压：实际加到极板的电压，显示范畴：01999V ；计时时间：计时开头到终止所经受的时间，显示范畴：0 99.99S；电压储存提示：将要作为结果储存的电压，每次完整的试验后显示

17、；当储存试验结果后即按下确认键自动清零；显示范畴同极板电压；储存结果显示：显示每次储存的试验结果，共5 次，显示格式与试验方法有关；平稳法：平稳电压下落时间动态法：提升电压平稳电压上升时间下落时间当需要删除当前储存的试验结果时，按下确认键2 秒以上，当前结果被去除不能连续删 ；下落距离：显示设置的油滴下落距离；当需要更换下落距离的时候，按住平稳、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 步骤之间不能更换 ，通过 + 键即平稳、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，显示范畴：0.2mm

18、1.8mm；垂直方向视场范畴为2mm ，分为 10 格，每格 0.2mm；CCD显微密立根油滴仪试验指导及操作说明书第 6 页 共 10 页试验方法：显示当前的试验方法平稳法或动态法，在参数设置界面设定；欲转变试验方法， 只有重新启动仪器关、开仪器电源；对于平稳法，试验方法栏仅显示“平稳法字样；对于动态 法，试验方法栏除了显示“动态法以外，仍显示即将开头的动态法步骤；如将要开头动态法第一步油滴下落 ，试验方法栏显示“ 1 动态法；同样，做完动态法第一步骤，即将开头其次步骤时， 试验方法栏显示“2 动态法；仪器生产厂家：显示生产厂家；3. 挑选适当的油滴并练习掌握油滴以平稳法为例 怎样挑选相宜的

19、油滴依据油滴在电场中受力平稳公式qv/d=4 r3g/3 以及多次试验的体会， 当油滴的实际半径在0.5-1 m 时最为相宜；假设油滴过小，布朗运动影响明显，平稳电压不易调整，时间误差也会增加；假设油滴过大，下落太快，时间相对误差增大，且油滴带多个电子的几率增加，前面说到，我们期望相宜的油滴最好带1-5 个电子；操作方法：三个参数设置按键分别为：“终止、 “工作、 “平稳状态，平稳电压调为约400V ；喷入油滴，调剂调焦旋钮，使屏幕上显示大局部油滴，可见带电多的油滴快速上升出视场， 不带电的油滴下落出视场，约10s 后油滴削减；挑选那种上升缓慢的油滴作为临时的目标油滴，切换“ 0V/ 工作键，

20、这时极板间的电压为0V ，在临时的目标油滴中挑选下落速度为0.2 0.5 格/s 的作为最终的目标油滴，调剂调焦旋钮使该油滴最小最亮； 平稳电压的确认目标油滴聚焦到最小最亮后，认真调整平稳时的“电压调剂使油滴平稳在某一格线上，等待一段时间 大约两分钟 ，观看油滴是否飘离格线；假设油滴始终向同一方向飘离，那么需重新调整平稳电压；假设其根本稳固在格线或只在格线上下做稍微的布朗运动，那么可以认为油滴到达了力学平稳，这时的电压就是平稳电压； 掌握油滴的运动开头下落的位置0开头记时的位置；油滴下落距离；1.6终止记时的位置停止下落的位置图 5 平稳法计时位置示意图将油滴平稳在屏幕顶端的第一条格线上，将工

21、作状态按键切换至“0V ，绿色指示灯点亮，此时上、下极板同时接地，电场力为零，油滴在重力、浮力及空气阻力的作用下作下落运动；油滴是先经一段变速运动，然后变为匀速运动，但变速运动的时间特别短小于0.01s，与计时器的精度相当，所以可以认为油滴是立刻匀速下落的；当油滴下落到有 0 标记的格线时， 马上按下“计时键， 计时器开头记录油滴下落的时间；待油滴下落至有距离标志1.6的格线时，再次按下计时键，计 时器停止计时计时位置见图5，此时油滴停止下落； “ 0V/ 工作按键自动切换至“工作，“平稳/提升按键处于“平稳，可以通过“确认键将此次测量数据记录到屏幕上；将“平稳 /提升CCD显微密立根油滴仪试

22、验指导及操作说明书第 7 页 共 10 页按键切换至“提升，这时极板电压在原平稳电压的根底上增加约200V 的电压，油滴立刻向上运动，待油滴提升到屏幕顶端时，切换至“平稳，找平稳电压，进行下一次测量；每颗油滴共测量5 次，系统会自动运算出这颗油滴的电荷量；4. 正式测量试验可选用平稳法举荐 、动态法； 试验前仪器必需调水平；平稳法开启电源，进入试验界面将工作状态按键切换至“工作，红色指示灯点亮；将“平稳/ 提升按键置于“平稳；将平稳电压调整为400V 左右， 通过喷雾口向油滴盒内喷入油雾，此时监视器上将显现大量运动的油滴；选取相宜的油滴，认真调整平稳电压U，使其平稳在起始最上面格线上；将“ 0

23、V/ 工作状态按键切换至“0V，此时油滴开头下落，当油滴下落到有“0标记的格线时，立刻按下计时开头键，同时计时器启动，开头记录油滴的下落时间t ；当油滴下落至有距离标记的格线时例如：1.6 ，立刻按下计时终止键，同时计时器停止计时， 油滴立刻静止， “0V/ 工作按键自动切换至“工作；通过“确认按键将这次测量的“平稳电压和匀速下落时间结果同时记录在监视器屏幕上；将“平稳 / 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“平稳/ 提升键切换至平稳状态，油滴停止上升，重新调整平稳电压；留意：假如此处的平稳电 压发生了突变， 那么该油滴得到或失去了电子；这次测量不能

24、作数， 从步骤开头重新找油滴；重复，并将数据平稳电压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，系统将运算5 次测量的平均平稳电压U 和平匀称速下落时间t ，并依据这两个参数自动运算并显示出油滴的电荷量q；重复步，共找5 颗油滴，并测量每颗油滴的电荷量qi ；数据处理运算法：至少测量5 颗油滴，记录每颗油滴的电荷量qi ，再qie理论，对商四舍五入取整后得到每颗油滴所带电子个数qini ；再ni=ei得到每次测量的根本电荷，再求出n 次测量的 e ，与理论值比拟求百分误差及不确定度；作图法：得到qi 和对应的ni 后，以 q 为纵坐标， n 为横坐标作图，拟合得到的

25、直线斜率即为根本电荷 e测量 ，与理论值比拟求百分误差及不确定度；动态法选做 动态法分两步完成，第一步骤是油滴下落过程，其操作同平稳法参看平稳法；完成第一步骤后，假如对本次测量结果中意，那么可以按下确认键储存这个步骤的测量结果，假如不中意，那么可以删除删除方法见前面所述； 第一步骤完成后，油滴处于距离标志格线以下；通过“0V/ 工作键、“平稳 /提升键协作使油滴下偏距离“ 1.6标志格线肯定距离；调剂“电压调剂旋钮加大电压，使油滴上升，当油滴到达“ 1.6标志格线时，立刻按下计时开头键，此时计时器开头计时；当油滴上升到“0标记格线时，再次按下计时键， 停止计时， 但油滴连续上升， 再次调剂“电

26、压调剂旋钮使油滴平稳于“ 0CCD显微密立根油滴仪试验指导及操作说明书第 8 页 共 10 页格线以上图6，按下“确认键储存本次试验结果；停止上升的位置0终止记时的位置；油滴上升距离；1.6开头记时的位置开头上升的位置图 6 动态法计时位置示意图 重复以上步骤完成5 次完整试验， 然后按下确认键， 显现试验结果画面； 动态测量法是分别测出下落时间t f 、提升时间t r 及提升电压 U ，并代入式 11即可求得油滴带电量q ；本卷须知1、CCD 盒、紧定螺钉、摄像镜头的机械位置不能变更，否那么会对像距及成像角度造成影响；见图 1-32、仪器使用环境：温度为0-40的静态空气中；3、留意调整进油

27、量开关见图1-4，应防止外界空气流淌对油滴测量造成影响；4、仪器内有高压，试验人员防止用手接触电极；5、试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、留意仪器的防尘爱护；附：平稳法系统参数原理公式3213 s32 11 21q92db12 gUt1pr其中 r 为油滴半径12r9 s；d 为极板间距d5.002g1012 t3 m为空气粘度1.8310 5 kg m 1s 1s 为下落距离依设置，默认 1.6mm图 1-2 电场1m g中油滴受力示意图CCD显微密立根油滴仪试验指导及操作说明书第 9 页 共 10 页1 为钟表油密度1981kg33m2022 为空气密度21.292

28、8kgm标准状况下g 为重力加速度g9.794 ms成都b 为修正常数b=8.23103 N /m 6.17106 m cmHg p 为标准大气压强U 为平稳电压t 为油滴匀速下落时间注：p101325Pa 76.0cmHg 由于油的密度远远大于空气的密度，即也可代入运算 ；12 ，因此2 相对于1 来讲可忽视不计当然标准状况是指大气压强p=101325Pa，温度 W=20，相对湿度 =50% 的空气状态；实际大气压强可由气压表读出，温度可由温度计读出；油的密度随温度变化关系010203040991986981976971W 3 kg/m 一般来讲， 流体粘度受压强影响不大，当气压从 1.01 105 Pa增加到 5.07 106 Pa 时，空气的粘度只增加 10%，在工程应用中通常忽视压强对粘度的影响；温度对气体粘度有很强的影响；气体粘度可用苏士兰公式来表示 T= T0103 2 T0 TT T 式中，0 是肯定温度T0 的动力粘度， 通常取T0 =273 K 时的粘度，0 =1.71105 kg m 1 s；常数 n 和T 通过数据拟合得出，对于空气，n=0.7 ， T =110K ；