密立根油滴實驗中若干問題的討論

穆松梅　劉揚　王洋洋

摘 要： 影響密立根油滴實驗結果的因素很多，實驗中要注意容易產生誤差及影響實驗效果的環節，針對這些重要的環節采取合理有效的方法，以確保實驗成功。

關鍵詞： 物理教學 密立根油滴實驗 若干問題

一、引言

密立根油滴實驗是物理學上的經典實驗之一，其縝密的設計思想一直為后人所稱頌，給代代學子帶來思維上的啟迪，影響他們科學觀的形成。雖然歷經了近一百年，但至今這個實驗仍被眾多高校列為大學物理實驗的必做項目。

密立根油滴實驗最終是對于基本電荷電量的確定。對于微觀量的測量，其精確性一直是一個比較難于解決的問題，某一個環節稍有不慎，就會導致實現的失敗，容易造成失之毫厘謬以千里的局面。筆者結合教學實踐，就密立根油滴實驗中容易出現問題的一些環節提出自己的見解。

二、對實驗中某些環節的討論

1.初步選擇油滴的方法和原則

這個實驗的成敗，油滴的選擇是一個很重要的因素。實驗中要注意選擇那些大小合適、帶電量合適的油滴，太大的油滴下落速度很快，無法準確測量油滴下落的時間，因此而造成誤差，同時大的油滴帶電量也會比較多，無法用相應的方法處理數據。太小的油滴布朗運動會比較明顯，油滴易受外界環境的影響，也容易引起較大的誤差。選擇油滴時，可首先從顯微鏡中觀察油滴，選擇那些大小中等、亮度中等的油滴，但并不是這樣的油滴就一定是合格的，需要進一步對油滴的運動速度和平衡電壓作初步判斷，有資料顯示[1]，當平衡電壓U、油滴勻速下落一段距離所用時間值t趨中時，同時油滴上所帶電量q或者油滴上帶的電荷數n趨小的方向，使實驗結果的數據更趨于真實的方向。所以，初選油滴時，可粗調一下油滴的平衡電壓，電壓介于200V～400V之間比較合適。同時初步預測一下油滴勻速下落一段距離所用的時間，如油滴在電場中勻速下降2mm所用的時間在10s～30s之間比較合適。一般來說，這樣的油滴帶電量比較合適，產生的誤差相對較小。

2.控制各測量量引起的人為誤差

容易引起測量誤差的，主要是平衡電壓U和油滴勻速下落一段距離所用的時間t。由于平衡電壓是手動調節、肉眼觀測的一個量，對于平衡狀態的判斷難免會出現一些人為的偏差，所以在實驗中應格外注意。調節平衡電壓時，應將油滴控制在一條橫格線上，仔細調節電壓，耐心觀察，直至油滴能較長時間地平衡在此刻線上，或能在刻線上下做等幅振動，在長時間內部偏離此刻線向一個方向運動，才可以認為平衡電壓確定。對于下落時間的測定，因為是手動計時，要靠肉眼觀測油滴的起始和終了位置，更容易產生誤差。在測量時間時，首先要注意眼睛平視屏幕，盡量消除由于視覺角度引起的誤差；其次要腦、手、眼密切配合，反應速度要快，盡量減小由于按鍵提前或滯后引起的測量誤差。

3.對于勻速下落狀態的確認

在靜態（平衡）法測量中，油滴是由靜止狀態開始下落的，初始時油滴所受重力大于空氣阻力，油滴加速下落。隨著下落速度的加大，油滴所受到的空氣阻力也逐漸加大，當空氣阻力與重力大小相等時，油滴將勻速下落。在勻速下落過程中，測量油滴下落一段距離（一般取2mm）所用的時間。在實驗中，學生往往對油滴進入勻速運動狀態的確定感到迷茫，不能確定自己所設定的計時起始點處油滴是否已處于勻速下落狀態，其實這個問題大可不必有太多顧慮。有資料顯示[2]，在實驗過程中，只要油滴在要測量的位置下降10至4個橫格，或者從計時開始后的1.7510至4s，油滴就可以達到比較理想的勻速運動狀態。所以實驗中，我們一般是讓油滴下落一個橫格再開始計時，這是完全沒有問題的，但一定要提醒學生，不要在剛開始下落時就按“計時”鍵。

4.注意選擇合格的實驗用油

密立根油滴實驗所使用的油多為鐘表油，但不同鐘表油的品質不完全相同。通過多年的實驗發現，有些鐘表油在實驗中并不適用，實驗時會出現油滴總是向下運動、不帶電、無法控制、顯微鏡中看不到油滴等現象，建議選擇儀器廠家配備的經過測試的專用油。一般來說，專用油會比較純凈，穩定性好，揮發性小，黏滯系數適中，油的密度、黏滯系數隨濕度、溫度的變化小。

5.注意環境對實驗的影響

密立根油滴實驗對環境的要求比較高，主要是周圍環境的溫度、濕度對實驗效果的影響比較大。溫度的變化，直接影響到原理公式里面涉及的一些物理量，比如油的密度、黏滯系數、大氣壓強等，所以應及時根據溫度的變化修正公式中的一些常量。空氣濕度是影響實驗的一個重要的因素，濕度越大，噴油時油滴越不容易帶電。所以南方地區學校盡量不要選擇在多雨的潮濕季節做這個實驗。如果確實是由于空氣的濕度大而影響油滴的帶電，則可采取一些措施補救，如在實驗室內用除濕空調，在油霧倉內放置干燥劑，并將實驗用油放在冰箱內冷藏，以免因濕度過大引起黏滯系數的降低，影響油滴帶電。

三、結語

密立根油滴實驗，是一個歷史悠久的經典實驗，但由于影響實驗結果的因素太多，稍有不慎，就會導致實驗失敗。因此在實驗之前一定要做足功課，仔細研究各種可能影響實驗結果的因素，采取一些必要的對應措施，降低實驗誤差，確保實驗成功。

參考文獻：

[1]劉智新，李慧娟等.密立根油滴實驗人為操作引起的誤差探析.大學物理，2008.4，Vol27，3.

[2]安長星，郝博.密立根油滴到達勻速運動狀態的確認.沈陽工學院學報，2003.12，Vol22，4.

[3]陸佩.密立根油滴實驗中影響油滴控制的因素分析及對策.大學物理實驗，2007.9，Vol20，3.