密立根油滴实验教学设计探析

胡玮通 仲丽丽

(空军航空大学航空基础学院基础部，吉林 长春 130022)

密立根油滴实验是大学物理实验课程中一个非常重要的实验，该实验证明了任何带电体所带电量都是基本电荷的整数倍，并精确测定了基本电荷的量值。密立根在实验中采用经典力学的方法将微观量转化为宏观量的巧妙设想和精确构思极其富有启发性，对培养学生科学严谨的实验态度起到非常重要的作用。由于每个教员的讲授方式、讲授风格不同，所采用的教学设计亦不尽相同。笔者在讲授时采用的是“翻转式”分段教学法，亮点一是融入了从发现电子到测量出基本电荷值的相关历史背景介绍。亮点二是七个问题牵引式。亮点三是以问题引领，研究实验仪器的设计思想。该实验教学设计如下。

一、课前预习

该实验采用的是“翻转式”教学法，在课前下发预习任务单，学员需结合预习内容书写预习报告。

二、课中学习

以七个问题为牵引，这七个问题包括实验原理、实验设计思想、实验仪器设计思想、数据处理等方面，题目分别是：1.密立根油滴实验的历史背景？2.在喷射过程中，油滴是如何带电的？3.运动的带电油滴在平行极板间受到哪些力的作用？4.为什么要对空气粘滞系数进行修正？5.密立根油滴实验的设计思想是什么？6.平衡电压U、下落时间t如何测出？7.本实验采用什么数据处理方法由油滴带电量获得基本电荷电量？

学员在回答第一个问题时，补充介绍从发现电子到测量出基本电荷值的相关历史背景。汤姆逊在发现电子后，精确地测量出了电子荷质比，但是基本电子电量e是多少在当时并不知道，为此科学家们展开了不懈的研究。最初使用的带电体不是今天的油和水，而是云雾。汤姆逊的方法是膨胀云室法，即在云雾室内，利用X射线击穿云雾，由于云雾极易散开，没有得到很好的结论。汤姆逊的学生威尔逊的方法是水平极板法，即将云雾置于水平极板之间，因这两位科学家使用云雾作为带电体，所以没有得到合理的结论。密立根在威尔逊水平极板法的基础上，将极板间的电压调高到万伏以上，将电离剂由X射线变为镭，在合上电闸的一瞬间，奇迹出现了，在水平极板之间出现了几颗宝贵的带电小水滴，密立根才利用水滴作为带电体进行研究，同时得到了科学家卢瑟福和拉曼的帮助。还有一位非常重要的人就是密立根的学生雷切尔，是他首先提出用油滴代替水滴，并成功测量出了数据，进而密立根才决定和雷切尔一起完成实验，并精确测量出电子电量e的具体数值。1923年密立根获得诺贝尔物理学奖。

第二个问题由摩擦使油滴带电大多数学员都能够回答正确。第三个问题在教授时由一名学员利用白板为大家进行分析，教员补充，得出油滴所带电量的计算公式，并回答第四个问题。在测量公式的基础上分析第五个问题，得出密立根油滴实验的设计思想，即将微观量转化为宏观量测量的转换思想。在第六个问题的启发下，开始仪器设计思想的讨论分析，仪器设计要求如下：1.怎样让油滴进入两极板之间？2.怎样防止气流对油滴运动产生影响？3.怎样才能观察到油滴？4.怎样确定油滴的下落距离和时间？

第一个问题设计巧妙，学员答案很多，但是当得知正确答案是上极板直接开小孔时很兴奋有点惊喜，这也是实验仪器设计巧妙之处。对于第二个问题大多数学员能够想到密封及防风罩。第三个问题加显微镜很容易回答。第四个问题测量时间用计时器比较好回答，但是对于距离的测量还是要加以分析才能够使学员想到标尺。进而学员结合实验仪器就能够比较轻松地掌握密立根油滴实验仪的核心构造，并在预习的基础上操作实验仪器。

在明确密立根油滴实验的原理、实验设计思想、仪器设计思想后强调注意事项，学员练习操作。在操作过程中，教员注意观察学员出现的问题。当学员第一次观察到如繁星般美丽的油滴时很兴奋，科学探索的欲望被彻底激发出来，进一步研究讨论了油滴的选择条件，及如何利用实验仪器实现油滴的跟踪和测量。明确实验内容后，学员正式测量，自拟数据表格，教员个别指导演示，纠正错误。测量完毕后总结与拓展。

三、课后复习

课后反思、回答思考题，撰写完整的实验报告并及时上交。

四、结语

通过上述课程教学设计，学员普遍感到比传统灌输式的教授收获大，达到了大纲中要求的教学目的，教学效果符合预期。同时对于学员科学实验素养的培养起到了积极地推动作用。这是一位学员上完本次课后写下来的一段话“对于本次实验课我收获很多，特别是在耐心与动手方面，思路再清晰而无法展现给别人，动手做出来也是白搭，我要成为实干家，而不是成为只说不干的思想家，用思想和双手去创造。谢谢教员的提醒，最后感谢教员的耐心指导”。从中可以看出本次实验的课程教学设计是成功的。当然教无定法，以上教学设计仅是自己的观点，希望能和大家交流取长补短。