密立根油滴實(shí)驗(yàn)中若干問(wèn)題的討論

穆松梅　劉揚(yáng)　王洋洋

摘 要： 影響密立根油滴實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素很多，實(shí)驗(yàn)中要注意容易產(chǎn)生誤差及影響實(shí)驗(yàn)效果的環(huán)節(jié)，針對(duì)這些重要的環(huán)節(jié)采取合理有效的方法，以確保實(shí)驗(yàn)成功。

關(guān)鍵詞： 物理教學(xué) 密立根油滴實(shí)驗(yàn) 若干問(wèn)題

一、引言

密立根油滴實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)上的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一，其縝密的設(shè)計(jì)思想一直為后人所稱頌，給代代學(xué)子帶來(lái)思維上的啟迪，影響他們科學(xué)觀的形成。雖然歷經(jīng)了近一百年，但至今這個(gè)實(shí)驗(yàn)仍被眾多高校列為大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的必做項(xiàng)目。

密立根油滴實(shí)驗(yàn)最終是對(duì)于基本電荷電量的確定。對(duì)于微觀量的測(cè)量，其精確性一直是一個(gè)比較難于解決的問(wèn)題，某一個(gè)環(huán)節(jié)稍有不慎，就會(huì)導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)的失敗，容易造成失之毫厘謬以千里的局面。筆者結(jié)合教學(xué)實(shí)踐，就密立根油滴實(shí)驗(yàn)中容易出現(xiàn)問(wèn)題的一些環(huán)節(jié)提出自己的見(jiàn)解。

二、對(duì)實(shí)驗(yàn)中某些環(huán)節(jié)的討論

1.初步選擇油滴的方法和原則

這個(gè)實(shí)驗(yàn)的成敗，油滴的選擇是一個(gè)很重要的因素。實(shí)驗(yàn)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(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量油滴下落的時(shí)間，因此而造成誤差，同時(shí)大的油滴帶電量也會(huì)比較多，無(wú)法用相應(yīng)的方法處理數(shù)據(jù)。太小的油滴布朗運(yùn)動(dòng)會(huì)比較明顯，油滴易受外界環(huán)境的影響，也容易引起較大的誤差。選擇油滴時(shí)，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(jìn)一步對(duì)油滴的運(yùn)動(dòng)速度和平衡電壓作初步判斷，有資料顯示[1]，當(dāng)平衡電壓U、油滴勻速下落一段距離所用時(shí)間值t趨中時(shí)，同時(shí)油滴上所帶電量q或者油滴上帶的電荷數(shù)n趨小的方向，使實(shí)驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)更趨于真實(shí)的方向。所以，初選油滴時(shí)，可粗調(diào)一下油滴的平衡電壓，電壓介于200V～400V之間比較合適。同時(shí)初步預(yù)測(cè)一下油滴勻速下落一段距離所用的時(shí)間，如油滴在電場(chǎng)中勻速下降2mm所用的時(shí)間在10s～30s之間比較合適。一般來(lái)說(shuō)，這樣的油滴帶電量比較合適，產(chǎn)生的誤差相對(duì)較小。

2.控制各測(cè)量量引起的人為誤差

容易引起測(cè)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(shí)間t。由于平衡電壓是手動(dòng)調(diào)節(jié)、肉眼觀測(cè)的一個(gè)量，對(duì)于平衡狀態(tài)的判斷難免會(huì)出現(xiàn)一些人為的偏差，所以在實(shí)驗(yàn)中應(yīng)格外注意。調(diào)節(jié)平衡電壓時(shí)，應(yīng)將油滴控制在一條橫格線上，仔細(xì)調(diào)節(jié)電壓，耐心觀察，直至油滴能較長(zhǎng)時(shí)間地平衡在此刻線上，或能在刻線上下做等幅振動(dòng)，在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)部偏離此刻線向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)，才可以認(rèn)為平衡電壓確定。對(duì)于下落時(shí)間的測(cè)定，因?yàn)槭鞘謩?dòng)計(jì)時(shí)，要靠肉眼觀測(cè)油滴的起始和終了位置，更容易產(chǎn)生誤差。在測(cè)量時(shí)間時(shí)，首先要注意眼睛平視屏幕，盡量消除由于視覺(jué)角度引起的誤差；其次要腦、手、眼密切配合，反應(yīng)速度要快，盡量減小由于按鍵提前或滯后引起的測(cè)量誤差。

3.對(duì)于勻速下落狀態(tài)的確認(rèn)

在靜態(tài)（平衡）法測(cè)量中，油滴是由靜止?fàn)顟B(tài)開(kāi)始下落的，初始時(shí)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(dāng)空氣阻力與重力大小相等時(shí)，油滴將勻速下落。在勻速下落過(guò)程中，測(cè)量油滴下落一段距離（一般取2mm）所用的時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生往往對(duì)油滴進(jìn)入勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的確定感到迷茫，不能確定自己所設(shè)定的計(jì)時(shí)起始點(diǎn)處油滴是否已處于勻速下落狀態(tài)，其實(shí)這個(gè)問(wèn)題大可不必有太多顧慮。有資料顯示[2]，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，只要油滴在要測(cè)量的位置下降10至4個(gè)橫格，或者從計(jì)時(shí)開(kāi)始后的1.7510至4s，油滴就可以達(dá)到比較理想的勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。所以實(shí)驗(yàn)中，我們一般是讓油滴下落一個(gè)橫格再開(kāi)始計(jì)時(shí)，這是完全沒(méi)有問(wèn)題的，但一定要提醒學(xué)生，不要在剛開(kāi)始下落時(shí)就按“計(jì)時(shí)”鍵。

4.注意選擇合格的實(shí)驗(yàn)用油

密立根油滴實(shí)驗(yàn)所使用的油多為鐘表油，但不同鐘表油的品質(zhì)不完全相同。通過(guò)多年的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有些鐘表油在實(shí)驗(yàn)中并不適用，實(shí)驗(yàn)時(shí)會(huì)出現(xiàn)油滴總是向下運(yùn)動(dòng)、不帶電、無(wú)法控制、顯微鏡中看不到油滴等現(xiàn)象，建議選擇儀器廠家配備的經(jīng)過(guò)測(cè)試的專用油。一般來(lái)說(shuō)，專用油會(huì)比較純凈，穩(wěn)定性好，揮發(fā)性小，黏滯系數(shù)適中，油的密度、黏滯系數(shù)隨濕度、溫度的變化小。

5.注意環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響

密立根油滴實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境的要求比較高，主要是周圍環(huán)境的溫度、濕度對(duì)實(shí)驗(yàn)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(shù)、大氣壓強(qiáng)等，所以應(yīng)及時(shí)根據(jù)溫度的變化修正公式中的一些常量?？諝鉂穸仁怯绊憣?shí)驗(yàn)的一個(gè)重要的因素，濕度越大，噴油時(shí)油滴越不容易帶電。所以南方地區(qū)學(xué)校盡量不要選擇在多雨的潮濕季節(jié)做這個(gè)實(shí)驗(yàn)。如果確實(shí)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(bǔ)救，如在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)用除濕空調(diào)，在油霧倉(cāng)內(nèi)放置干燥劑，并將實(shí)驗(yàn)用油放在冰箱內(nèi)冷藏，以免因濕度過(guò)大引起黏滯系數(shù)的降低，影響油滴帶電。

三、結(jié)語(yǔ)

密立根油滴實(shí)驗(yàn)，是一個(gè)歷史悠久的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，但由于影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素太多，稍有不慎，就會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。因此在實(shí)驗(yàn)之前一定要做足功課，仔細(xì)研究各種可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素，采取一些必要的對(duì)應(yīng)措施，降低實(shí)驗(yàn)誤差，確保實(shí)驗(yàn)成功。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉智新，李慧娟等.密立根油滴實(shí)驗(yàn)人為操作引起的誤差探析.大學(xué)物理，2008.4，Vol27，3.

[2]安長(zhǎng)星，郝博.密立根油滴到達(dá)勻速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的確認(rèn).沈陽(yáng)工學(xué)院學(xué)報(bào)，2003.12，Vol22，4.

[3]陸佩.密立根油滴實(shí)驗(yàn)中影響油滴控制的因素分析及對(duì)策.大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2007.9，Vol20，3.