密立根油滴實驗教學設計探析

胡瑋通 仲麗麗

(空軍航空大學航空基礎學院基礎部，吉林 長春 130022)

密立根油滴實驗是大學物理實驗課程中一個非常重要的實驗，該實驗證明了任何帶電體所帶電量都是基本電荷的整數倍，并精確測定了基本電荷的量值。密立根在實驗中采用經典力學的方法將微觀量轉化為宏觀量的巧妙設想和精確構思極其富有啟發性，對培養學生科學嚴謹的實驗態度起到非常重要的作用。由于每個教員的講授方式、講授風格不同，所采用的教學設計亦不盡相同。筆者在講授時采用的是“翻轉式”分段教學法，亮點一是融入了從發現電子到測量出基本電荷值的相關歷史背景介紹。亮點二是七個問題牽引式。亮點三是以問題引領，研究實驗儀器的設計思想。該實驗教學設計如下。

一、課前預習

該實驗采用的是“翻轉式”教學法，在課前下發預習任務單，學員需結合預習內容書寫預習報告。

二、課中學習

以七個問題為牽引，這七個問題包括實驗原理、實驗設計思想、實驗儀器設計思想、數據處理等方面，題目分別是：1.密立根油滴實驗的歷史背景？2.在噴射過程中，油滴是如何帶電的？3.運動的帶電油滴在平行極板間受到哪些力的作用？4.為什么要對空氣粘滯系數進行修正？5.密立根油滴實驗的設計思想是什么？6.平衡電壓U、下落時間t如何測出？7.本實驗采用什么數據處理方法由油滴帶電量獲得基本電荷電量？

學員在回答第一個問題時，補充介紹從發現電子到測量出基本電荷值的相關歷史背景。湯姆遜在發現電子后，精確地測量出了電子荷質比，但是基本電子電量e是多少在當時并不知道，為此科學家們展開了不懈的研究。最初使用的帶電體不是今天的油和水，而是云霧。湯姆遜的方法是膨脹云室法，即在云霧室內，利用X射線擊穿云霧，由于云霧極易散開，沒有得到很好的結論。湯姆遜的學生威爾遜的方法是水平極板法，即將云霧置于水平極板之間，因這兩位科學家使用云霧作為帶電體，所以沒有得到合理的結論。密立根在威爾遜水平極板法的基礎上，將極板間的電壓調高到萬伏以上，將電離劑由X射線變為鐳，在合上電閘的一瞬間，奇跡出現了，在水平極板之間出現了幾顆寶貴的帶電小水滴，密立根才利用水滴作為帶電體進行研究，同時得到了科學家盧瑟福和拉曼的幫助。還有一位非常重要的人就是密立根的學生雷切爾，是他首先提出用油滴代替水滴，并成功測量出了數據，進而密立根才決定和雷切爾一起完成實驗，并精確測量出電子電量e的具體數值。1923年密立根獲得諾貝爾物理學獎。

第二個問題由摩擦使油滴帶電大多數學員都能夠回答正確。第三個問題在教授時由一名學員利用白板為大家進行分析，教員補充，得出油滴所帶電量的計算公式，并回答第四個問題。在測量公式的基礎上分析第五個問題，得出密立根油滴實驗的設計思想，即將微觀量轉化為宏觀量測量的轉換思想。在第六個問題的啟發下，開始儀器設計思想的討論分析，儀器設計要求如下：1.怎樣讓油滴進入兩極板之間？2.怎樣防止氣流對油滴運動產生影響？3.怎樣才能觀察到油滴？4.怎樣確定油滴的下落距離和時間？

第一個問題設計巧妙，學員答案很多，但是當得知正確答案是上極板直接開小孔時很興奮有點驚喜，這也是實驗儀器設計巧妙之處。對于第二個問題大多數學員能夠想到密封及防風罩。第三個問題加顯微鏡很容易回答。第四個問題測量時間用計時器比較好回答，但是對于距離的測量還是要加以分析才能夠使學員想到標尺。進而學員結合實驗儀器就能夠比較輕松地掌握密立根油滴實驗儀的核心構造，并在預習的基礎上操作實驗儀器。

在明確密立根油滴實驗的原理、實驗設計思想、儀器設計思想后強調注意事項，學員練習操作。在操作過程中，教員注意觀察學員出現的問題。當學員第一次觀察到如繁星般美麗的油滴時很興奮，科學探索的欲望被徹底激發出來，進一步研究討論了油滴的選擇條件，及如何利用實驗儀器實現油滴的跟蹤和測量。明確實驗內容后，學員正式測量，自擬數據表格，教員個別指導演示，糾正錯誤。測量完畢后總結與拓展。

三、課后復習

課后反思、回答思考題，撰寫完整的實驗報告并及時上交。

四、結語

通過上述課程教學設計，學員普遍感到比傳統灌輸式的教授收獲大，達到了大綱中要求的教學目的，教學效果符合預期。同時對于學員科學實驗素養的培養起到了積極地推動作用。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，特別是在耐心與動手方面，思路再清晰而無法展現給別人，動手做出來也是白搭，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”。從中可以看出本次實驗的課程教學設計是成功的。當然教無定法，以上教學設計僅是自己的觀點，希望能和大家交流取長補短。