fizick_praktika_II

и, не отпуская её, установите этот объект в нужную позицию. Величина заряда задается введением числа в предназначенное для этого окно. После того как все тела размещены и все заряды присвоены, нажмите кнопку «Условия заданы».

4.Исследуйте электростатическое поле данных зарядов. Для этого, перемещая курсор мыши по экрану, следите за показаниями гальванометра. Исследуйте, как распределяется потенциал, каковы его значения. Подумайте, какие значения потенциала выгодно взять для построения эквипотенциальных поверхностей.

5.Постройте 4–6 поверхностей равного потенциала. Для этого введите в специальное окно гальванометра значение

потенциала P0, относительно которого строится эквипотенциальная поверхность, затем выберите цвет, которым эта поверхность будет изображена. Следя за стрелкой гальванометра, отмечайте точки равного потенциала на экране, нажимая левую кнопку мыши. При нажатии правой кнопки мыши появляется «ластик», которым можно удалить ошибочно поставленные точки.

Постройте 4–6 поверхностей равного потенциала. После этого нажмите кнопку «Сохранить в файл» и сохраните полученный

входе опыта рисунок в формате bitmap (bmp).

6.Проведите силовые линии.

7. Оцените напряженность электростатического поля в двух точках. Для этого, используя полученное в ходе опыта изображение, оцените напряженность электрического по-

ля в двух точках по приближенной формуле E = / r, где – разность потенциалов между двумя ближайшими к данной

точке эквипотенциальными линиями, а r – кратчайшее расстояние между этими линиями вблизи данной точки.

8. Повторите опыт при другой расстановке и других значениях зарядов. Для этого нажмите кнопку «Изменить условия», расставьте заряды, присвойте им значения. Постройте 4–6 поверхностей равного потенциала.

22

Лабораторная работа № 2

ИЗМЕРЕНИЕ ЭЛЕМЕНТАРНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЗАРЯДА (ОПЫТЫ ИОФФЕ – МИЛЛИКЕНА)

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Изучить движение электрически заряженной капли в электрическом поле и определить элементарный электрический заряд (опыты Иоффе – Милликена).

2. ОБОРУДОВАНИЕ И ПРИНАДЛЕЖНОСТИ

Персональный компьютер с полным программным обеспечением для проведения лабораторной работы.

3. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Абрам́Фёдорович Иоффе́ (1880–1960), российский и со-

ветский физик, организатор науки, академик (1920 г.), вицепрезидент АН СССР (1942–1945 гг.), создатель научной школы, вырастивший многих выдающихся советских физиков. В 1912– 1913 гг. провел важные экспериментальные исследования по определению заряда электрона. Эти данные были опубликованы в 1913 г. в работе «Элементарный фотоэлектрический эффект. Магнитное поле катодных лучей (экспериментальное исследование)». Они вошли в науку в России под названием «Опыты Йоффе – Милликена».

Роберт Эндрюс Милликен (1868–1953), американский физик. В 1923 г. получил Нобелевскую премию по физике за работы в области фотоэлектрического эффекта и за измерения заряда электрона (1909–1913 гг. ).

Схемы опытов Р. Милликена и А.Ф. Иоффе показаны на рис. 2.1. Р. Милликену удалось изолировать в пространстве несколько заряженных капелек воды между пластинами конденсатора. Капельки ввиду их малых размеров за счет сил поверх-

24

ностного натяжения имели сферическую форму. Электризация капелек происходила за счет трения при их распылении. Освещая капельки рентгеновскими лучами, можно было слегка ионизировать воздух между пластинами и изменять заряд капелек. При включенном электрическом поле между пластинами капелька медленно двигалась вверх под действием электрического поля. При выключенном электрическом поле она опускалась под действием силы тяжести. Включая и выключая электрическое поле, можно было изучать движение капелек и измерить скорость их установившегося движения. К 1909 г. удалось определить, что заряд любой капельки всегда был целым кратным фундаментальной величине е (заряд электрона). Это было убедительным доказательством того, что электроны представляли собой частицы с одинаковыми зарядом и массой. Заменив капельки воды капельками масла (капельки воды имели очень малые размеры и быстро испарялись), Р. Милликен получил возможность увеличить продолжительность наблюдений до нескольких часов. В 1913 г., исключив один за другим возможные источники погрешностей и суммируя результаты многочисленных экспериментов, опубликовал первое измеренное значение электрического заряда электрона (е = 1,60217653 · 10−19 Кл). Р. Милликен опубликовал свой результат по измерению заряда электрона несколько раньше, чем А.Ф. Иоффе, поэтому в мировой литературе эксперимент получил его имя. Впоследствии Р. Милликен занимался изучением космических лучей.

В случае опыта А. Иоффе в поле плоского конденсатора, расположенного горизонтально, изучалось движение мелких частиц цинка, которые получали электрический заряд при освещении их ультрафиолетовым излучением за счет фотоэффекта. В остальном оба опыта были подобны.

Для нахождения малого (порядка длины волны видимого света) диаметра капли или частицы цинка их заставляли падать в поле силы тяжести. Зная вязкость воздуха, по формуле Стокса

25

можно было определить их диаметр. Затем, изучая движение заряженных капелек воды, масла или частиц цинка в поле силы тяжести и в электростатическом поле одновременно и зная радиус капли или частицы и вязкость воздуха, можно было определить их электрический заряд. Опыты показали, что заряд может принимать лишь ряд дискретных значений. Поскольку капельки воды, масла или частицы цинка во время опытов изменяли случайным образом, Р. Милликен и А. Иоффе определили заряд электрона как наименьшее значение электрического заряда капелек воды, масла или частиц цинка.

Рис. 2.1. Схема опытов А. Иоффе и Р. Милликена:

1 – трубка; 2 – камера; 3 – заряженные металлические пластины; 4 – микроскоп; 5 – устройство для получения ультрафиолетового излучения; 6 – устройство для получения рентгеновского излучения; 7 – заряженная частица

В работе моделируются опыты Р. Милликена и А. Иоффе по движению заряженной капельки воды или масла (опыт Мил-

26

ликена) или частицы цинка (опыт Иоффе) со случайным электрическим зарядом в электрическом поле плоского конденсатора, расположенного горизонтально, и в поле силы тяжести. Рассмотрим опыт Р. Милликена.

4. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Капли масла, имеющие малые размеры, помещались между обкладками плоского горизонтально расположенного конденсатора, напряженность электрического поля в котором можно было менять. Причем вектор напряженности электрического поля направлен вверх. За поведением капель наблюдают с по-

ность электрического поля, и выталкивающая силаFвыт m0 g ,

27

где m0 – масса вытесненного каплей воздуха ( Fвыт 43 r3 0 g , 0

– плотность воздуха). Напряженность поля подбирается такой, чтобы капля масла начинала двигаться вверх, т. е результирующая сила направлена вверх. Капля будет двигаться с ускорением. Как только капля начинает двигаться вверх, на нее на-

чинает действовать сила сопротивления воздуха Fсопр , направ-

ленная вниз. Величина этой силы пропорциональна скорости капли. В случае медленного поступательного движения частицы в форме шарика, как показал Д. Стокс, сила сопротивления в вязкой жидкой или газообразной среде равна Fсопр 6 rV ,

где V – величина скорости капли; – коэффициент вязкости среды (воздуха). По мере возрастания силы сопротивления, ускорение будет уменьшаться до тех пор, пока не станет равным

Учтем, что плотность воздуха значительно меньше, чем плотность масла. Тогда Fвыт P и слагаемым, связанным

с выталкивающей силой, можно пренебречь при условии, что остальные три слагаемых по порядку величины сопоставимы:

В(2.3) V – скорость равномерного движения капли вверх при включенном электрическом поле.

Вотсутствие электрического поля капля вначале двигается с ускорением вниз под действием двух сил: силы тяжести

28

В (2.5) V – скорость равномерного движения капли вниз в отсутствии электрического поля. С учетом того, что Fвыт P ,

условие (2.5) будет иметь вид:

Из (2.3) и (2.6) получаем, что

Чтобы определить электрический заряд капли, необходимо измерить радиус капли и определить скорость V ее равномерного движения вниз в отсутствие электрического поля

29

и скорость V ее равномерного движения вверх при включенном электрическом поле. Из (2.6) получаем радиус капли:

Вопытах Р. Милликена заряд капли можно изменять слабой ионизацией воздуха рентгеновским излучением. Опыты показали, что заряд капли q кратен одной и той же величине – элементарному заряду e.

5.ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Вданной работе на экране компьютера моделируется движение заряженной капли в электрическом поле и поле силы тяжести. В ходе опыта необходимо определить величину элементарного электрического заряд – заряда электрона.

5.1.Ход работы

1.Включите компьютер.

2.На рабочем столе компьютера на ярлыке папки «Физ. лаб.» щелкните дважды левой кнопкой мышки. В открывшемся окне выберите раздел «Электричество и магнетизм», из списка лабораторных работ запустите «Измерение элементарного заряда (опыт Милликена)», дважды щелкнув по названию левой кнопкой мышки. Появится экран, в котором будет присутствовать таблица с командами: О работе; Ход работы; Эксперимент. Вызывая пункты меню в таблице, необходимо ознакомиться с лабораторной работой и порядком ее выполнения. По-

30