Измерительная установка и методика эксперимента

Схема простой установки для измерения заряда электрона приве­дена на рис. 5. Конденсатор К состоит из двух латунных отполиро­ванных пластин, закрепленных на эбонитовом цилиндре М. Капельки масла распыляются в камере С и через отверстие в верхней пластине конденсатора поступают внутрь его. При этом вследствие электризации трением капли будут нести электрические заряды. Подавая на конденсатор напряжение от высоковольтного выпрямителя В, можно изменить направление движения капли. Величина этого напряжения измеряется вольтметром V.

Через окошко (1) капельки освещаются светом от лампы накали­вания S. Тепловой фильтр Ф поглощает инфракрасную часть спектра, что предотвращает нагревание капель.

Наблюдение производится при помощи микроскопа через окошко в направлении, перпендикулярном к освещающему пучку. Поэтому выб­ранная капля в поле зрения микроскопа видна как яркая звездочка на темном фоне. Измерение скорости движения капли производится при помощи шкалы, расположенной в фокальной плоскости окуляра. Время прохождения каплей некоторого заданного расстояния определяет­ся по секундомеру.

Порядок выполнения работы

Включают блок питания и осветительнуюсистему. Резким движением поршня насоса вбрызгивают масло в камеру. Наблюдают в микроскоп падение капелек. Так как микроскоп дает обратное изображение, капли в его поле зрения будут двигаться вверх. Замыкая на короткие промежутки времени ключ П, выбирают для измерений подходящую капельку.

При выборе капельки нужно исходить из следующих соображений. Во-первых, заряд капельки должен бытьотрицательным. При включении поля такая капля в поле микроскопа будет перемещаться вниз (учитывая тот фактор, что микроскоп переворачивает изображение). Во-вторых, следует избегать слишком больших или малых капель. Заряд большой капли велик, чтозатрудняет точное определение числа электронов на ней. Слишком малые капли, как указывалось выше, не подчиняют­ся закону Стокса. Каплей подходящего размера является такая, которая под действием силы тяжести падает со скоростью около 0.01 см/с. Такую каплю легко наблюдать, а скорость ее доступна точно­му определению.

После выбора капли включают ключ П и измеряют время t_ε про­хождения ею отрезка n₂-n₁ шкалы микроскопа. Зная цену деле­ния шкалы, можно определить длину пути капли. Затем размыкают ключ П и измеряют промежуток времени t_g, за который капля пройдет такое же расстояние в поле тяжести. Отсчет времени в обоих случаях сле­дует начинать уже после того, как капля пройдет некоторый путь. При этом условии ее скорость можно считать постоянной.

В работе участвуют два человека - один ведет непосредственное на­блюдение за каплей, включает и выключает секундомер и ключ П.

Второй фиксирует показания секундомера и вольтметра и ведет запись.

Измерения повторяют для 30 капель, имеющих близкие скорости па­дения. Результаты измерений и расчетов целесообразно оформить в виде таблицы, образец которой приведен ниже. Для удобства вычисле­ний формулу (5) можно привести к виду

(6)

Множитель А включает также длину пути капельки l и разность потенциалов U:

(7)

Величина А может бытьвычислена (в системе СГСЭ) предварительно по следующим данным: d =0.9 см, η= 1.832­·10^-4г/cм·с, l= 0.05 см (5делений шкалы),

U =800 В = 8/3 ед. СГСЭ, σ = 0.94 г/см³, ρ =1.29·10^-3 г/см³, g =981 см/с².

№ капли	Время, с	Обратные величины	Значения	Заряд капли en·10^-10СГСЭ
Подъ-ема tε	Паде-ния tg

Вычисленные по формуле (6) заряды капель группируют по сериям. В каждую серию входят близкие(в пределах погрешности эксперимен­та) значения. Находят средние значения зарядов для каждой серии.

Наименьшая разность между вычисленными средними зарядами и даст ве­личину заряда электрона е. Полученные после усреднения значения заряда электрона е сравнивают с табличным значением.

Контрольные вопросы

1. В каких опытах и каким образом проявляется дискретность электрического заряда?

2. Объясните основную идею метода Милликена.

3. Какие силы действует на заряженную каплю в поле конденсатора Милликена?

4. Суммируйте оптимальные условия для проведения опыта Милликена.

5. Почему для выполнения задачи по определению заряда электрона необходимы измерения с большим числом капель?

6. На каком основании движение капли можно считать равномерным?

7. Каким Вы представляете себе распределение капелек по величине заряда?

Литература

1. Шпольский Э.В. Атомная физика. М.:Наука. -1984. – Т.1. - С. 13-18.

 

Лабораторная работа № 3