Millikan-Experiment - Positron Annihilation in Halle

Millikan-Experiment
1
Bestimmen der elektrischen Elementarladung e
I.
Aufgaben zur Vorbetrachtung
1.
2.
3.
Führen Sie eine kurze geschichtliche Betrachtung zum Millikan-Versuch durch! (1/2 Seite)
Erläutern Sie den Versuchsaufbau! Gehen Sie dabei kurz auf das Prinzip der
Dunkelfeldmikroskopie ein!
Welcher Unterschied besteht zu Millikans historischem Versuchsaufbau? (1/2 Seite)
Erläutern Sie die beiden Messmethoden: Schwebemethode und Gleichfeldmethode
(auch Steig-/Sinkmethode)!
Betrachten Sie jeweils die Richtung der wirkenden Kräfte auf das Öltröpfchen!
Auftriebskraft in Luft: FA =
Gewichtskraft: FG =
4
⋅ π ⋅ r 3 ⋅ ρ Luft ⋅ g ,
3
4
⋅ π ⋅ r 3 ⋅ ρÖl ⋅ g ,
3
U
,
d
Stokessche Reibungskraft in Luft: FR = 6 ⋅ π ⋅ η ⋅ r ⋅ v
Kraft des elektrischen Feldes:
Fel . = q ⋅ E = q ⋅
Leiten Sie aus der Betrachtung der wirkenden Kräfte auf das Öltröpfchen bei der
Gleichfeldmethode zunächst die Gleichung für den Tröpfchenradius und dann für die Ladung des
Öltröpfchens her!
Von den beiden Methoden ist die Gleichfeldmethode der Schwebemethode vorzuziehen. Warum?
(ca. 1-2 Seiten)
Hinweis:
Nutzen Sie im Internet „Wikipedia“
(http://de.wikipedia.org/wiki/Millikan-Versuch) zum Millikan-Versuch sowie den Link zu
leifi.physik
(http://leifi.physik.uni-muenchen.de/web_ph12/versuche/01millikan/millikan.htm)
II.
Versuchsdurchführung
1.
2.
Führen Sie zunächst eine Simulation des Millikan-Versuches am Computer durch!
Aus der Analyse des Bewegungsverhaltens im homogenen elektrischen Feld eines
Plattenkondensators sind die Radien und die elektrischen Ladungen von mindestens 40 Öltröpfchen
zu bestimmen (pro Schüler mindestens 20 ). Messen Sie mindestens ein Teilchen dabei mehrfach,
um einen Eindruck über den Fehler der Zeitmessung zu erhalten. Verwenden Sie dazu die
Steigmethode.
Hinweise:
- Abstand der Kondensatorplatten: 6 (± 0,05) mm
- Objektivvergrößerung im Messmikroskop: 2 (± 0,05)
- Länge der Mikrometerskala: 10 mm
- Skaleneinteilung: 0,1 mm (Durch die Objektivvergrößerung entspricht 1 Skalenteil einem Weg
von 0,05 mm!)
- Öldichte:
⎡ kg ⎤
= 886 − 0,6 ⋅ ϑ
3⎥
⎣m ⎦
ρ Öl ⎢
ϑ [°C ] Temperatur erfragen!
⎡ kg ⎤
= (1,710 + 0,005 ⋅ ϑ ) ⋅ 10 −5
⎥
⎣s ⋅ m⎦
⎡ kg ⎤
−3
- Luftdichte: ρ Luft ⎢ 3 ⎥ = 1,29 − 3,4 ⋅ 10 ⋅ ϑ
ϑ [°C ]
⎣m ⎦
- Viskosität der Luft: η ⎢
- Wichtig: Zwei Pumpvorgänge pro Messung sind ausreichend!
- Verwenden Sie möglichst größere Tröpfchen!
ϑ [°C ]
(Luftdruck: 1Bar; Erfragen!)
Millikan-Experiment
III
2
Versuchsergebnisse
1.
Messwerte für Gleichfeldmethode
Äußere Bedingungen:
- Luftdruck:
- Temperatur:
Messdaten:
Nr.
t
t
fortlaufende Tröpfchennummer
Fallzeit
Steigzeit
Skalenteile im Messokular
ermittelte Tröpfchenladung
Kondensatorspannung in V
↓
↑
Skt.
q
U
t
Nr.
↓
in s
t
↑
in s
U in V
Skt.
r
v↓
v↑
q/e
Tröpfchenradius
Sinkgeschwindigkeit
Steiggeschwindigkeit
Vielfaches der
Elementarladung
v ↓ in
v ↑ in
mm/s
mm/s
r in 10-6
m
q in
10-19 C
q/e
1
2
…
2.
Auswertung:
-
Tröpfchenradius :
r
in μm
Tröpfchennummer
-
mittlerer Tröpfchenradius:
-
Tröpfchenladung:
q
in 10-19 C
Tröpfchennummer
3.
Diskutieren Sie zufällige und systematische Fehler!
4.
Zusatz:
Was wird durch die sogenannte Cunningham-Korrektur berücksichtigt und wie wird sie
durchgeführt?
Welche Werte erhält man mit dem Cunningham-Korrekturfaktor?