密立根油滴實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)探析

胡瑋通 仲麗麗

(空軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院基礎(chǔ)部，吉林 長(zhǎng)春 130022)

密立根油滴實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課程中一個(gè)非常重要的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)證明了任何帶電體所帶電量都是基本電荷的整數(shù)倍，并精確測(cè)定了基本電荷的量值。密立根在實(shí)驗(yàn)中采用經(jīng)典力學(xué)的方法將微觀量轉(zhuǎn)化為宏觀量的巧妙設(shè)想和精確構(gòu)思極其富有啟發(fā)性，對(duì)培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)態(tài)度起到非常重要的作用。由于每個(gè)教員的講授方式、講授風(fēng)格不同，所采用的教學(xué)設(shè)計(jì)亦不盡相同。筆者在講授時(shí)采用的是“翻轉(zhuǎn)式”分段教學(xué)法，亮點(diǎn)一是融入了從發(fā)現(xiàn)電子到測(cè)量出基本電荷值的相關(guān)歷史背景介紹。亮點(diǎn)二是七個(gè)問(wèn)題牽引式。亮點(diǎn)三是以問(wèn)題引領(lǐng)，研究實(shí)驗(yàn)儀器的設(shè)計(jì)思想。該實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)如下。

一、課前預(yù)習(xí)

該實(shí)驗(yàn)采用的是“翻轉(zhuǎn)式”教學(xué)法，在課前下發(fā)預(yù)習(xí)任務(wù)單，學(xué)員需結(jié)合預(yù)習(xí)內(nèi)容書(shū)寫(xiě)預(yù)習(xí)報(bào)告。

二、課中學(xué)習(xí)

以七個(gè)問(wèn)題為牽引，這七個(gè)問(wèn)題包括實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想、實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)思想、數(shù)據(jù)處理等方面，題目分別是：1.密立根油滴實(shí)驗(yàn)的歷史背景？2.在噴射過(guò)程中，油滴是如何帶電的？3.運(yùn)動(dòng)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(duì)空氣粘滯系數(shù)進(jìn)行修正？5.密立根油滴實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想是什么？6.平衡電壓U、下落時(shí)間t如何測(cè)出？7.本實(shí)驗(yàn)采用什么數(shù)據(jù)處理方法由油滴帶電量獲得基本電荷電量？

學(xué)員在回答第一個(gè)問(wèn)題時(shí)，補(bǔ)充介紹從發(fā)現(xiàn)電子到測(cè)量出基本電荷值的相關(guān)歷史背景。湯姆遜在發(fā)現(xiàn)電子后，精確地測(cè)量出了電子荷質(zhì)比，但是基本電子電量e是多少在當(dāng)時(shí)并不知道，為此科學(xué)家們展開(kāi)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(nèi)，利用X射線擊穿云霧，由于云霧極易散開(kāi)，沒(méi)有得到很好的結(jié)論。湯姆遜的學(xué)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(xué)家使用云霧作為帶電體，所以沒(méi)有得到合理的結(jié)論。密立根在威爾遜水平極板法的基礎(chǔ)上，將極板間的電壓調(diào)高到萬(wàn)伏以上，將電離劑由X射線變?yōu)殍D，在合上電閘的一瞬間，奇跡出現(xiàn)了，在水平極板之間出現(xiàn)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(jìn)行研究，同時(shí)得到了科學(xué)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(xué)生雷切爾，是他首先提出用油滴代替水滴，并成功測(cè)量出了數(shù)據(jù)，進(jìn)而密立根才決定和雷切爾一起完成實(shí)驗(yàn)，并精確測(cè)量出電子電量e的具體數(shù)值。1923年密立根獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

第二個(gè)問(wèn)題由摩擦使油滴帶電大多數(shù)學(xué)員都能夠回答正確。第三個(gè)問(wèn)題在教授時(shí)由一名學(xué)員利用白板為大家進(jìn)行分析，教員補(bǔ)充，得出油滴所帶電量的計(jì)算公式，并回答第四個(gè)問(wèn)題。在測(cè)量公式的基礎(chǔ)上分析第五個(gè)問(wèn)題，得出密立根油滴實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思想，即將微觀量轉(zhuǎn)化為宏觀量測(cè)量的轉(zhuǎn)換思想。在第六個(gè)問(wèn)題的啟發(fā)下，開(kāi)始儀器設(shè)計(jì)思想的討論分析，儀器設(shè)計(jì)要求如下：1.怎樣讓油滴進(jìn)入兩極板之間？2.怎樣防止氣流對(duì)油滴運(yùn)動(dòng)產(chǎn)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(shí)間？

第一個(gè)問(wèn)題設(shè)計(jì)巧妙，學(xué)員答案很多，但是當(dāng)?shù)弥_答案是上極板直接開(kāi)小孔時(shí)很興奮有點(diǎn)驚喜，這也是實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)計(jì)巧妙之處。對(duì)于第二個(gè)問(wèn)題大多數(shù)學(xué)員能夠想到密封及防風(fēng)罩。第三個(gè)問(wèn)題加顯微鏡很容易回答。第四個(gè)問(wèn)題測(cè)量時(shí)間用計(jì)時(shí)器比較好回答，但是對(duì)于距離的測(cè)量還是要加以分析才能夠使學(xué)員想到標(biāo)尺。進(jìn)而學(xué)員結(jié)合實(shí)驗(yàn)儀器就能夠比較輕松地掌握密立根油滴實(shí)驗(yàn)儀的核心構(gòu)造，并在預(yù)習(xí)的基礎(chǔ)上操作實(shí)驗(yàn)儀器。

在明確密立根油滴實(shí)驗(yàn)的原理、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想、儀器設(shè)計(jì)思想后強(qiáng)調(diào)注意事項(xiàng)，學(xué)員練習(xí)操作。在操作過(guò)程中，教員注意觀察學(xué)員出現(xiàn)的問(wèn)題。當(dāng)學(xué)員第一次觀察到如繁星般美麗的油滴時(shí)很興奮，科學(xué)探索的欲望被徹底激發(fā)出來(lái)，進(jìn)一步研究討論了油滴的選擇條件，及如何利用實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)現(xiàn)油滴的跟蹤和測(cè)量。明確實(shí)驗(yàn)內(nèi)容后，學(xué)員正式測(cè)量，自擬數(shù)據(jù)表格，教員個(gè)別指導(dǎo)演示，糾正錯(cuò)誤。測(cè)量完畢后總結(jié)與拓展。

三、課后復(fù)習(xí)

課后反思、回答思考題，撰寫(xiě)完整的實(shí)驗(yàn)報(bào)告并及時(shí)上交。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述課程教學(xué)設(shè)計(jì)，學(xué)員普遍感到比傳統(tǒng)灌輸式的教授收獲大，達(dá)到了大綱中要求的教學(xué)目的，教學(xué)效果符合預(yù)期。同時(shí)對(duì)于學(xué)員科學(xué)實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)的培養(yǎng)起到了積極地推動(dòng)作用。這是一位學(xué)員上完本次課后寫(xiě)下來(lái)的一段話“對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)課我收獲很多，特別是在耐心與動(dòng)手方面，思路再清晰而無(wú)法展現(xiàn)給別人，動(dòng)手做出來(lái)也是白搭，我要成為實(shí)干家，而不是成為只說(shuō)不干的思想家，用思想和雙手去創(chuàng)造。謝謝教員的提醒，最后感謝教員的耐心指導(dǎo)”。從中可以看出本次實(shí)驗(yàn)的課程教學(xué)設(shè)計(jì)是成功的。當(dāng)然教無(wú)定法，以上教學(xué)設(shè)計(jì)僅是自己的觀點(diǎn)，希望能和大家交流取長(zhǎng)補(bǔ)短。