我們延續上次討論的密立坎油滴實驗 先來討論油滴的運動狀態 與實驗設計物理量的關係 首先 注意噴油器噴出的油滴 油滴通過管子進入上半部空腔 經由油滴和管壁摩擦產生電性 在上半部的空腔沒有受到電場作用 因為只有受到重力作用 而向下運動 觀察油滴此時帶電 且受重力通過孔洞進入下半部的空腔 現在請你觀察看看 下半部的油滴有受到什麼作用力呢？ 現在 我們來複習帶電油滴在電場中的受力情形 先思考帶電油滴可能受到什麼作用力 因為帶電板的電性不同 可以分析電場方向 因此由外接電壓可以知道 上方電極板為正電 下方為負電板 現在討論第一個狀態 當無外加電場時 真實狀態是油滴向下運動 考慮受到向下重力與向上的空氣阻力、向上的空氣浮力 當油滴達終端速度後 會呈現等速度運動 此時向上與向下的合力為定值 空氣阻力f加上空氣浮力B 等於重力W 第二個狀態 就是增加外加電場 此時考慮油滴因為摩擦產生帶負電的狀態 會受到電極板電性影響 若上方電極板為正電板時 帶負電的油滴就會受到電力向上 此時油滴若為向上等速度運動 也可以判斷向上與向下的合力相同 便能得到電力Fe加上空氣浮力B 等於空氣阻力f加上重力Fg 現在考慮外加X光的光源 對容器內部的氣體產生影響 電離的氣體部分 會因為電子脫離而產生帶正電 部分自由電子也會產生轉移 接下來 討論與前面的帶正電不相同的油滴 試著觀察帶負電的油滴 是否有相同的運動現象 開始分析時 請先注意實驗裝置圖的左方 外加電壓以後 上方為正電板 下方為負電板 由X-射線照射兩極間之氣體 所產生的氣態陽離子或自由電子 使油滴帶正電荷或負電荷 在考慮油滴具有質量 而受重力作用向下 此時油滴的運動狀態 可能出現向上移動、靜止、向下移動等狀態 依照剛剛的運動狀態可以發現 在運動過程中 考慮空氣阻力的關係 當物體向下等速度運動時 可以得到 「空氣阻力 f」加上「空氣浮力 B」 再加上「電力 Fe」 會等於「重力 Fg」 現在我們先簡化運動狀態 將粒子視為質點運動時 不考慮空氣阻力與空氣浮力時 電力等於重力 qE等於mg 所以q等於E分之mg 現在觀察其中一顆油滴 測量8次的結果如圖所示 發現q等於ne 其他的油滴也可以觀察到這現象 經由密立坎油滴實驗可以得到 所有的帶電油滴的電量 都是基本電荷量的整數倍 此現象就是電量量子化 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？ 近年來在生活中 常見到量子物理和半導體物理的應用 現在 我們來討論一個半導體物理 在科技業常見到的小知識 由於材料是由原子組成 因此在討論半導體材料時 常會使用圖中的模型來解釋 在這邊常常能見到 外加能量時 可以造成電荷轉移 轉移的電荷量 就存在電量量子化的現象 電量間可以存在整數倍的關係 也是量子物理討論的重要現象 經過了概念解說後 我們來利用圖片中的電荷 說明前面影片詢問物體運動模式的問題 考慮一個帶有負電量的電荷q 電荷帶有質量m 當帶電油滴以等速度運動 或是靜止懸浮時 電力會等於重力 所以qE等於mg q等於E分之mg 因此 可以利用m就是質量、g就是重力場 以及E外加電場的量值 就能得到基本電量的整數倍量值 我們來重點整理一下密立坎油滴實驗的研究發展： 密立坎在最初進行實驗時 因為發現水滴的蒸發太快 無法精確測量 所以希望找到蒸發較慢的物質來做實驗 後來使用噴油器所產生的油滴來做實驗 首先 將油滴噴至充滿空氣的空腔中 利用離子化的空氣 讓油滴攜帶電荷 再經由實驗的操作 使油滴受到重力、空氣浮力與摩擦力 在外加電場的影響下可以上升或下降 透過特殊設計的望遠鏡 來觀察油滴上升與下降的時間 經過反覆地記錄油滴上升下降的時間之後 即可計算出它的電荷量 若簡化繁雜的數學計算 在忽略油滴的空氣浮力與阻力 在合力為零的條件下可以得到： Fq 等於 Fg qE 等於 mg q 等於 E 分之 mg 再經由數據分析 就可以得到基本電荷量的量值大小 q 等於 ne 密立坎所報告出來的基本電荷值 是1.592乘以10的負19次方庫侖 比目前的電子電荷值1.62乘以10的負19次方庫侖小 可能是因為 密立坎所使用的空氣黏性係數不夠準確所致 由密立坎油滴實驗的原理 可以得到油滴實驗證明荷質比 與得到基本電荷量 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？ 由電荷量子化觀點 來思考能量量子化的現象 你覺得這兩種表現出量子化的現象 是否有差異呢？ 歡迎在留言分享你的想法囉 我們下次見 bye bye