以密立根油滴實驗為背景的高考物理試題鑒析

許文

密立根油滴實驗是利用帶電油滴在電場和重力場中運動進行實驗觀測的，證明了任何帶電體所帶的電荷都是某一最小電荷，即基本電荷的整數倍;明確了電荷量的不連續性;精確地測定了基本電荷量的值;揭示了電子的量子本性．密立根因此獲得了１９２３年的諾貝爾物理學獎．

１ 實驗概述

如圖１所示為密立根油滴實驗的基本裝置，它主要由噴霧器、油滴室、電源、兩金屬板（電容器）、觀察顯微鏡與照明系統等組成．

在下面的兩金屬板間接電源，兩板間就存在勻強電場;從噴霧器噴出的霧狀油滴由于摩擦、吸收空氣中的帶電塵埃等原因會帶上電荷．帶電油滴從上面金屬板中間的小孔進入兩金屬板間，在不加電場的情況下，油滴受重力作用而降落，當重力與空氣的浮力和粘滯阻力平衡時，它便勻速下降;改變電源的電壓與電源極性，可以改變勻強電場的場強大小與方向;通過調節勻強電場的場強大小與方向，可使油滴在重力、電場力、空氣的浮力與空氣的粘滯阻力等作用下最終做勻速運動;觀察顯微鏡帶有刻度分劃板，便于讀出油滴運動的距離，配合計時停表，可測定油滴運動速度．油滴受到空氣的粘滯阻力大小一般與其運動的速度大小有關．

該裝置設計巧妙、簡單，且可測性與可操作性強，解決了物理中較復雜的問題，因此該實驗被評為物理學發展史上十大經典實驗之一．該實驗在近幾年新高考物理試題中出現頻率較高．本文鑒析幾道以該實驗為背景的高考物理試題，重溫這一經典實驗，感受經典實驗的魅力．

２ 試題鑒析

試題１ （２０２２年湖北卷）密立根油滴實驗裝置如圖２所示，兩塊水平放置的金屬板分別與電源的正負極相接，板間產生勻強電場．用一個噴霧器把密度相同的許多油滴從上板中間的小孔噴入電場，油滴從噴口噴出時由于摩擦而帶電．金屬板間電勢差為U 時，電荷量為q、半徑為r 的球狀油滴在板間保持靜止．若僅將金屬板間電勢差調整為２U ，則在板間能保持靜止的球狀油滴所帶電荷量和半徑可以為（）．

【教學啟示】本題以密立根油滴實驗為情境，是２０２２年廣東卷物理壓軸題．通過對該題的分析與求解，進一步讓學生理解油滴法測量電子的電荷量，有靜態平衡法和動態測量法兩種方法．實驗可以對同一個油滴進行觀察和測量，也可以對多個油滴同時進行觀察和測量．油滴最終做勻速運動的速度是實驗觀察和測量的核心．該題與例２相比，物理情境和思維內核完全相同，均給定了油滴受到空氣阻力的大小的影響因素，只是影響因素略有不同．從命題角度來看，這里揭示了一種改編試題的方法，即對所給的關鍵條件進行適當合理的改變．從高考備考角度來看，高考真題才是經典中的經典，研做高考真題，以高考題為橋梁注重教材研讀，注重知識網絡建構和深度學習，才是備考的上策．

總之，密立根油滴實驗是物理學發展史上的一個經典實驗．新高考理念下的高考物理試題，以該實驗為情境，從不同角度命制相關試題，融合受力分析、力的平衡、電場力做功與電勢能變化、動量與能量等相關物理知識，研究對象可以是單個油滴，也可以是多個油滴;運動過程可以是單一的，也可以是往返多過程的;題型既可以是選擇題，也可是計算題，甚至是整卷的壓軸題．試題通過對該實驗進行改編，引導學生關注物理學史，重視對物理基本概念、基本規律、基本思想及研究方法的理解，認識經典實驗的人文價值，關注這些科學家發現物理概念和規律的歷史背景、研究過程及相關實驗的思想與方法，強調動手實踐能力和創新能力，啟發我們在生活中要學以致用，養成利用身邊的事物巧妙設計實驗、探究物理規律的習慣，在學習物理知識的過程中培養科學精神和科學素養，重視創新精神及實踐能力．