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密立根油滴实验是二十世纪初最重要的物理实验之一。这个实验巧妙地利用带电油滴在电场和重力场中的平衡，成功测定了基本电荷量，并证明了电荷的量子化性质。实验装置主要包括平行金属板、喷雾器、显微镜、光源和可调电源。
实验开始时，喷雾器将油喷成极其微小的油滴。这些油滴在喷射过程中由于摩擦而带上电荷，通常是负电荷。带电的油滴通过上金属板的小孔进入两板之间的观察区域。在显微镜下，我们可以清楚地观察到这些微小油滴的运动轨迹。
当我们给平行金属板加上电压时，板间产生均匀的电场。带负电的油滴受到向上的电场力和向下的重力作用。通过精确调节电压，我们可以让电场力恰好等于重力，使油滴悬浮在空中静止不动。此时电场力等于重力，即q乘以E等于m乘以g。
密立根对数百个油滴进行了精确测量，发现了一个惊人的规律：所有油滴的电荷量都不是任意值，而是某个最小电荷量的整数倍。这个最小电荷量就是基本电荷e，约等于1.602乘以10的负19次方库仑。这一发现证明了电荷是量子化的，即电荷不能无限分割，而是以基本电荷为单位存在的。
密立根油滴实验具有重大的科学意义。它首次精确测定了基本电荷量的数值，证明了电荷的量子化性质，为原子结构理论提供了重要的实验依据，奠定了现代物理学的基础。密立根也因为这一杰出贡献获得了1923年的诺贝尔物理学奖。这个实验至今仍被认为是物理学史上最精妙的实验之一。