以密立根油滴實(shí)驗(yàn)為背景的高考物理試題鑒析

許文

密立根油滴實(shí)驗(yàn)是利用帶電油滴在電場(chǎng)和重力場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)觀測(cè)的，證明了任何帶電體所帶的電荷都是某一最小電荷，即基本電荷的整數(shù)倍;明確了電荷量的不連續(xù)性;精確地測(cè)定了基本電荷量的值;揭示了電子的量子本性．密立根因此獲得了１９２３年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)．

１ 實(shí)驗(yàn)概述

如圖１所示為密立根油滴實(shí)驗(yàn)的基本裝置，它主要由噴霧器、油滴室、電源、兩金屬板（電容器）、觀察顯微鏡與照明系統(tǒng)等組成．

在下面的兩金屬板間接電源，兩板間就存在勻強(qiáng)電場(chǎng);從噴霧器噴出的霧狀油滴由于摩擦、吸收空氣中的帶電塵埃等原因會(huì)帶上電荷．帶電油滴從上面金屬板中間的小孔進(jìn)入兩金屬板間，在不加電場(chǎng)的情況下，油滴受重力作用而降落，當(dāng)重力與空氣的浮力和粘滯阻力平衡時(shí)，它便勻速下降;改變電源的電壓與電源極性，可以改變勻強(qiáng)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大小與方向;通過(guò)調(diào)節(jié)勻強(qiáng)電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)大小與方向，可使油滴在重力、電場(chǎng)力、空氣的浮力與空氣的粘滯阻力等作用下最終做勻速運(yùn)動(dòng);觀察顯微鏡帶有刻度分劃板，便于讀出油滴運(yùn)動(dòng)的距離，配合計(jì)時(shí)停表，可測(cè)定油滴運(yùn)動(dòng)速度．油滴受到空氣的粘滯阻力大小一般與其運(yùn)動(dòng)的速度大小有關(guān)．

該裝置設(shè)計(jì)巧妙、簡(jiǎn)單，且可測(cè)性與可操作性強(qiáng)，解決了物理中較復(fù)雜的問(wèn)題，因此該實(shí)驗(yàn)被評(píng)為物理學(xué)發(fā)展史上十大經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一．該實(shí)驗(yàn)在近幾年新高考物理試題中出現(xiàn)頻率較高．本文鑒析幾道以該實(shí)驗(yàn)為背景的高考物理試題，重溫這一經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，感受經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的魅力．

２ 試題鑒析

試題１ （２０２２年湖北卷）密立根油滴實(shí)驗(yàn)裝置如圖２所示，兩塊水平放置的金屬板分別與電源的正負(fù)極相接，板間產(chǎn)生勻強(qiáng)電場(chǎng)．用一個(gè)噴霧器把密度相同的許多油滴從上板中間的小孔噴入電場(chǎng)，油滴從噴口噴出時(shí)由于摩擦而帶電．金屬板間電勢(shì)差為U 時(shí)，電荷量為q、半徑為r 的球狀油滴在板間保持靜止．若僅將金屬板間電勢(shì)差調(diào)整為２U ，則在板間能保持靜止的球狀油滴所帶電荷量和半徑可以為（）．

【教學(xué)啟示】本題以密立根油滴實(shí)驗(yàn)為情境，是２０２２年廣東卷物理壓軸題．通過(guò)對(duì)該題的分析與求解，進(jìn)一步讓學(xué)生理解油滴法測(cè)量電子的電荷量，有靜態(tài)平衡法和動(dòng)態(tài)測(cè)量法兩種方法．實(shí)驗(yàn)可以對(duì)同一個(gè)油滴進(jìn)行觀察和測(cè)量，也可以對(duì)多個(gè)油滴同時(shí)進(jìn)行觀察和測(cè)量．油滴最終做勻速運(yùn)動(dòng)的速度是實(shí)驗(yàn)觀察和測(cè)量的核心．該題與例２相比，物理情境和思維內(nèi)核完全相同，均給定了油滴受到空氣阻力的大小的影響因素，只是影響因素略有不同．從命題角度來(lái)看，這里揭示了一種改編試題的方法，即對(duì)所給的關(guān)鍵條件進(jìn)行適當(dāng)合理的改變．從高考備考角度來(lái)看，高考真題才是經(jīng)典中的經(jīng)典，研做高考真題，以高考題為橋梁注重教材研讀，注重知識(shí)網(wǎng)絡(luò)建構(gòu)和深度學(xué)習(xí)，才是備考的上策．

總之，密立根油滴實(shí)驗(yàn)是物理學(xué)發(fā)展史上的一個(gè)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)．新高考理念下的高考物理試題，以該實(shí)驗(yàn)為情境，從不同角度命制相關(guān)試題，融合受力分析、力的平衡、電場(chǎng)力做功與電勢(shì)能變化、動(dòng)量與能量等相關(guān)物理知識(shí)，研究對(duì)象可以是單個(gè)油滴，也可以是多個(gè)油滴;運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以是單一的，也可以是往返多過(guò)程的;題型既可以是選擇題，也可是計(jì)算題，甚至是整卷的壓軸題．試題通過(guò)對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改編，引導(dǎo)學(xué)生關(guān)注物理學(xué)史，重視對(duì)物理基本概念、基本規(guī)律、基本思想及研究方法的理解，認(rèn)識(shí)經(jīng)典實(shí)驗(yàn)的人文價(jià)值，關(guān)注這些科學(xué)家發(fā)現(xiàn)物理概念和規(guī)律的歷史背景、研究過(guò)程及相關(guān)實(shí)驗(yàn)的思想與方法，強(qiáng)調(diào)動(dòng)手實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，啟發(fā)我們?cè)谏钪幸獙W(xué)以致用，養(yǎng)成利用身邊的事物巧妙設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、探究物理規(guī)律的習(xí)慣，在學(xué)習(xí)物理知識(shí)的過(guò)程中培養(yǎng)科學(xué)精神和科學(xué)素養(yǎng)，重視創(chuàng)新精神及實(shí)踐能力．