密立根油滴实验将微观量转化为宏观量进行测量,揭示了电荷的不连续性,并测定了元电荷的数值。实验设计简单巧妙,被称为物理学史上最美实验之一。该实验的简化装置如图甲所示。水平放置、间距为d的两平行金属极板接在电源上,在上极板中间开一小孔,用喷雾器将油滴喷入并从小孔飘落到两极板间。已知油滴带负电。油滴所受空气阻力f=6πrηv,式中η为已知量,r为油滴的半径,v为油滴的速度大小。已知油的密度为ρ,重力加速度为g。
(1)在极板间不加电压,由于空气阻力作用,观测到某一油滴以恒定速率缓慢下降距离L所用的时间为t1,求该油滴的半径r;
(2)在极板间加电压U,经过一段时间后,观测到(1)问中的油滴以恒定速率缓慢上升距离L所用的时间为t2。求该油滴所带的电荷量Q;
(3)实验中通过在两极板间照射X射线不断改变油滴的电荷量。图乙是通过多次实验所测电荷量的分布图,横轴表示不同油滴的编号,纵轴表示电荷量。请说明图中油滴所带电荷量的分布特点,并说明如何处理数据进而得出元电荷的数值。

【答案】(1)该油滴的半径为;
(2)该油滴所带的电荷量为;
(3)电荷量的分布呈现出明显的不连续性,这是量子化的表现,见解析。
3
η
L
2
ρg
t
1
(2)该油滴所带的电荷量为
18
πd
U
(
1
t
1
+
1
t
2
)
η
3
L
3
2
ρg
t
1
(3)电荷量的分布呈现出明显的不连续性,这是量子化的表现,见解析。
【解答】
【点评】
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