密立根油滴实验中温度因素的影响: 理论考量与实验校准

朱明宇 陈艺欣 陈敏 尹亚玲 宋也男

摘 要 密立根油滴实验中，油滴荷电量的测量往往受各种误差的影响。研究发现，忽视温度变化对空气黏滞系数与油的密度的影响，是油滴实验中系统误差的主要来源，考虑其影响是获得理想的元电荷测定结果的必然要求。本研究设计了实时测温的实验方案，并根据温度变化校准实验参数。据此得到的元電荷测定结果，在本研究实验条件下，相对误差从未校准时的4%降至校准后的0.5%。实验结果验证了方案的可行性，以及对温度变化对参数影响所作修正的必要性。

关键词 油滴实验;元电荷;空气黏度

密立根油滴实验（Millikans Oil-drop Experiment，以下简称“油滴实验”）[1，2]从诞生至今已有一百多年的历史，其通过测量油滴的带电量来验证电荷的不连续性并测定元电荷数值的方法简单而又巧妙，因而成为近代物理史上一个经典实验。

在大学物理实验课程中，油滴实验的数据处理往往令学生和教师感到困扰———实验过程中存在的各种误差使油滴的荷电量子数不易确定，使测定结果失去意义。对这个问题，现有文献的研究主要聚焦于两个方面：一方面，讨论实验过程中的各类误差对测定结果的影响[3-6];另一方面，讨论实验数据的处理方法，即如何用科学的方法得到可靠的元电荷测定值[7-13]。在误差分析方面，现有文献主要聚焦油滴平衡电压、升降时间等物理量测定的偶然误差及其带来的油滴荷电量子数确定的困难，而系统误差却少有研究关注。

我们在实验过程中发现，忽视实验中温度变化对空气黏滞系数与油的密度的影响，是油滴实验系统误差的主要来源之一，而这将对元电荷测定结果产生相当大的影响。本文就忽视温度变化对油滴实验元电荷测定结果误差的影响作一理论考量，提出在实验过程中消除这一误差的可行方案，并以实验数据论证其可靠性。