物理學史在大學物理實驗中的應用

胡瑋通

摘 要：隨著大學物理實驗的不斷改革和發展，物理學史的作用突顯。但在實際教學中往往因為教學設計時間分配等原因沒有深入挖掘總結性概括，很難讓學生體會到物理學史的重要性。因此，筆者在查閱了大量物理書籍后，總結出密立根油滴實驗的物理學史，并創造性的利用“時間抽”教學方式將其應用到課堂講授中，起到了很好的教學效果。

關鍵詞：物理學史;大學物理實驗;密立根油滴實驗

1引言

大學物理實驗是學生進入大學后，接受系統實驗方法和實驗技能訓練的開端，對提高學生的動手能力，培養學生的科學素質起到了重要作用。隨著大學物理實驗改革的不斷深入，物理學史的地位逐漸顯現，但由于受課堂時間的限制，很多物理學史教師在教授時作為引課只進行總結性的概括，無法深入的展開，剖析其所蘊含的物理思想、設計思想、發展歷史、人文精神等，學生也無法感受到物理學史在整個學習過程中的重要性，往往就忽視對此部分的學習。而且此部分的講授通常與后面的實驗原理存在脫節的現象，不能融入其中，無法充分調動學生學習的興趣，只知其然不知其所以然。因此，為了將物理學史這份寶貴的資源充分利用，最大化地將其融入到實際教學中，筆者通過多年的實踐總結出了“時間軸”教學方法，即按物理概念和規律發展的年代，代表人物所做出的貢獻遇到的問題等用講故事的方式逐步展開，并充分融入到實驗原理中。下面詳細介紹一下此方法在密立根油滴實驗中的應用。

2應用

密立根油滴實驗堪稱是物理實驗的楷模。它采用了經典力學的方法，證明了任何帶電體所帶電量都是不連續的，而是某一數值的整數倍，這一特殊的電荷量實際上就是基本電荷值?？茖W家為了測量這個基本電荷值做了大量科學實驗探索工作，從研究電子開始逐步發展。電子是人類所認識的第一個基本粒子。1897年英國物理學家湯姆孫發現了電子的存在并測定出荷值比，而電子電荷值是多少無法用直接測量法得到，因此科學家們采用的是間接測量的方法，哪間接測量的話需要測量那些物理量呢？經過研究只需要測量的是某一帶電體所帶的電量q，那某一帶電體選擇什么作為電量的載體合適呢？又利用了什么測量方法呢？1898年湯姆孫的“膨脹云室法”，1903年湯姆孫的學生威爾遜的“水平極板法”，這兩位科學家所使用的帶電體是由X射線電離的云霧，1909年3月密立根重復了威爾遜的“水平極板法”實驗，并進行了兩點改進。一是將電離劑由X射線改變為鐳，二是為了防止云霧頂端的蒸發，密立根將水平極板的電壓加到1萬伏以上，當合上電閘的那一瞬間，奇跡發生了，云霧散開了，在極板間只留下了幾顆帶有合適電量的水滴，密立根以其敏銳的科學判斷力抓住了這一現象，將帶電體改為水滴。同年8月密立根受邀參加由英國科學促進會在加拿大舉行的年會，當時數學物理分會的主席正是赫赫有名的盧瑟福，盧瑟?？隙嗣芰⒏呢暙I，并建議他一定要努力防止水滴的蒸發。同時，科學家拉曼建議密立根注意斯托克斯定律的有效性。密立根參加完會議以后，倍受鼓勵，信心大增，在從加拿大回到芝加哥的火車上，密立根遙望著窗外，靈感上身，自言自語道“我好笨呀！為什么不使用鐘表油呢，它幾乎是不會蒸發的呀！回到芝加哥大學以后，他立刻和他的學生雷切爾開始使用油滴的實驗，利用實驗數據經過計算后，他發現e值會隨著油滴的減小而增大，他認為產生這一謬誤的原因就是油滴的半徑太小了，已經可以和空氣的間隙相比擬，此時空氣已經不能看成是連續的介質了，因此密立根第三次對斯托克斯定律進行了修正，最終得到了滿意的測量結果。利用“時間軸”的教學方法學生對整個歷史的發展清楚明了，學習熱情也被充分帶動，非常自然的就和后面的實驗原理及實驗儀器的設計思想部分緊密地聯系起來。學生普遍感到受益匪淺，以史為鑒，使其知其然更知所以然，創造力被充分激發，而且也體會到了科學家身上那種不畏艱難險阻一直向前的精神，發現問題、分析問題、解決問題的科學素養。這是一位學員上完本次課后寫下來的一段話“對于本次實驗課我收獲很多，特別是物理學史的部分，解決了困擾我多年的疑惑，比如最早的帶電體竟然是被電離的云霧。同時我要成為實干家，而不是成為只說不干的思想家，用思想和雙手去創造。謝謝教員的提醒，最后感謝教員的耐心指導”。

3.總結

通過密立根油滴實驗，可以明顯的感受到物理學史的重要性，學生對于物理學史的興趣。而且利用“時間軸”的教學方式符合思維過程，很容易和后續環節銜接，相互連通。在有限的課堂時間內使學生以史出發，以年代為軸，一針一針連線，將發現問題、分析問題、解決問題貫穿其中，培養了學生的科學實驗素養，并使學生體會到了科學發展的不易及科學家身上的科學實驗精神，對培養學生的情感態度價值觀等都起到了積極的促進作用。

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（作者單位：空軍航空大學航空基礎學院基礎部，吉林 長春130022）