实验装置

  密立根的原本的油滴实验设备, 大约1909-1910年。

密立根设置了一个均匀电场，方法是将两块金属板以水平方式平行排列，作为两极，两极之间可产生相当大的电位差。金属板上有四个小洞，其中三个是用来将光线射入装置中，另外一个则设有一部显微镜，用以观测实验。喷入平板中的油滴可经由控制电场来改变位置。

为了避免油滴因为光线照射蒸发而使误差增加，此实验使用蒸气压较低的油。其中少数的油滴在喷入平板之前，因为与喷嘴摩擦而获得电荷，成为实验对象。

实验与原理

  油滴实验简图。

在此实验中，油滴的运动方向共受四个力量影响：

空气阻力（向上）

重力（向下）

浮力（向上）

电场力（向上）

首先喷入的油滴会因为电场尚未开启而下坠（以重力加速度），并很快的因为与空气的摩擦而到达终端速度（等速下墬）。接着开启电场，假如此电场强度够强（或称电场力，FE），那么将会使部分具有电荷的油滴开始上升。之后选出一个容易观察的油滴，利用电压的调整使油滴固定于电场中央，并使其他油滴坠落。接下来的实验将只针对此一油滴进行。

然后关闭电场使油滴下降，并计算油滴在下墬时终端速度v1，再根据斯托克斯定律（Stokes" Law）算出油滴所受的空气阻力：

重量W（重力）等于体积V乘上密度ρ，且由于使油滴下降的力量为重力，因此下墬加速度为g。假设油滴为完美球型，则重力W可写成

不过若要获得较为精确的数值，则重量必须减去空气对油滴造成的浮力（等于和油滴相等体积的空气重量）。假设油滴为完美球型，则浮力B可写成

上两式合并如下：

到达终端速度时加速度为零（等速下降），此时作用于油滴的合力为零，使F与W-B互相抵销，也就是 F = W − − --> B {\displaystyle F=W-B} ，由此可得：

一旦求得r（太小以致无法直接测量），则W也可算出。

再来将电场重新开启，此时作用于油滴的电场力为

平行板状电极产生的电场则可以下式求得：

若以较为直截了当的方法，q可经由调整V使油滴固定，再由FE = W - B算出：

不过这种方法实际上难以实行。因此也可使用较容易操作的方式：稍微再将电压V向上调升，让油滴上升并得到一个新的终端速度v2，再从下式中得到q：

黏滞系数的修正

密立根当时的实验所算出的q与油滴大小有关，这是因为若是油滴太小，以致于和空气粒子的大小差距不大时，斯托克斯定律将不适用。因此此实验更精确的黏滞系数η" 应该修正为下式：

实验的瑕疵

理查·费曼曾经在1974年，于加州理工学院的一场毕业典礼演说中叙述“草包族科学”（Cargo cult science）时提到：

密立根油滴实验60年后，史学家发现，密立根一共向外公布了58次观测数据，而他本人一共做过140次观测。他在实验中通过预先估测，去掉了那些他认为有偏差，误差大的数据。

延伸阅读

Seyway, Raymond A.; Faughn, Jerry S. Holt: Physics. Holt, Rinehart and Winston. 2006. ISBN 978-0-03-073548-6. 

Thornton, Stephen T.; Rex, Andrew. Modern Physics for Scientists and Engineers (3rd ed.). Brooks/Cole. 2006. ISBN 978-0-495-12514-3. 

Serway, Raymond A.; Jewett, John W. Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). Brooks/Cole. 2004. ISBN 978-0-534-40842-8. 

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