Mérés: Millikan olajcsepp-kísérlete



Hasonló dokumentumok
Modern Fizika Labor. 2. Az elemi töltés meghatározása. Fizika BSc. A mérés dátuma: nov. 29. A mérés száma és címe: Értékelés:

Modern Fizika Labor. 2. Elemi töltés meghatározása

Elektrosztatika Mekkora két egyenlő nagyságú töltés taszítja egymást 10 m távolságból 100 N nagyságú erővel? megoldás

Mit nevezünk nehézségi erőnek?

DINAMIKA ALAPJAI. Tömeg és az erő

Munka, energia Munkatétel, a mechanikai energia megmaradása

Folyadékok és gázok mechanikája

FIZIKA II. Dr. Rácz Ervin. egyetemi docens

Hidrosztatika, Hidrodinamika

A nagyobb tömegű Peti 1,5 m-re ült a forgástengelytől. Összesen: 9p

Pálya : Az a vonal, amelyen a mozgó test végighalad. Út: A pályának az a része, amelyet adott idő alatt a mozgó tárgy megtesz.

Folyadékok és gázok mechanikája

Pálya : Az a vonal, amelyen a mozgó test végighalad. Út: A pályának az a része, amelyet adott idő alatt a mozgó tárgy megtesz.

28. Nagy László Fizikaverseny Szalézi Szent Ferenc Gimnázium, Kazincbarcika február 28. március osztály

1. Feladatok a dinamika tárgyköréből

Haladó mozgások A hely és a mozgás viszonylagos. A testek helyét, mozgását valamilyen vonatkoztatási ponthoz, vonatkoztatási rendszerhez képest adjuk

TestLine - 7. Fizika Témazáró Erő, munka, forgatónyomaték Minta feladatsor

TestLine - 7. Fizika Témazáró Erő, munka, forgatónyomaték Minta feladatsor

DÖNTŐ április évfolyam

Folyadékok és gázok áramlása

Fizika. Tanmenet. 7. osztály. 1. félév: 1 óra 2. félév: 2 óra. A OFI javaslata alapján összeállította az NT számú tankönyvhöz:: Látta: ...

Folyadékok és gázok áramlása

Az elektron hullámtermészete. Készítette Kiss László

TABLETTÁK ÉS KAPSZULÁK SZÉTESÉSE

Atomfizika előadás 2. Elektromosság elemi egysége szeptember 17.

W = F s A munka származtatott, előjeles skalármennyiség.

Bor Pál Fizikaverseny 2016/17. tanév DÖNTŐ április évfolyam. Versenyző neve:...

Biofizika szeminárium. Diffúzió, ozmózis

TestLine - Fizika 8. évfolyam elektromosság alapok Minta feladatsor

TÉRFOGATÁRAM MÉRÉSE. Mérési feladatok

Nehézségi gyorsulás mérése megfordítható ingával

Nyomás. Az az erő, amelyikkel az egyik test, tárgy nyomja a másikat, nyomóerőnek nevezzük. Jele: F ny

Pálya : Az a vonal, amelyen a mozgó tárgy, test végighalad. Út: A pályának az a része, amelyet adott idő alatt a mozgó tárgy megtesz.

Tengelyanyák Szorítóhüvelyek Biztosítólemezek Öntöttvas- és lemez Y csapágyházak Öntöttvas osztott, álló csapágyházak.

Felhasználói kézikönyv

A kísérlet célkitűzései: A súrlódási erőtípusok és a közegellenállási erő kísérleti vizsgálata.

Reológia Mérési technikák

29. Nagy László Fizikaverseny Szalézi Szent Ferenc Gimnázium, Kazincbarcika február osztály

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika ZH, október 10.. CHFMAX. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

FOLYADÉK BELSŐ SÚRLÓDÁSÁNAK MÉRÉSE

A nyomás. IV. fejezet Összefoglalás

58. ročník Fyzikálnej olympiády v školskom roku 2016/2017 Okresné kolo kategórie F Texty úloh v maďarskom jazyku

A 2010/2011. tanévi FIZIKA Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny első fordulójának. feladatai fizikából. I. kategória

Egy nyíllövéses feladat

A II. kategória Fizika OKTV mérési feladatainak megoldása

Folyadékok áramlása Folyadékok. Folyadékok mechanikája. Pascal törvénye

Hatvani István fizikaverseny Döntő. 1. kategória

PÉLDÁK ERŐTÖRVÉNYEKRE

2.3 Newton törvények, mozgás lejtőn, pontrendszerek

Mérnöki alapok 2. előadás

Tömegpontok mozgása egyenes mentén, hajítások

Felhasználói kézikönyv

Hatvani István fizikaverseny forduló megoldások. 1. kategória. J 0,063 kg kg + m 3

1. ábra. 24B-19 feladat

INFRA HŐMÉRŐ (PIROMÉTER) AX Használati útmutató

Elektromos alapjelenségek

Newton törvények, lendület, sűrűség

Nyomás. Az az erő, amelyikkel az egyik test, tárgy nyomja a másikat, nyomóerőnek nevezzük. Jele: F ny

Felvételi, 2018 szeptember - Alapképzés, fizika vizsga -

Modern Fizika Labor Fizika BSC

Fluidizált halmaz jellemzőinek mérése

37. Mikola Sándor Országos Tehetségkutató Fizikaverseny II. forduló március óra A verseny hivatalos támogatói

Egy részecske mozgási energiája: v 2 3 = k T, ahol T a gáz hőmérséklete Kelvinben 2 2 (k = 1, J/K Boltzmann-állandó) Tehát a gáz hőmérséklete

azonos sikban fekszik. A vezetőhurok ellenállása 2 Ω. Számítsuk ki a hurok teljes 4.1. ábra ábra

Gépészmérnöki alapszak, Mérnöki fizika 2. ZH, december 05. Feladatok (maximum 3x6 pont=18 pont)

A +Q töltés egy L hosszúságú egyenes szakasz mentén oszlik el egyenletesen (ld ábra ábra

Tartalomjegyzék április. 1. Bevezetés A mérés menete 4

Név:.kódja... Szakja:... címe.. Kérjük, hogy mielőtt elkezdi a feladatok megoldását, válaszoljon az alábbi kérdésekre!

SZÁMÍTÁSI FELADATOK I.

5. gy. VIZES OLDATOK VISZKOZITÁSÁNAK MÉRÉSE OSTWALD-FENSKE-FÉLE VISZKOZIMÉTERREL

Mérések állítható hajlásszögű lejtőn

Komplex természettudomány 3.

MÁGNESES TÉR, INDUKCIÓ

A gravitációs gyorsulás meghatározására irányuló. célkitűzései:

A test tömegének és sebességének szorzatát nevezzük impulzusnak, lendületnek, mozgásmennyiségnek.

Értékelési útmutató az emelt szint írásbeli feladatsorhoz

Rugalmas állandók mérése (2-es számú mérés) mérési jegyzõkönyv

Belső energia, hőmennyiség, munka Hőtan főtételei

Elvégzendő mérések, kísérletek: Egyenes vonalú mozgások. A dinamika alaptörvényei. A körmozgás

1. Az egyenes vonalú egyenletes mozgás kísérleti vizsgálata és jellemzői. 2. A gyorsulás

Elméleti kérdések 11. osztály érettségire el ı készít ı csoport

Örökmozgók. 10. évfolyam

Áramlástechnikai mérések

Mágneses mező tesztek. d) Egy mágnesrúd északi pólusához egy másik mágnesrúd déli pólusát közelítjük.

TestLine - Fizika 7. évfolyam folyadékok, gázok nyomása Minta feladatsor

TestLine - Fizika 7. évfolyam folyadékok, gázok nyomása Minta feladatsor

H01 TEHERAUTÓ ÉS BUSZMODELL SZÉLCSATORNA VIZSGÁLATA

3. Az alábbi adatsor egy rugó hosszát ábrázolja a rá ható húzóerő függvényében:

2. Rugalmas állandók mérése

Hidrosztatika. Folyadékok fizikai tulajdonságai

V e r s e n y f e l h í v á s

A továbbiakban a mért esési időt felhasználhatjuk a nehézségi gyorsulás meghatározására.

A LÉGKÖRBEN HATÓ ERŐK, EGYENSÚLYI MOZGÁSOK A LÉGKÖRBEN

Speciális relativitás

TARTALOM. Oldal AZ IDŐ BEÁLLÍTÁSA ÉS A MUTATÓK IGAZÍTÁSA...5. A DÁTUM BEÁLLÍTÁS...9. STOPPER ÉBRESZTŐ A TACHYMETER HASZNÁLATA...15.

Kollár Veronika A biofizika fizikai alapjai

Elektromos ellenállás, az áram hatásai, teljesítmény

Mechanika - Versenyfeladatok

Gyakorlat 30B-14. a F L = e E + ( e)v B képlet, a gravitációs erőt a (2.1) G = m e g (2.2)

Oktatási Hivatal FIZIKA I. KATEGÓRIA. A 2016/2017. tanévi Országos Középiskolai Tanulmányi Verseny döntő forduló FELADATOK

Átírás:

Mérés: Millikan olajcsepp-kísérlete Mérés célja: 1909-ben ezt a mérést Robert Millikan végezte el először. Mérése során meg tudta határozni az elemi részecskék töltését. Ezért a felfedezéséért Nobel-díjat is kapott. A mi mérésünk célja ugyancsak az elemi részecske töltésének megmérése. Eszközök: Millikan berendezése és egy stopper. Magyarázat a fenti képhez Millikan berendezéséről: A kép alján két vízszintes helyzetű kondenzátorlemez van. Az egyik le van földelve, a másikra feszültség van kapcsolva. A magas potenciálkülönbség következtében egy homogén elektromos mező jön létre. A fémlemezeket egy szigetelőanyagból készült gyűrű tartja össze (amely az ábrán nem látható és) melyen két lyuk található. Az egyik lyukon egy erős fényforrás világít át arra a területre, ahol az olajcseppek a két lemez között mozognak. A másik lyuknál egy mikroszkópot helyezünk el. Mérés leírása: A szerkezetet előkészítjük, a mikroszkópot beállítjuk, a fényforrást bekapcsoljuk, és felkészülünk a történelmi kísérlet elvégzésére. Befecskendezzük az olajcseppeket, a mikroszkópba belenézünk, kiválasztunk egy cseppet, és figyeljük a mozgását. Az olajcseppek visszaverik a fényt ezért fényes pontként látszanak a sötét térben. Ezeknek a pontoknak a mozgását vizsgáljuk. A mikroszkóp lencséjén egy osztott skála található, így leolvashatjuk a cseppek által adott idő alatt megtett utat, ezáltal ismerjük a mozgás sebességét. 1

A csepp mozgásának leírása: A mozgást erőtanilag vizsgáljuk. A mérés két szakaszra osztható. Az első szakaszban még nem aktiváljuk az elektromos mezőt, így a cseppek szabadon esnek a két lemez között. Az olajcseppeket most kiterjedt testekként vizsgáljuk, ezért a légellenállást és a felhajtóerőt is figyelembe vesszük. A közegellenállás miatt a cseppecskék mozgása, miután azok maximális sebességüket elérték, egyenletessé válik. A mozgás során fellépő erők: Ez a kép a mozgás két szakaszára jellemző erőket mutatja. Az ábra szerint az első szakaszban három erő befolyásolja a mozgást. A nehézségi, a közegellenállási, és a felhajtóerő. Ezek iránya is fel van tüntetve. A nehézségi erő (mg): Ez az erő a teljes mozgás során lefelé húzza az olajcseppet. A csepp tömegét a sűrűségének segítségével adjuk meg úgy, hogy azt gömb alakúnak tekintjük. F nehézségi = m g = ρ olaj V g ρ olaj =900 kg/m 3 valamint g = 9,80 m/s 2 F nehézségi= 900 kg/m 3 4/3 π R 3 A felhajtóerő (Ff ): Ez az erő a mozgás során végig ellentétes irányú a nehézségi erővel. Arkhimédész törvényének értelmében az erő nagysága az olajcsepp által kiszorított levegő súlyával egyezik meg. 2

Ff = ρ levegő V g =1,18 kg/m 3 4/3 π R 3 9,80 m/s 2 A légellenállás (F s): Ez az erő mindig a mozgás irányával ellentétes irányú, és lassú mozgás esetén egyenesen arányos annak sebességével. Ezen erő miatt válik a mozgás egyenletessé, miután a csepp elérte legnagyobb sebességét. Az ábra azért jelöli Fs el, mert a csepp a levegő részecskéivel súrlódik esés közben. Emiatt az ábra súrlódási erőnek jelöli. Ezt a fajta súrlódásos erőt a Stokes- törvény szerint számoljuk ki. F s=6 π η R v 1 és η=18,2 10-6 Pa s a levegő viszkozitása 25 0 C-on. A mikroszkóp lencséjén lévő skála segítségével mérjük le a csepp sebességét stopperrel. Azt tapasztaltuk, hogy 0,5 millimétert 15,5 másodperc alatt tett meg, tehát a sebessége 3,2 10-5 m/s volt. Az olajcsepp sugarának kiszámítása: F=0 F nehézségi =Fs + Ff ρ olaj V g = ρ levegő V g +6 π η R v 1 R 2 = (9 η v 1 )/(2 g ( ρ olaj ρ levegő )) R 2 = (9 18,2 10-6 Pa s 3,2 10-5 m/s)/(2 9.80 m/s 2 (900-1,18)kg/m 3 )= 2,999 10-13 m 2 R= 5,4766 10-7 m A második szakasz mérése akkor kezdődik, amikor megmértük, mennyi idő alatt tesz meg a csepp 0,5 millimétert (10 osztás). Ezután a kondenzátorlemezekre feszültséget kapcsolunk. Az ábra szerint az alsóra kapcsoljuk a negatívat, de az a fontos, hogy az alsó lemez töltése az olajcsepp töltésével azonos legyen (az olajcsepp akkor nyert töltést, amikor kifecskendeztük, és a cső falához dörzsölődött). Ekkor a taszítóerő hatására a cseppecske felfelé kezd el mozogni. A közegellenállás miatt ebben az esetben is gyorsan maximalizálódik a sebessége, és egyenletessé válik a mozgása. 3

Az erők ezután az előző oldalon lévő ábra jobb oldala szerint fejtik ki hatásukat. A nehézség erő és a felhajtóerő nagysága és iránya nem változott. A csepp most felfelé mozog, ezért ez az erő a nehézségi erővel egyirányú, vagyis a mozgással ellentétes irányú, de most is egyenletessé teszi a mozgást. Ennél a mozgásnál is le kell mérni a sebességét. Mi 0,5 mm megtételét 9,9 másodpercnek mértük. Vagyis v 2 =5,05 10-5 m/s. Az elektromos taszítóerő (Fe): Az alsó lemez és az olajcsepp azonos töltése miatt ez az erő felfele mozgatja a cseppet. A nagysága függ a lemezek távolságától (d) és a lemezek közötti potenciálkülönbségtől (U). Ezeket a megfelelő mérőeszközökkel lemérjük. Ezeket az adatokat kaptuk: U=174,5 V és d= 5,7mm Fe=E Q=Q (U/d) Az olajcsepp töltésének kiszámítása F=0 F nehézségi +Fs = Ff +Fe Fe =F nehézségi +Fs - Ff Q (U/d) =ρ olaj V g - ρ levegő V g +6 π η R v 2 Q= d R π (6 η v 2 + ρ olaj 4/3 R 2 g - ρ levegő 4/3 R 2 g)/u Q= 5,7 10-3 m 5,4766 10-7 m π (6 18,2 10-5 Pa s 5,05 10-5 m/s + 4/3 9,80 m/s 2 (5,4766 10-7 m) 2 (900-1,18)kg/m 3 )/174,5 V = 5,079 10-19 C Q = 5,079 10-19 C Egy másik olajcsepp esetén a kapott érték 3,2667 10-19 C. Kiértékelés: Az elemi töltés irodalmi értéke 1,6 10-19 C így a kapott értékek nagyságrendileg tökéletesen egyeznek. Millikan több száz mérést végzett, és minden alkalommal 1,6 10-19 C egész számú többszörösét kapta. A mi esetünkben a kapott érték nagyjából háromszorosa az elemi töltésnek. A mérés pontosságát befolyásoló tényezők: Fontos a helyes időmérés, melynek elhibázása mérési hibához vezethet. Nem mindegy, hogy az olaj melyik sűrűségi értékével számolunk. A kiválasztott csepp nem 4

mozgott teljesen a beosztott skála irányába, mozgása kicsit eltérült így a távolságmérés nem pontos. Az erők nagyságrendje: F nehézségi = ρ olaj V g = 900 kg/m 3 4/3 π (5,4766 10-7 ) 3 9,80m/s 2 = 6,06 10-15 N Ff =ρ levegő V g =1,18kg/m 3 4/3 π (5,4766 10-7 ) 3 9,80m/s 2 = 7,95 10-18 N (ezt elhanyagolhatnánk). F s = 6 π η R v 1 = 6 π 18,2 10-6 Pa s 3,2 10-5 m/s 5,4766 10-7 m= = 6 10-15 N (az első szakaszban) A második szakaszban: F s = 9,488 10-15 N. Fe = Q (U/d)= 5,079 10-19 C (174,5 V/5,7 10-3 m)= 1,55 10-14 N 5