關于密立根油滴實驗教學中的幾點思考

摘要：文章詳細的闡述了在密立根油滴實驗的具體教學過程中容易出現的一些問題及其應對措施；并總結出幾點經驗體會，以期對該實驗的教學和改進有一個較大的提高與幫助。

關鍵詞：元電荷油滴誤差

中圖分類號:G64文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(c)-0000-00

1 引言

元電荷的準確測定在物理學及所有與之相關的自然科學、工程科學中均具有極其重大的意義。美國物理學家R.A.Milikan（密立根）經過多年細致、系統的研究，其小組所做的測量微小油滴所帶電子電荷的實驗，即通常所說的油滴實驗。由于其設計非常巧妙，設備及方法簡單直觀，原理清晰易懂，而結論卻具有不容置疑的說服力，堪稱物理實驗的典范；在物理學史上亦是十分著名的實驗[1]。他采用了宏觀的力學模式來研究微觀世界的量子特性，其結果證明了電荷的不連續性和得到了基本的電子電荷的電量值，因其設計思想和方法十分具有啟發性而成為大學物理專業學生實驗的必選題目之一。經過多年的實驗教學與指導，筆者發現學生在做密立根油滴實驗過程中往往存在一些問題，并對此有一些思考，希望通過深入分析其中幾個較為典型的問題，旨在加深對該實驗的理解與思考，提高教學質量。

2 實驗中的典型問題及其應對措施

（1）學生浮躁情緒的控制。現在處于一個信息極大豐富的時代，學生往往很難有一顆平靜的心來仔細認真進行實驗。在具體實驗過程中，往往首先在選擇合適油滴并控制其運動環節就敗下陣來。如果耗時較長，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法進行自如熟練的控制其運動狀態，這些情況反復出現多次之后，學生往往就會感到灰心喪氣，失望的感覺較為強烈，越來越沒有耐心，心浮氣躁的情緒就強烈的表現出來，嚴重的甚至放棄實驗。針對這種情況，筆者經過長時間的探索與實踐，通常采用如下做法：在介紹實驗背景時，首先要講清楚實驗的重大意義，使得學生認識到完成這個實驗的實際意義。之后就重點介紹R.A.Milikan小組當年完成該實驗時的曲折過程及其走過的長達11年的艱辛之路，并全面比較現在與當時的實驗條件，告訴學生提前一定要有心理準備——找到合適的油滴并熟練控制其運動，并不是一件十分容易的事情，鼓勵他們一定要有耐心，恒心和毅力，不要輕言放棄。多年的實踐證明，當提前講清楚這些難點之后，學生對實驗的困難有了充足的心理準備，在具體的實驗操作過程中，即使失敗多次，也會越挫越勇，他們也能較好的控制自己的負面情緒，耐心的堅持做完整個實驗。

（2）重點分析實驗中人為誤差因素。密立根油滴實驗原理較為簡單，學生通過預習即能非常明白，這一部分不用累述。對他們而言，該實驗的困難之處在于具體操作過程中人為所引起的誤差的減小與分析。在該實驗中人為誤差主要來自于以下幾個方面[2]：（一）時間記錄時產生的的誤差。在本實驗中需要手動來按計時器的起始與停止，學生反應速度的個體差異，兩次視覺上的判斷和計時器本身的精度等方面將會產生不可避免的人為誤差。在本實驗中需直接測量平衡電壓U和油滴勻速下降2mm距離所用時間t。從儀器上電壓表可直接讀出平衡電壓之值。一般情況下，測量t的方法如下：首先將已選擇好的油滴升至觀測屏幕的上方，之后去除平衡電壓，油滴開始下落，在適當時候開始計時。當油滴運動2mm距離后計時停止，隨即恢復平衡電壓，油滴靜止。此時第一個實驗過程完成。之后可再扳向“提升”，讓油滴再次上升到觀測屏幕上方；重復上述過程進行多次實驗。當從平衡擋打到下落擋時，有些型號的儀器計時器會自動計時，而更多的儀器是不能自動完成計時的，這就需要操作者雙手協調工作—用左手扳向下落擋，同時右手按下計時器的開關。類推，在計時結束的時候也需要在扳回平衡擋的同時要非常及時的按下計時器。這一操作步驟的準確性人為因素比較大，完全取決于實驗操作者的技巧。為了給操作者以充足的反應時間并最大程度的消除該誤差，筆者建議將油滴的始發位置定于略高于平衡線，也就是說使得油滴中心處于平衡線的稍上方。重復上述過程，對同一油滴進行4～6次測量。這里需要特別提出的是每次進行新的測量之前都有必要重新調節校正該油滴的平衡電壓。原因是操作者在調節平衡電壓時，不一定能保證調節得十分精確，或多或少均會產生一些誤差，故筆者建議每次在油滴下落前最好重新進行平衡電壓的仔細調節，最后實驗結束取它們的平均值就會很大程度上減小此類誤差。（二）油滴影像觀察產生的誤差。本實驗采用CCD成像方法，在監視器上觀察測量觀察微小油滴的運動。該方法對傳統的顯微鏡觀測法有不少提高，避免了學生長時間觀測所引起的眼睛疲勞。另外在監視器中測量結果也比用讀數顯微鏡測量的準確度高。但是筆者在長期的教學過程中發現，學生在觀察油滴時經常并沒有完全聚焦好油滴，使得油滴的影像不是最細銳最明亮的狀態的情況下就進行測量，這樣往往使油滴的影像比實際要大，造成最終測量的距離和時間存在較大誤差。此類誤差應該通過重視顯微鏡的調焦步驟來避免或減小：采用將細銅絲（或頭發絲）插入電容器內，仔細調節調焦手輪，直至顯示器中觀察到細銳明亮的像。（三）合適油滴的選取。在該實驗中油滴選取的恰當與否是影響實驗結果的一個重要因素。在具體練習油滴下落控制的過程中，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關置于“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動的幾粒為止。此時再把注意力集中在其中的一顆上，仔細認真調節平衡電壓，使得這粒油滴達到靜止不動的平衡狀態。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。如此反復多次進行該過程的練習，直到達到熟練控制油滴運動為止。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明確，但其帶電量比較多，下降速度較快，時間不容易測準確。也會引起較大的誤差；太小的油滴布朗運動明顯。故選取所測油滴時應該綜合考慮油滴的下落時間和平衡電壓等因素，并結合實際實驗操作方面相關誤差的分析，應當選擇帶電荷數較小的油滴，油滴下落時間選在18 s～35s范圍內，平衡電壓應大于 200 V，這樣有利于減少誤差。

3 結語

教學實踐證明，在本實驗中，除了遵循常規的操作程序外，按照文中所提的問題及相應有針對性的解決方案進行操作，降低了人為不確定度和實驗誤差，進一步規范了操作程序，實驗進行時間明顯縮短，數據的準確度也得到了極大地提高，有效提高了實驗的成功率。

參考文獻

[1] 盧德馨.油滴實驗和偏倚期盼現象，大學物理，2011，30（1）：13-18.

[2] 姚曉菊，劉延君，王春妮.對密立根油滴實驗的測量方法改進，大學物理實驗，2011，24（3）：45-46.