лабораторная работа элементарный заряд и опыт милликена

LEP
5.1.01
- 00
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЗАРЯД И ОПЫТ МИЛЛИКЕНА
Цель работы.
Исследование движения заряженных капель в
электрическом и гравитационном полях (опыт
Милликена).
Определение
элементарного
заряда.
Оборудование.
Устройство Милликена
Мультиметр
Источник напряжения 0-600 В
Микрометр 1 мм – 100 делений
Секундомер, 2 шт.
Стекла 18 на 18 мм,
Переключатель
Треножник
Трубка
Соединительный провод, черный,
l =25 см
Соединительный провод, красный,
l =75 см, 2 шт.
Соединительный провод, синий,
l =25 см, 2 шт.
Соединительный провод, черный,
l =75 см, 3 шт.
09070.00
07021.01
13672.93
62171.19
03076.01
64685.00
06034.03
02002.55
02060.00
07360.05
07362.01.
07362.05.
Краткая теория.
На заряженную каплю масла, помещенную в
однородное электрическое поле, действуют
следующие силы:
 сила трения со стороны воздуха; по
закону Стокса она равна:
F1  6  r   ,
(1)
где r - радиус частицы,
 - вязкость воздуха   1,82 10 5 кг/м с,
 - скорость капли;
 сила тяжести:
где m - масса капли,
g - ускорение свободного
g  9,81 м/с2,
V - объем капли, V 
-
плотность
воздуха,
 2  1,293 кг/м ;
3

сила со стороны электрического поля
(поле заряженного конденсатора):
F4  Q  E  Q 
U
,
d
(4)
где Q - заряд капли,
E - напряженность электрического поля,
напряжение
на
пластинах
U
конденсатора,
d - расстояние между пластинами.
При установившемся движении капли вниз
со скоростью 1 :
F1  F3  F2  F4 , следовательно:
1
4


  Q  E    r 3  g  ( 1   2 ) 
6  r  
3

(5)
При установившемся движении капли вверх
со скоростью  2 :
1 
F1  F2  F3  F4 , следовательно:
1
4


  Q  E    r 3  g  ( 1   2 ) 
6  r  
3

(6)
Из формул (5) и (6) можно получить формулы
для определения заряда и радиуса капель через
скорости движения капли вверх и вниз:
2 
Q  C1 
(1   2 )  1   2
U
,
(7)
где C1  2,7310 11 кг м0,5 с-0,5 и
(2)
r  C 2  1   2 ,
(8)
где C 2  6,37 10 5 (м с)0,5
падения,
4
 r3
3
1 - плотность масла, 1  1,03103 кг/м3;

2
где
(3)
07362.04
Темы для изучения.
Электрическое поле, вязкость, закон Стокса,
капельный метод, второй закон Ньютона,
дискретность заряда, заряд электрона.
F2  m  g  1 V  g ,
F3   2 V  g ,
выталкивающая сила (сила Архимеда)
со стороны воздуха:
Выполнение работы.
Опыт
рекомендуется
выполнять
двум
студентам. Соберите установку, как показано на
рисунке 1.
Соедините
фиксированный
(300
В)
и
варьируемый (от 0 до 300 В) выходы источника
напряжения, чтобы можно было получать
напряжение выше 300 В. Через переключатель
направления поля источник соединяется с
Laboratory Experiments  Physics  © Phywe Systeme GmbH & Co. KG  D-37070 Goettingen  P2510100
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЗАРЯД И ОПЫТ МИЛЛИКЕНА
LEP
5.1.01
- 00
установкой
Милликена.
Параллельно
присоединяется вольтметр. Оптическая система
установки Милликена подсоединяется на выход
6,3 В источника напряжения.
Рис. 1. Экспериментальная установка для определения элементарного заряда с помощью устройства
Милликена
Задание.
Определение радиусов и зарядов
заряженных капель.
1. Включите
оптическую
систему
установки Милликена и проведите
калибровку микрометра, используя
специальное градуировочное стекло.
2. Установите напряжение 300 В на
установке
Милликена.
Впрысните
капли
масла
в
пространство
наблюдения в установке. Настраивая
слегка
оптическую
систему,
наблюдайте движение капель масла.
Для изменения направления движения
капель
меняйте
с
помощью
переключателя
направление
электрического поля. Из видимых
капель выделите ту, которая двигается
строго вертикально и с небольшой
скоростью.
Так
как
размеры
получающихся капель малы, можно
считать с большой степенью точности,
что наблюдаемое движение уже
3.
является
установившимся
(капля
двигается с постоянной скоростью).
С помощью секундомера определите
время движения t1 выделенной капли
вверх при прохождении определенного
расстояния S1 , а также время движения
капли вниз при
t 2 этой же
прохождении
определенного
расстояния S 2 . Пройденное каплей
расстояние
определяется
как
произведение
цены
деления
микрометра (см. п.1 задания) на число
пройденных делений шкалы. Занесите
данные в таблицу 1. Повторите опыт с
несколькими каплями (4-6 капель).
Номер
капли
U ,В
S1 ,
мм
t1 , с
Таблица 1.
S2 ,
t2 , с
мм
Laboratory Experiments  Physics  © Phywe Systeme GmbH & Co. KG  D-37070 Goettingen  P2510100
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
ЭЛЕМЕНТАРНЫЙ ЗАРЯД И ОПЫТ МИЛЛИКЕНА
4.
5.
LEP
5.1.01
- 00
Повторите эксперимент для нескольких
капель (4-6 капель) при напряжениях на
установке Милликена 400 В и 500 В.
Занесите данные в таблицу 1.
Используя данные таблицы 1 сделайте
расчет скоростей 1 и  2 капель по
формулам (5) и (6) и, затем, радиусов и
зарядов капель по формулам (7) и (8).
Так как заряд капли есть целое число n
e
элементарного заряда
(заряда
электрона):
(9),
Q  ne
то
можно
определить
этот
элементарный заряд. Заполните таблицу
2.
Номер
капли
1 ,
2 ,
м/с
м/с
Q,
Кл
r,
м
Проведите
математическую
полученных результатов.
Таблица 2.
n
e,
Кл
обработку
Контрольные вопросы.
1. Сформулируйте закон Стокса.
2. Как рассчитать силу, действующую на
заряженную частицу в электрическом
поле конденсатора?
3. В чем состоит опыт Милликена?
4. * Получите формулу (5).
5. * Получите формулу (6).
6. Сформулируйте закон дискретности
заряда.
Laboratory Experiments  Physics  © Phywe Systeme GmbH & Co. KG  D-37070 Goettingen  P2510100