密立根油滴实验中若干问题的讨论

穆松梅　刘扬　王洋洋

摘 要： 影响密立根油滴实验结果的因素很多，实验中要注意容易产生误差及影响实验效果的环节，针对这些重要的环节采取合理有效的方法，以确保实验成功。

关键词： 物理教学 密立根油滴实验 若干问题

一、引言

密立根油滴实验是物理学上的经典实验之一，其缜密的设计思想一直为后人所称颂，给代代学子带来思维上的启迪，影响他们科学观的形成。虽然历经了近一百年，但至今这个实验仍被众多高校列为大学物理实验的必做项目。

密立根油滴实验最终是对于基本电荷电量的确定。对于微观量的测量，其精确性一直是一个比较难于解决的问题，某一个环节稍有不慎，就会导致实现的失败，容易造成失之毫厘谬以千里的局面。笔者结合教学实践，就密立根油滴实验中容易出现问题的一些环节提出自己的见解。

二、对实验中某些环节的讨论

1.初步选择油滴的方法和原则

这个实验的成败，油滴的选择是一个很重要的因素。实验中要注意选择那些大小合适、带电量合适的油滴，太大的油滴下落速度很快，无法准确测量油滴下落的时间，因此而造成误差，同时大的油滴带电量也会比较多，无法用相应的方法处理数据。太小的油滴布朗运动会比较明显，油滴易受外界环境的影响，也容易引起较大的误差。选择油滴时，可首先从显微镜中观察油滴，选择那些大小中等、亮度中等的油滴，但并不是这样的油滴就一定是合格的，需要进一步对油滴的运动速度和平衡电压作初步判断，有资料显示[1]，当平衡电压U、油滴匀速下落一段距离所用时间值t趋中时，同时油滴上所带电量q或者油滴上带的电荷数n趋小的方向，使实验结果的数据更趋于真实的方向。所以，初选油滴时，可粗调一下油滴的平衡电压，电压介于200V～400V之间比较合适。同时初步预测一下油滴匀速下落一段距离所用的时间，如油滴在电场中匀速下降2mm所用的时间在10s～30s之间比较合适。一般来说，这样的油滴带电量比较合适，产生的误差相对较小。

2.控制各测量量引起的人为误差

容易引起测量误差的，主要是平衡电压U和油滴匀速下落一段距离所用的时间t。由于平衡电压是手动调节、肉眼观测的一个量，对于平衡状态的判断难免会出现一些人为的偏差，所以在实验中应格外注意。调节平衡电压时，应将油滴控制在一条横格线上，仔细调节电压，耐心观察，直至油滴能较长时间地平衡在此刻线上，或能在刻线上下做等幅振动，在长时间内部偏离此刻线向一个方向运动，才可以认为平衡电压确定。对于下落时间的测定，因为是手动计时，要靠肉眼观测油滴的起始和终了位置，更容易产生误差。在测量时间时，首先要注意眼睛平视屏幕，尽量消除由于视觉角度引起的误差；其次要脑、手、眼密切配合，反应速度要快，尽量减小由于按键提前或滞后引起的测量误差。

3.对于匀速下落状态的确认

在静态（平衡）法测量中，油滴是由静止状态开始下落的，初始时油滴所受重力大于空气阻力，油滴加速下落。随着下落速度的加大，油滴所受到的空气阻力也逐渐加大，当空气阻力与重力大小相等时，油滴将匀速下落。在匀速下落过程中，测量油滴下落一段距离（一般取2mm）所用的时间。在实验中，学生往往对油滴进入匀速运动状态的确定感到迷茫，不能确定自己所设定的计时起始点处油滴是否已处于匀速下落状态，其实这个问题大可不必有太多顾虑。有资料显示[2]，在实验过程中，只要油滴在要测量的位置下降10至4个横格，或者从计时开始后的1.7510至4s，油滴就可以达到比较理想的匀速运动状态。所以实验中，我们一般是让油滴下落一个横格再开始计时，这是完全没有问题的，但一定要提醒学生，不要在刚开始下落时就按“计时”键。

4.注意选择合格的实验用油

密立根油滴实验所使用的油多为钟表油，但不同钟表油的品质不完全相同。通过多年的实验发现，有些钟表油在实验中并不适用，实验时会出现油滴总是向下运动、不带电、无法控制、显微镜中看不到油滴等现象，建议选择仪器厂家配备的经过测试的专用油。一般来说，专用油会比较纯净，稳定性好，挥发性小，黏滞系数适中，油的密度、黏滞系数随湿度、温度的变化小。

5.注意环境对实验的影响

密立根油滴实验对环境的要求比较高，主要是周围环境的温度、湿度对实验效果的影响比较大。温度的变化，直接影响到原理公式里面涉及的一些物理量，比如油的密度、黏滞系数、大气压强等，所以应及时根据温度的变化修正公式中的一些常量。空气湿度是影响实验的一个重要的因素，湿度越大，喷油时油滴越不容易带电。所以南方地区学校尽量不要选择在多雨的潮湿季节做这个实验。如果确实是由于空气的湿度大而影响油滴的带电，则可采取一些措施补救，如在实验室内用除湿空调，在油雾仓内放置干燥剂，并将实验用油放在冰箱内冷藏，以免因湿度过大引起黏滞系数的降低，影响油滴带电。

三、结语

密立根油滴实验，是一个历史悠久的经典实验，但由于影响实验结果的因素太多，稍有不慎，就会导致实验失败。因此在实验之前一定要做足功课，仔细研究各种可能影响实验结果的因素，采取一些必要的对应措施，降低实验误差，确保实验成功。

参考文献：

[1]刘智新，李慧娟等.密立根油滴实验人为操作引起的误差探析.大学物理，2008.4，Vol27，3.

[2]安长星，郝博.密立根油滴到达匀速运动状态的确认.沈阳工学院学报，2003.12，Vol22，4.

[3]陆佩.密立根油滴实验中影响油滴控制的因素分析及对策.大学物理实验，2007.9，Vol20，3.