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“APLICACIÓN DE SOFTWARE EN LA ENSEÑANZA DE QUÍMICA” ACTIVIDAD # 4 Experimento de la gota de aceite de Millikan

INTRODUCCION Con el experimento del tubo de rayos catódicos de Thomson se descubrió que se puede emplear la desviación de un haz de electrones en un campo eléctrico y magnético para pedir la relación carga/masa (q/m e) de un electrón. Si ahora usted deseara saber la carga o la masa del electrón, sería necesario medir una u otra de estas cantidades de forma independiente. En 1909, Robert Millikan y su discípulo Harvey Fletcher demostraron que podían producir gotas de aceite muy pequeñas y depositar electrones sobre ellas (de 1 a 10 electrones por gota). Después, midieron la carga total de las gotas de aceite desviando dichas gotas con un campo eléctrico. Usted tendrá la oportunidad de repetir sus experimentos y, empleando los resultados de la tarea de Thomson, podrá calcular experimentalmente la masa de un electrón.

INSTRUCCIONES 1. Inicie el VIRTUAL LAB y de doble click sobre el WORKBOOK que se encuentra sobre la mesa.

2. Ubique el experimento 1-2 Millikan Oil Drop Experiment (Experimento de la gota de aceite de Millikan) en la lista de tareas. Se abrirá en Quantum Laboratory (laboratorio de cuántica).

3. ¿Cuál es el propósito de usar un cañón de electrones de este experimento?

¿Cómo afecta esta fuente a las gotitas de aceite en la cámara de aspersión de gotas?

4. El detector en este experimento es una cámara de video con ocular microscópico para observar las gotitas de aceite. Seleccione el interruptor de On/off (luz roja/luz verde) para encender la cámara de video.

Elaboro: MC. Jesús Pérez Arcos

¿Qué observa en la pantalla de la cámara de video?

¿Caen todas las gotas de aceite a la misma velocidad?

¿Qué fuerza provoca que las gotas caigan?

Las gotas de aceite caen a su velocidad terminal, que es la velocidad máxima posible debida a fuerzas de fricción como la resistencia del aire. La velocidad terminal una función del radio de la gota. Al medir la velocidad terminal (Vt) de una gota, se puede calcular su radio y la densidad del aceite. Después se puede calcular la masa la masa ( m) de la gota a partir de su

radio y la densidad del aceite. Al conocer la masa de la gota de aceite, se puede calcular la carga (q) sobre la gota. IMPORTANTE: lea las instrucciones 5 y 6 antes de comenzar el procedimiento para el paso 5. 5. Mida la velocidad terminal de la gota. Identifique una pequeña cerca

de la parte superior de la ventana que este cayendo cerca de la escala central y haga clic en el botón Show Motion (movimiento lento) de la cámara de video. Aguarde hasta que la gota llegue a una marca e inicie el cronometro. Permita que la gota descienda por lo menos dos marcas más y detenga el cronometro. No permita que la gota caiga hasta el final del campo visual. Cada marca equivale a 0.125 mm. Anote la distancia y el tiempo en la tabla de datos de la siguiente página. 6. Mida el voltaje necesario para detener la caída de la gota. Una vez

medida la velocidad Terminal, será necesario que detenga la caída de la gota aplicando un campo eléctrico entre dos placas de voltaje. Esto se hace dando clic sobre los botones en la parte superior o inferior del control eléctrico hasta que el voltaje se ajuste de modo que la gota deje de caer. Debe hacerse con movimiento lento. Cuando la gota parezca detenerse, apague el movimiento lento y realice algunos ajustes finales, hasta que la gota no se mueva durante un minuto por lo menos. Anote el voltaje, V, indicando el controlador de voltaje.

Elaboro: MC. Jesús Pérez Arcos

Complete el experimento para tres gotas y anote sus mediciones en la tabla de datos. Tabla de datos gota

Voltaje volts)

(V,

en Tiempo(t, segundos)

en Distancia metros)

(d,

en

1 2 3

El Experimento de la gota de Millikan es un clásico por la simplicidad del aparato experimental y completo del análisis de datos. Los siguientes cálculos permiten reducir ecuaciones muy complejas a otras más sencillas combinando varios parámetros en una sola constante. Millikan y Fletcher tomaron en cuenta la fuerza de gravedad, la fuerza del campo eléctrico, la densidad del aceite, la viscosidad del aceite y la presión atmosférica. 7. Calcule la velocidad terminal y anote el valor. Calcule la velocidad terminal, vt, en unidades m°s-1 usando esta ecuación:

Vt= d/t, donde es la distancia que la gota cae en metros y t es el tiempo transcurrido en segundos. No olvide que la escala en el campo visual se encuentra e mm (1000 mm= 1 m).

Cada una de las ecuaciones de las instrucciones 7 a 10 se muestra con o sin unidades. Le sera mas fácil usar la ecuación sin unidades en sus cálculos 8. Calcule el radio (r) de la gota y anote el valor. Con la velocidad terminal, podrá calcular el radio, en m, de la gota usando la siguiente ecuación: r=

(9.0407x10-5 m1/2°s1/2).

unidades)

Elaboro: MC. Jesús Pérez Arcos

Vt=

(9.0407x10-5

vt,

sin

9.

calcule la masa de la gota y anote el valor. Puede usar la respuesta del #7 para el radio (r) con el fin de calcular la masa de la gota conociendo la densidad del aceite. La ecuación final para calcular la masa, en Kg, es

m= V

aceite

.

p

aceite

=4 /3

.. r3

82 1kg

.

m-3

(3439.0 kg.m-3).r3 unidades) r=

=

(343.0.r3, sin

10.Como aplico un voltaje a través del campo eléctrico para detener la caída de la gota de aceite, las fuerzas ejercidas sobre la gota deben haberse balanceado; es decir, la fuerza de la gravedad debe ser igual a la fuerza del campo eléctrico que actúa sobre los electrones pegados a la gota:

qE=mg. Calcule la carga total (Q usando la ecuación:

Qtot = Q(n)

tot)

en la gota de aceite debida a los electrones

. e = (9.810x10-2 C.kg-1.J-1)

.

m/V= (9.81x10-2m/V, sin

unidades) Donde Q(n) es el número de electrones en la gota, e es la carga eléctrica fundamental de un electrón, m es la masa calculada en el #8 y V es el voltaje. Esta respuesta nos dará la carga total sobre la gota (Qtot). La carga eléctrica fundamental de un electrón (e) es 1.6x10-19 C (coulombs). Divida la carga total (Qtot) entre e y redondee su respuesta al número entero más cercano. Este es el número de electrones (Q(n)) que estaban adheridos a la gota. Ahora divida la carga total de (Qtot) entre Q(n) y obtendrá el valor experimental para la carga de un electrón.

Elaboro: MC. Jesús Pérez Arcos

11.Complete el experimento y los cálculos para por lo menos resuma sus resultados en la tabla de resultados.

tres gotas y

Tabla de resultados Gota #

Velocidad Radio terminal (v en (r, en m/s) metro s)

Masa (m, en kilogramos )

Carga total de la gota (Qtot en coloumbs)

Carga de un electrón (C)

1 2 3

12.Obtenga el promedio de sus resultados para la carga de un electrón. Calcule el error porcentual como sigue:

% error= |su respuesta – 1.6 x 10-19| x 100 1.6 x 10-19 ¿Cuál es la carga obtenida para un electrón?

¿Cuál fue su error porcentual?

13.Recordara que en el experimento de Thomson no pudo calcular la relación carga/masa (q/me) como 1.7 x 10 11. Empleado este valor para la relación q/me y su carga promedio para un electrón, calcule la masa de un electrón en kg.

¿Cuál es el valor obtenido para la masa de un electrón en kg?

Elaboro: MC. Jesús Pérez Arcos