在討論密立坎油滴實驗之前 我們先來看一下 湯姆森得到荷質比的陰極射線實驗 有什麼需要注意的地方 還記得帶電粒子進入平行帶電板時的受力作用嗎？ 由陰極射線發出的電子進入平行帶電板時 受到射出紙面的磁場 此時受磁力向上 由於上方為帶負電之帶電板 下方為帶正電的帶電板 此時電子會受到電場作用而產生向下的電力 現在我們來分析一下 當鉛直方向合力為零的時候 可以得到什麼物理量： Fe電力會等於Fm磁力 eE會等於evB 接著把共用的e消除後 E等於vB 可得到v等於B分之E 由上面的數學關係可以發現 受電力與磁力會影響電子的速度 但如果我們思考一下 若僅受電場作用時 當使用質量足夠大的帶電物質時 會有什麼運動模式呢？ 接下來我們先來思考 單一帶電粒子在平行帶電板的運動狀態 若帶電粒子攜帶正電時 會受到電場作用產生電力 當上方為正極板的時候 帶正電粒子受到電力作用 使粒子向下加速度運動 若我們現在考慮質量的關係時 可以發現粒子會受重力作用而向下運動 現在我們想看看 電力與重力的關係是什麼呢？ 依照前面介紹的可以發現 電力受電荷量與電場影響 重力受到質量作用的影響 而且重力恆向下指向地心 所以要討論合力作用的狀態時 我們可以討論 利用電力向上而重力向下的關係 由合力的關係找出物理量之間關係 現在 我們來觀察1917年密立坎測量出荷質比的實驗裝置 首先觀察圖中的實驗裝置 可以發現實驗裝置是利用噴油器 將油滴噴入空腔 懸浮的油滴經過空腔進入平行帶電板後 會受到平行帶電板的電力作用 利用外加電壓 使平行帶電板產生電場作用於帶電油滴 利用顯微鏡來觀察油滴的運動狀態 請你先想一想 當帶電粒子攜帶負電時 平行帶電板的上方為正電板 下方為負電板的時候 帶電油滴會如何運動呢？ 現在 我們來看一下密立坎油滴實驗的內容 有什麼有趣的現象呢？ 首先 觀察噴油器按壓時會高速噴出油滴 此時因為噴出過程與管壁界面摩擦的關係 會產生帶電 在上方空腔 因為油滴受重力作用而向下運動 此時沒有外加電場 因此受重力而進行等加速度運動 此時 你是否想到空腔中的空氣 會造成摩擦力作用呢？ 這個觀點是正確的喔！ 所以在實驗過程 會將上半部空腔與下半部平行帶電板 進行分析的修正 將摩擦力的影響降低 近代重現密立坎油滴實驗的科學家 也會利用抽真空的方式 來改善摩擦力的影響 另外 當時也曾經使用水滴當作載體 但受限於溫度與水氣揮發 因此無法討論質量關係 所以還是選用揮發性較低的油滴 現在我們聚焦於油滴運動模式 可以觀察一下實驗裝置的剖面圖 當噴油器噴出霧狀油滴時 由於外加可變直流電源可以調整電壓 產生電場變化而調控電力大小 當顯微鏡觀察到油滴 在鉛直面為等速度運動時 可以討論合力關係 若帶負電的油滴 受到向上的電力與向下的重力相等時 即表現出等速度運動 重力Fg等於電力Fe mg等於eE 且平行帶電板的電壓為V等於Ed 其中d為帶電板間的距離 這邊的mg等於e乘上d分之V m分之e就會等於V分之gd 由此可知 利用「平行帶電板間的距離」 和「外加電壓」 就可以找出m分之e的比值 而我們再測量油滴的質量 就可以得到電荷量的大小 這時候密立坎發現 不同油滴的電荷量大小 是基本電荷e的整數倍 找出基本電荷量大小量值e 等於1.6乘以10的負19次方庫侖 由密立坎實驗 也可以發現電荷轉移的現象 由此實驗結果得到 電荷量量子化的現象 學習影片的知識後 請試著閱讀下列內容的敘述 找出密立坎油滴實驗現象敘述錯誤的內容？ 現在我們來回想影片開始的問題 當油滴在平行帶電板間 會受到重力與電力作用 若電力大於重力時 物體可以向上加速度運動 若重力大於電力 可以向下加速度運動 當觀測到等速度運動時 可以得到油滴的重力等於電力 若考慮沒有外加電場的狀態下 也可以利用物體的速度v 或是合力fr及Fg造成的運動狀態 來分析空氣阻力的量值 由此可以發現 密立坎的油滴實驗是有效驗證「荷質比」 和推導出「基本電荷量」的方式 現在我們來複習一下密立坎油滴實驗 實驗裝置上半部 可以分析重力與空氣阻力的關係 觀察油滴的速度可以計算出摩擦力大小 油滴在平行帶電板的板間 會受電力作用 而產生等加速度運動 或是等速度運動的現象 可以利用合力結果 來分析運動模式 若在平行帶電板合力為零時 則可以得到帶負電的油滴 受到向上的電力與向下的重力相等 Fg等於Fe mg等於eE 且平行帶電板的電壓為V等於Ed 其中d為帶電板間的距離 由於mg等於e乘上d分之V 所以m分之e等於V分之gd 由此可知 利用平行帶電板間的距離和外加電壓 就可以找出m分之e的比值 而我們再測量油滴的質量 就可以得到電荷量的大小 這時候密立坎發現 不同油滴的電荷量大小是整數倍關係 即能獲得基本電荷量 由陰極射線荷質比實驗的原理 延伸至密立坎油滴實驗 證明「荷質比」與「基本電荷量」的關係 想請你思考一下 密立坎油滴實驗有什麼重要的概念 和古典物理不同呢？ 比較重力和電力的關係 要注意什麼條件呢？ 歡迎在下方留言 告訴我們你的答案囉 我們下次見 bye bye