關(guān)于密立根油滴實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的幾點(diǎn)思考

摘要：文章詳細(xì)的闡述了在密立根油滴實(shí)驗(yàn)的具體教學(xué)過(guò)程中容易出現(xiàn)的一些問(wèn)題及其應(yīng)對(duì)措施；并總結(jié)出幾點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)體會(huì)，以期對(duì)該實(shí)驗(yàn)的教學(xué)和改進(jìn)有一個(gè)較大的提高與幫助。

關(guān)鍵詞：元電荷油滴誤差

中圖分類(lèi)號(hào):G64文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)03(c)-0000-00

1 引言

元電荷的準(zhǔn)確測(cè)定在物理學(xué)及所有與之相關(guān)的自然科學(xué)、工程科學(xué)中均具有極其重大的意義。美國(guó)物理學(xué)家R.A.Milikan（密立根）經(jīng)過(guò)多年細(xì)致、系統(tǒng)的研究，其小組所做的測(cè)量微小油滴所帶電子電荷的實(shí)驗(yàn)，即通常所說(shuō)的油滴實(shí)驗(yàn)。由于其設(shè)計(jì)非常巧妙，設(shè)備及方法簡(jiǎn)單直觀，原理清晰易懂，而結(jié)論卻具有不容置疑的說(shuō)服力，堪稱(chēng)物理實(shí)驗(yàn)的典范；在物理學(xué)史上亦是十分著名的實(shí)驗(yàn)[1]。他采用了宏觀的力學(xué)模式來(lái)研究微觀世界的量子特性，其結(jié)果證明了電荷的不連續(xù)性和得到了基本的電子電荷的電量值，因其設(shè)計(jì)思想和方法十分具有啟發(fā)性而成為大學(xué)物理專(zhuān)業(yè)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的必選題目之一。經(jīng)過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)教學(xué)與指導(dǎo)，筆者發(fā)現(xiàn)學(xué)生在做密立根油滴實(shí)驗(yàn)過(guò)程中往往存在一些問(wèn)題，并對(duì)此有一些思考，希望通過(guò)深入分析其中幾個(gè)較為典型的問(wèn)題，旨在加深對(duì)該實(shí)驗(yàn)的理解與思考，提高教學(xué)質(zhì)量。

2 實(shí)驗(yàn)中的典型問(wèn)題及其應(yīng)對(duì)措施

（1）學(xué)生浮躁情緒的控制。現(xiàn)在處于一個(gè)信息極大豐富的時(shí)代，學(xué)生往往很難有一顆平靜的心來(lái)仔細(xì)認(rèn)真進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在具體實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，往往首先在選擇合適油滴并控制其運(yùn)動(dòng)環(huán)節(jié)就敗下陣來(lái)。如果耗時(shí)較長(zhǎng)，尋找多次均不能找到合適尺寸的油滴，或是雖然找到油滴卻無(wú)法進(jìn)行自如熟練的控制其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，這些情況反復(fù)出現(xiàn)多次之后，學(xué)生往往就會(huì)感到灰心喪氣，失望的感覺(jué)較為強(qiáng)烈，越來(lái)越?jīng)]有耐心，心浮氣躁的情緒就強(qiáng)烈的表現(xiàn)出來(lái)，嚴(yán)重的甚至放棄實(shí)驗(yàn)。針對(duì)這種情況，筆者經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的探索與實(shí)踐，通常采用如下做法：在介紹實(shí)驗(yàn)背景時(shí)，首先要講清楚實(shí)驗(yàn)的重大意義，使得學(xué)生認(rèn)識(shí)到完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)際意義。之后就重點(diǎn)介紹R.A.Milikan小組當(dāng)年完成該實(shí)驗(yàn)時(shí)的曲折過(guò)程及其走過(guò)的長(zhǎng)達(dá)11年的艱辛之路，并全面比較現(xiàn)在與當(dāng)時(shí)的實(shí)驗(yàn)條件，告訴學(xué)生提前一定要有心理準(zhǔn)備——找到合適的油滴并熟練控制其運(yùn)動(dòng)，并不是一件十分容易的事情，鼓勵(lì)他們一定要有耐心，恒心和毅力，不要輕言放棄。多年的實(shí)踐證明，當(dāng)提前講清楚這些難點(diǎn)之后，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的困難有了充足的心理準(zhǔn)備，在具體的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，即使失敗多次，也會(huì)越挫越勇，他們也能較好的控制自己的負(fù)面情緒，耐心的堅(jiān)持做完整個(gè)實(shí)驗(yàn)。

（2）重點(diǎn)分析實(shí)驗(yàn)中人為誤差因素。密立根油滴實(shí)驗(yàn)原理較為簡(jiǎn)單，學(xué)生通過(guò)預(yù)習(xí)即能非常明白，這一部分不用累述。對(duì)他們而言，該實(shí)驗(yàn)的困難之處在于具體操作過(guò)程中人為所引起的誤差的減小與分析。在該實(shí)驗(yàn)中人為誤差主要來(lái)自于以下幾個(gè)方面[2]：（一）時(shí)間記錄時(shí)產(chǎn)生的的誤差。在本實(shí)驗(yàn)中需要手動(dòng)來(lái)按計(jì)時(shí)器的起始與停止，學(xué)生反應(yīng)速度的個(gè)體差異，兩次視覺(jué)上的判斷和計(jì)時(shí)器本身的精度等方面將會(huì)產(chǎn)生不可避免的人為誤差。在本實(shí)驗(yàn)中需直接測(cè)量平衡電壓U和油滴勻速下降2mm距離所用時(shí)間t。從儀器上電壓表可直接讀出平衡電壓之值。一般情況下，測(cè)量t的方法如下：首先將已選擇好的油滴升至觀測(cè)屏幕的上方，之后去除平衡電壓，油滴開(kāi)始下落，在適當(dāng)時(shí)候開(kāi)始計(jì)時(shí)。當(dāng)油滴運(yùn)動(dòng)2mm距離后計(jì)時(shí)停止，隨即恢復(fù)平衡電壓，油滴靜止。此時(shí)第一個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程完成。之后可再扳向“提升”，讓油滴再次上升到觀測(cè)屏幕上方；重復(fù)上述過(guò)程進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)。當(dāng)從平衡擋打到下落擋時(shí)，有些型號(hào)的儀器計(jì)時(shí)器會(huì)自動(dòng)計(jì)時(shí)，而更多的儀器是不能自動(dòng)完成計(jì)時(shí)的，這就需要操作者雙手協(xié)調(diào)工作—用左手扳向下落擋，同時(shí)右手按下計(jì)時(shí)器的開(kāi)關(guān)。類(lèi)推，在計(jì)時(shí)結(jié)束的時(shí)候也需要在扳回平衡擋的同時(shí)要非常及時(shí)的按下計(jì)時(shí)器。這一操作步驟的準(zhǔn)確性人為因素比較大，完全取決于實(shí)驗(yàn)操作者的技巧。為了給操作者以充足的反應(yīng)時(shí)間并最大程度的消除該誤差，筆者建議將油滴的始發(fā)位置定于略高于平衡線，也就是說(shuō)使得油滴中心處于平衡線的稍上方。重復(fù)上述過(guò)程，對(duì)同一油滴進(jìn)行4～6次測(cè)量。這里需要特別提出的是每次進(jìn)行新的測(cè)量之前都有必要重新調(diào)節(jié)校正該油滴的平衡電壓。原因是操作者在調(diào)節(jié)平衡電壓時(shí)，不一定能保證調(diào)節(jié)得十分精確，或多或少均會(huì)產(chǎn)生一些誤差，故筆者建議每次在油滴下落前最好重新進(jìn)行平衡電壓的仔細(xì)調(diào)節(jié)，最后實(shí)驗(yàn)結(jié)束取它們的平均值就會(huì)很大程度上減小此類(lèi)誤差。（二）油滴影像觀察產(chǎn)生的誤差。本實(shí)驗(yàn)采用CCD成像方法，在監(jiān)視器上觀察測(cè)量觀察微小油滴的運(yùn)動(dòng)。該方法對(duì)傳統(tǒng)的顯微鏡觀測(cè)法有不少提高，避免了學(xué)生長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)所引起的眼睛疲勞。另外在監(jiān)視器中測(cè)量結(jié)果也比用讀數(shù)顯微鏡測(cè)量的準(zhǔn)確度高。但是筆者在長(zhǎng)期的教學(xué)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，學(xué)生在觀察油滴時(shí)經(jīng)常并沒(méi)有完全聚焦好油滴，使得油滴的影像不是最細(xì)銳最明亮的狀態(tài)的情況下就進(jìn)行測(cè)量，這樣往往使油滴的影像比實(shí)際要大，造成最終測(cè)量的距離和時(shí)間存在較大誤差。此類(lèi)誤差應(yīng)該通過(guò)重視顯微鏡的調(diào)焦步驟來(lái)避免或減小：采用將細(xì)銅絲（或頭發(fā)絲）插入電容器內(nèi)，仔細(xì)調(diào)節(jié)調(diào)焦手輪，直至顯示器中觀察到細(xì)銳明亮的像。（三）合適油滴的選取。在該實(shí)驗(yàn)中油滴選取的恰當(dāng)與否是影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的一個(gè)重要因素。在具體練習(xí)油滴下落控制的過(guò)程中，一般在平行極板上加電壓200~300伏左右，首先將工作電壓選擇開(kāi)關(guān)置于“平衡”檔，目的是排除大部分不需要的油滴，直到僅剩下做緩慢運(yùn)動(dòng)的幾粒為止。此時(shí)再把注意力集中在其中的一顆上，仔細(xì)認(rèn)真調(diào)節(jié)平衡電壓，使得這粒油滴達(dá)到靜止不動(dòng)的平衡狀態(tài)。之后去掉平衡電壓，使其自由下降，下降一段距離后再加上“提升”電壓，使油滴再上升。如此反復(fù)多次進(jìn)行該過(guò)程的練習(xí)，直到達(dá)到熟練控制油滴運(yùn)動(dòng)為止。需要特別提出的是選擇的油滴不能太大，太大的油滴雖然較亮且目標(biāo)明確，但其帶電量比較多，下降速度較快，時(shí)間不容易測(cè)準(zhǔn)確。也會(huì)引起較大的誤差；太小的油滴布朗運(yùn)動(dòng)明顯。故選取所測(cè)油滴時(shí)應(yīng)該綜合考慮油滴的下落時(shí)間和平衡電壓等因素，并結(jié)合實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作方面相關(guān)誤差的分析，應(yīng)當(dāng)選擇帶電荷數(shù)較小的油滴，油滴下落時(shí)間選在18 s～35s范圍內(nèi)，平衡電壓應(yīng)大于 200 V，這樣有利于減少誤差。

3 結(jié)語(yǔ)

教學(xué)實(shí)踐證明，在本實(shí)驗(yàn)中，除了遵循常規(guī)的操作程序外，按照文中所提的問(wèn)題及相應(yīng)有針對(duì)性的解決方案進(jìn)行操作，降低了人為不確定度和實(shí)驗(yàn)誤差，進(jìn)一步規(guī)范了操作程序，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行時(shí)間明顯縮短，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度也得到了極大地提高，有效提高了實(shí)驗(yàn)的成功率。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧德馨.油滴實(shí)驗(yàn)和偏倚期盼現(xiàn)象，大學(xué)物理，2011，30（1）：13-18.

[2] 姚曉菊，劉延君，王春妮.對(duì)密立根油滴實(shí)驗(yàn)的測(cè)量方法改進(jìn)，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2011，24（3）：45-46.