汪亞平 趙懂葉 寧長(zhǎng)春

(西藏大學(xué)理學(xué)院 西藏 拉薩 850000)

在高等學(xué)校加強(qiáng)對(duì)理科學(xué)生人文教育的必要性已不需要再做過(guò)多的說(shuō)明.人文教育途徑各樣，其中將科技史引入教學(xué)就是一種途徑.對(duì)于大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，將物理學(xué)史引入課堂教學(xué)，串聯(lián)起歷史事件和人物關(guān)系，呈現(xiàn)出一個(gè)完整的教學(xué)內(nèi)容背景，可以為學(xué)生提供一個(gè)立體知識(shí)結(jié)構(gòu).同時(shí)，物理學(xué)史引入課堂中，在理性教育中兼顧了學(xué)生感性認(rèn)知的需要，滿(mǎn)足了學(xué)生的綜合發(fā)展需要.如何將物理學(xué)史有效引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，仍需要大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教師共同努力，這個(gè)解沒(méi)有最優(yōu)，只有通過(guò)不斷嘗試去尋得更優(yōu)解.

在參與《斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)歷史概述》文章的寫(xiě)作時(shí)[1]，團(tuán)隊(duì)老師就一直強(qiáng)調(diào)，關(guān)于對(duì)該實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)史研究起源課堂上與學(xué)生的交流，去研究這個(gè)實(shí)驗(yàn)的目的就是解答學(xué)生對(duì)于斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的疑惑，即我們一開(kāi)始做物理學(xué)史研究就是針對(duì)教學(xué)、服務(wù)教學(xué).那么，探究將物理學(xué)史引入到教學(xué)中也是一種必然.其一，因?yàn)槲倚５膶?shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境還沒(méi)能達(dá)到東部、中部地區(qū)高校的水平，實(shí)驗(yàn)裝置短缺，大科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置基本沒(méi)有，所以在提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)質(zhì)量這一塊也需要我們因地制宜，而關(guān)于斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)史研究讓我們看到了一種可能性，即可不可以不通過(guò)大科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置又能做到對(duì)學(xué)生綜合能力的訓(xùn)練發(fā)展呢？其二，在斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)之后，團(tuán)隊(duì)教師以此展開(kāi)，對(duì)奧托·斯特恩、分子束方法、分子束方法測(cè)量質(zhì)子磁矩及分子束磁共振法測(cè)量質(zhì)子磁矩等工作進(jìn)行了深入研究，這看似一條簡(jiǎn)單的知識(shí)鏈條，經(jīng)過(guò)再加工還原，教師對(duì)整個(gè)知識(shí)結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)更加系統(tǒng)、豐滿(mǎn)，使得課堂教學(xué)內(nèi)容立體生動(dòng).這也更加堅(jiān)定了我們將物理學(xué)史引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的信念.關(guān)于斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)物理學(xué)史研究又該怎樣去服務(wù)教學(xué)呢？基于這個(gè)例子，可不可以探討出一種具體的方法？存不存在一種普適的方法，將物理學(xué)史引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的方法，只要滿(mǎn)足條件，將變量代入公式即可求得滿(mǎn)意結(jié)果？

所以，在斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)史研究實(shí)踐過(guò)程中，形成了將物理學(xué)史引入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的初步想法，并在教學(xué)中進(jìn)行了初步的嘗試，現(xiàn)在以密立根油滴實(shí)驗(yàn)為例，將這個(gè)過(guò)程在此分享，討論物理學(xué)史研究工作與教學(xué)如何有效結(jié)合，給出一種將物理學(xué)史引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐方法.

1 密立根油滴實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

1906年密立根(R.A.Millikan)著手測(cè)量電荷值，原理是基于湯森德實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在1906年到1913年，密立根油滴實(shí)驗(yàn)取得明顯成果，在1910年、1913年及1917年，密立根先后3次給出了實(shí)驗(yàn)測(cè)量值.直到密立根退休，他一直致力于優(yōu)化實(shí)驗(yàn)方法.密立根的實(shí)驗(yàn)和前人比起來(lái)，有3個(gè)突破點(diǎn)：(1)密立根將單獨(dú)的液滴作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象；(2)密立根將實(shí)驗(yàn)對(duì)象更換為揮發(fā)性不大的鐘油；(3)對(duì)云室和電解方法都進(jìn)行了完善，實(shí)驗(yàn)方法也更加科學(xué)，密立根在一次實(shí)驗(yàn)中選擇跟蹤一個(gè)油滴上升和下降，通過(guò)觀(guān)察油滴得失小量的電荷，而每次得失的這些小量電荷值碰巧總是同一基本電荷的整數(shù)倍，他因此推導(dǎo)出電荷的分立性質(zhì)，電子電荷是物質(zhì)電荷的最小基本單元.在密立根之前，所有的實(shí)驗(yàn)值只是給出了平均離子電荷值[2～4].

密立根油滴實(shí)驗(yàn)被列為十大最美物理實(shí)驗(yàn)之一，但同時(shí)密立根油滴實(shí)驗(yàn)又是最具爭(zhēng)議的實(shí)驗(yàn)之一[5～7].爭(zhēng)議一，主要是密立根在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理上，對(duì)于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否應(yīng)該有選擇性地保留各抒己見(jiàn).爭(zhēng)議二，電荷是不是量子化還不能蓋棺定論，與電荷的量子化理論對(duì)應(yīng)的是分子電荷.爭(zhēng)議三，密立根是否是第一位用油滴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的科學(xué)家還有待考證.可是，不可否置的是密立根的油滴實(shí)驗(yàn)是建立在眾人的基礎(chǔ)上獲得的成功，密立根對(duì)油滴實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了30多年的研究，過(guò)程漫長(zhǎng)艱難，他追求實(shí)驗(yàn)完美所付出的堅(jiān)持與努力不該被否定.像密立根油滴實(shí)驗(yàn)這樣的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)，它承載的不僅僅是對(duì)一個(gè)物理量的測(cè)得與否，還反映了當(dāng)時(shí)物理界的發(fā)展概況，反映了實(shí)驗(yàn)者的物理實(shí)驗(yàn)思維與直覺(jué)，以及只屈服于真理的執(zhí)著.油滴實(shí)驗(yàn)的發(fā)展歷程同時(shí)也形象地說(shuō)明了智慧是知識(shí)在實(shí)踐過(guò)程中的結(jié)晶.經(jīng)典總是耐人咀嚼，但是因?yàn)榻炭茣?shū)篇幅的限制使學(xué)生無(wú)法從各個(gè)角度去認(rèn)知這個(gè)實(shí)驗(yàn)實(shí)在可惜.相信比起那些簡(jiǎn)潔不過(guò)的理論公式，那些不斷極致優(yōu)化的驗(yàn)證過(guò)程、實(shí)驗(yàn)家的思維、實(shí)驗(yàn)家與外界、與自己之間的各種博弈才是精粹.通過(guò)物理學(xué)史的研究，能夠使學(xué)生感受到知識(shí)與智慧的區(qū)別，偉大誕生于平凡，歷史的必然不會(huì)因?yàn)闀r(shí)代的局限而更改.所以，借用前輩們的一句話(huà)即教師應(yīng)把教育過(guò)程看成是“把凝固的文化激活”的過(guò)程, 把文化的傳授和學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)化成歷史上文化創(chuàng)造者與今天文化學(xué)習(xí)者之間的對(duì)話(huà)[8].通過(guò)這種對(duì)話(huà)，學(xué)生對(duì)知識(shí)有一個(gè)全方位的立體的認(rèn)識(shí)，根據(jù)自己的理解進(jìn)行知識(shí)的再創(chuàng)造.

2 物理學(xué)史引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐

物理學(xué)史引入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以讓學(xué)生看到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思想的巧妙、方法的精簡(jiǎn)、物理實(shí)驗(yàn)家的思維與情懷，以及在物理史上占有的重要地位有更深入的認(rèn)識(shí)途徑，側(cè)重對(duì)學(xué)生的科學(xué)精神和人文素養(yǎng)進(jìn)行潛移默化的積極影響，也可以使單一的教學(xué)內(nèi)容變得豐滿(mǎn)立體.物理學(xué)史引入到實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的必要性和方法已有一些介紹[9]，本文將在密立根油滴實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)史研究基礎(chǔ)上，以該實(shí)驗(yàn)為例，以這個(gè)實(shí)驗(yàn)本身歷史為著手點(diǎn)，介紹如何將物理學(xué)史引入到大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中，介紹一種將物理學(xué)史引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐方法，可以簡(jiǎn)單地概括為：課前教師和學(xué)生的合作研究式物理學(xué)史研究引入過(guò)程；課堂上分享滲透式的物理學(xué)史引入過(guò)程.第一步雖然不是直接將物理學(xué)史引入課堂教學(xué)實(shí)踐中，但是卻是引入的必要前提，是一種課前滲透式引入，當(dāng)然這個(gè)過(guò)程也是對(duì)學(xué)生處理問(wèn)題能力的一個(gè)考驗(yàn)過(guò)程.第二步是在第一步的基礎(chǔ)上進(jìn)行展開(kāi)，將物理學(xué)史更為具體地引入到課堂教學(xué)實(shí)踐中，通過(guò)分享、交流達(dá)到引入的目的，教師需要不斷地反思總結(jié).如果說(shuō)第一步的過(guò)程中，是極大地發(fā)展學(xué)生實(shí)踐能力的過(guò)程，第二步主要就是鍛煉學(xué)生思維表達(dá)能力的過(guò)程.這兩步的落實(shí)，為培養(yǎng)發(fā)展學(xué)生的綜合素質(zhì)能力提供了一個(gè)可行的實(shí)踐過(guò)程.

2.1 課前物理學(xué)史研究準(zhǔn)備

具體的物理學(xué)史研究過(guò)程是從兩方面落實(shí)：(1)制定方案，從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，徹底厘清實(shí)驗(yàn)的始末.當(dāng)然，關(guān)于密立根油滴實(shí)驗(yàn)的歷史研究其實(shí)不少，那我們的出發(fā)點(diǎn)就是基于教學(xué)，服務(wù)教學(xué).實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要講到的基本點(diǎn)是實(shí)驗(yàn)背景、儀器、原理、過(guò)程及結(jié)果等，所以我們對(duì)于該實(shí)驗(yàn)的著手點(diǎn)就從這幾方面入手.目的在于將實(shí)驗(yàn)的方方面面做到心中有數(shù)，在上課時(shí)可以運(yùn)籌帷幄.但是又不局限于這幾個(gè)方面，既然是物理學(xué)史研究，就要從歷史的角度出發(fā)，既然是服務(wù)教學(xué)，就要將實(shí)驗(yàn)的來(lái)龍去脈厘清；(2)讓學(xué)生參與這個(gè)過(guò)程，即學(xué)生也加入到對(duì)密立根油滴實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)史研究中來(lái)，做一些力所能及的工作，目的更多地在于鍛煉學(xué)生的文獻(xiàn)調(diào)研和處理文獻(xiàn)的能力，提高學(xué)生解決問(wèn)題的綜合能力，發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新思維.所以，課前教師和學(xué)生的合作式物理學(xué)史研究的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)就是讓學(xué)生參與物理學(xué)史的研究，這也是讓學(xué)生參與教學(xué)的一個(gè)舉措，在個(gè)人看來(lái)，教學(xué)并不局限于固定的課堂，一切教師與學(xué)生相互間有效的促進(jìn)都是教學(xué).具體方法如下.

因?yàn)槲倚４髮W(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)大綱設(shè)定一學(xué)期8個(gè)實(shí)驗(yàn)的教學(xué)目標(biāo)，所以在開(kāi)學(xué)之初，教師按學(xué)生的成績(jī)相互交錯(cuò)將學(xué)生分成8個(gè)小組，每組大概4位學(xué)生.將8個(gè)實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)史調(diào)研任務(wù)分配給每一個(gè)小組.每一個(gè)小組確定小組長(zhǎng)，教師明確任務(wù).分組承擔(dān)物理學(xué)史研究任務(wù)相對(duì)減輕了學(xué)生的負(fù)擔(dān)，也保證了切實(shí)可行.教師在一學(xué)期之內(nèi)不可能將8個(gè)實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)史研究都展開(kāi)，可以逐個(gè)突破，即每一學(xué)期以一個(gè)實(shí)驗(yàn)為重點(diǎn)，教師全力協(xié)助任務(wù)小組的學(xué)生，將這個(gè)實(shí)驗(yàn)的始末梳理清楚，并盡力督促其他小組做好資料收集、研讀、整理的學(xué)習(xí).

接到任務(wù)的小組，以組為單位再進(jìn)行細(xì)致的分工，讓每一位學(xué)生都參與其中.如密立根油滴實(shí)驗(yàn)，教師已經(jīng)調(diào)研到一部分密立根油滴實(shí)驗(yàn)的相關(guān)文獻(xiàn)資料，并對(duì)這個(gè)實(shí)驗(yàn)有了更深入的認(rèn)識(shí)，密立根油滴實(shí)驗(yàn)并不像教課書(shū)上介紹的那樣簡(jiǎn)單，它是近代物理學(xué)中一個(gè)經(jīng)典的物理實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)背景展示了經(jīng)典物理學(xué)與近代物理初期交接階段物理學(xué)界的迷茫與生機(jī)，實(shí)驗(yàn)原理在物理學(xué)家探索中亦趨亦進(jìn)，實(shí)驗(yàn)方法在缺陷中逐漸完美，實(shí)驗(yàn)過(guò)程曲折漫長(zhǎng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果在更新中漸漸明朗.在任務(wù)小組開(kāi)展工作時(shí)，教師在適當(dāng)時(shí)機(jī)開(kāi)展與任務(wù)小組的第一次小型會(huì)議交流.第一步，教師將自己已做的工作進(jìn)行介紹，然后從實(shí)驗(yàn)背景、原理、方法、過(guò)程和結(jié)果這幾個(gè)方面展開(kāi)討論，給出工作實(shí)施方案建議，尊重、支持和督促小組給出具體實(shí)施方案.第二步，教師要定期了解小組的進(jìn)度，及時(shí)交流溝通，協(xié)助小組完成數(shù)據(jù)資料的整理工作.

在這個(gè)過(guò)程中，教師需要靈敏地觀(guān)察小組成員的動(dòng)態(tài)，及時(shí)鼓勵(lì)小組成員取得的收獲，將在這個(gè)過(guò)程中激起的興趣放大，鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行展開(kāi)，將資料整理再組織的過(guò)程中獲得的線(xiàn)索整理成文本，鼓勵(lì)學(xué)生申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目，亦可以作為以后畢業(yè)論文的前期工作積累.在密立根油滴實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)史研究工作中，教師將問(wèn)題打包發(fā)給學(xué)生，學(xué)生定期給出自己關(guān)于問(wèn)題的答案，定期推進(jìn)工作進(jìn)度，定期進(jìn)行交流溝通.這個(gè)問(wèn)題是在相互溝通、推進(jìn)工作前進(jìn)的基礎(chǔ)上產(chǎn)生，學(xué)生給出答案是在教師的指引和自我的探索中形成.不可否認(rèn)，這是個(gè)教學(xué)相長(zhǎng)共同進(jìn)步的過(guò)程.在工作末尾時(shí)，學(xué)生按約定將團(tuán)隊(duì)收集的資料以及與教師交流獲取的信息進(jìn)行梳理總結(jié)，制成小冊(cè)子或者PPT，在課堂上與其他同學(xué)進(jìn)行共享.

當(dāng)然并不是所有的實(shí)驗(yàn)都如密立根油滴實(shí)驗(yàn)?zāi)敲簇S富，但是所有的列入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的實(shí)驗(yàn)都堪稱(chēng)經(jīng)典，都值得去推敲.并不是所有的推敲都要成文，這取決于實(shí)驗(yàn)本身，但是對(duì)于學(xué)生，教師應(yīng)鼓勵(lì)學(xué)生從實(shí)驗(yàn)出發(fā)，去收集一些史料整理成小論文(或者PPT課件)，不僅豐富了課堂的教學(xué)內(nèi)容，也切切實(shí)實(shí)讓學(xué)生從實(shí)踐中得到了綜合的訓(xùn)練.而且，課前合作研究式的物理學(xué)史資料收集的過(guò)程中，師生較好的互動(dòng)，使得師生關(guān)系親近，這會(huì)間接促使課堂氣氛更融洽.

教師的物理學(xué)史研究，是教學(xué)與科研的統(tǒng)籌，歸根結(jié)底又是一切為了教學(xué).在密立根油滴實(shí)驗(yàn)教學(xué)前，教師需要深入研究相關(guān)史事，實(shí)踐證明，對(duì)每一個(gè)實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)史研究都需要一個(gè)長(zhǎng)時(shí)間的投入，所以教師可以給自己定一個(gè)計(jì)劃，比如一學(xué)期徹底梳理清楚一個(gè)實(shí)驗(yàn)的始末，以8個(gè)實(shí)驗(yàn)為橫向研究線(xiàn)索，以單個(gè)實(shí)驗(yàn)為縱向深入研究出發(fā)點(diǎn).通過(guò)深入的研究，對(duì)密立根油滴實(shí)驗(yàn)有了更深入的認(rèn)識(shí)，對(duì)當(dāng)時(shí)的物理學(xué)背景有了更全面的掌握，還獲得許多新的觀(guān)點(diǎn)和引出了許多問(wèn)題，在這個(gè)研究過(guò)程中留下許多后期工作的線(xiàn)索，團(tuán)隊(duì)教師將在收集到的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上對(duì)密立根油滴實(shí)驗(yàn)進(jìn)行更深入的研究.

2.2 課堂上分享滲透式的物理學(xué)史引入實(shí)踐

在第一步完成的基礎(chǔ)上，進(jìn)入密立根油滴實(shí)驗(yàn)的課堂教學(xué).在實(shí)驗(yàn)操作前，任務(wù)小組的學(xué)生將收集到的資料進(jìn)行共享.將制成的小冊(cè)子人手一本讓同學(xué)閱讀預(yù)習(xí)，也可以是由任務(wù)小組的一名成員解說(shuō)PPT，完成實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)目的.

在此基礎(chǔ)上，教師可以根據(jù)上課節(jié)奏拋出相應(yīng)問(wèn)題，推動(dòng)課堂良好進(jìn)展.如問(wèn)題1：“密立根為什么要做這個(gè)實(shí)驗(yàn)？”

經(jīng)過(guò)討論，學(xué)生對(duì)當(dāng)時(shí)的物理學(xué)背景和實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠辛艘粋€(gè)立體的認(rèn)知.

再如問(wèn)題2：“密立根油滴實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)原理？”

1903年，威爾遜創(chuàng)造性地改進(jìn)了湯森德的實(shí)驗(yàn)方法，加入豎直的電場(chǎng)，威爾遜的實(shí)驗(yàn)原理如下：給云室加上電場(chǎng)強(qiáng)度E和重力方向反向的勻強(qiáng)電場(chǎng)，在重力作用下的油滴速度為vg，在電場(chǎng)力作用下的速度為vE，則[6]

(1)

易得

(2)

威爾遜測(cè)得了10組電荷值，給出了離子平均電荷值為1.03×10-19C.

威爾遜的方法中存在許多帶不同電荷量的液滴，通過(guò)電場(chǎng)作用于云霧上，可以選擇云霧上層最輕的帶電液滴作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象.但是威爾遜的vg和vE值是默認(rèn)云霧體積不變，而實(shí)際是云霧在不斷膨脹.而這些為密立根后來(lái)撬開(kāi)成功大門(mén)提供了一絲縫隙.

1906年，威爾遜實(shí)驗(yàn)原理上的不足激起了密立根重做其實(shí)驗(yàn)的意愿.密立根依據(jù)威爾遜的實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行了多次測(cè)量，都未獲得令人滿(mǎn)意的結(jié)果.后來(lái)他加大了電場(chǎng)強(qiáng)度，云霧開(kāi)始消散，變成一個(gè)個(gè)獨(dú)立的小液滴，密立根意識(shí)到如果實(shí)驗(yàn)對(duì)象不是云霧而是一個(gè)單獨(dú)的液滴，問(wèn)題不就迎刃而解了嗎！密立根對(duì)威爾遜電荷測(cè)量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，即我們現(xiàn)在采用的靜態(tài)平衡法.

在云室兩極板間加電壓為U的電場(chǎng)，兩極板間距離為d.作用在液滴上的力有重力G和黏滯力f，因初始速度小，黏滯力小于重力，油滴做加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度達(dá)到一定值v，黏滯力剛好平衡重力，G=f+f浮，油滴做勻速運(yùn)動(dòng).則有

(3)

密立根依據(jù)斯托克斯定律重新推導(dǎo)出

則

經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)，密立根發(fā)現(xiàn)q為一個(gè)常數(shù)的倍數(shù)，這個(gè)常數(shù)即基本電荷e,密立根的e測(cè)得值固定在1.55×10-19C.

我們現(xiàn)在知道，在兩極板間不加電場(chǎng)時(shí)，作用在液滴上的力有重力G、黏滯力f和浮力f浮，因初始速度小，黏滯力小于重力，油滴做加速運(yùn)動(dòng)，當(dāng)速度達(dá)到一定值v，黏滯力和浮力剛好平衡重力，G=f+f浮，油滴做勻速運(yùn)動(dòng).則有

(4)

其中

η′為修正的空氣粘度系數(shù)，r′為油滴的近似半徑

ρ′為空氣密度.由此可以計(jì)算出油滴的半徑

(5)

將式(5)帶入式(3)便可推導(dǎo)出q值，進(jìn)而計(jì)算出基本電荷e值.

密立根通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定電荷的不連續(xù)性，取得了重大跨越.但是實(shí)驗(yàn)液滴的蒸發(fā)問(wèn)題一直困擾著他，最終他利用鐘油作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，大大減小了因?yàn)橐旱握舭l(fā)引入的實(shí)驗(yàn)誤差.將油滴送入云室，密立根選擇利用霧化器，油霧進(jìn)入云室后下落，改變電場(chǎng)的大小可以控制油霧的運(yùn)動(dòng)速度.密立根發(fā)現(xiàn)通過(guò)測(cè)量油滴運(yùn)動(dòng)的速度來(lái)確定油滴的帶電荷量更方便，也就是現(xiàn)在說(shuō)的動(dòng)態(tài)法測(cè)量油滴電荷，即所加電場(chǎng)使油滴向上運(yùn)動(dòng)，最終勻速上升運(yùn)動(dòng)，有

qE=6πη′r(vg+vE)

(6)

因而

(7)

到1917年，密立根給出他關(guān)于基本電荷的最終實(shí)驗(yàn)值

e=(1.59±0.005)×10-19C

或e=(4.774±0.005)×10-10e.s.u.

又如問(wèn)題3：“密立根油滴實(shí)驗(yàn)是一蹴而就嗎？”

由問(wèn)題2的解答，我們可以清晰地知道電荷測(cè)量實(shí)驗(yàn)的起源和歷程.我們現(xiàn)在進(jìn)行的兩個(gè)學(xué)時(shí)的實(shí)驗(yàn)，是前人經(jīng)歷幾代人幾十年的研究成果.到密立根這一階段，測(cè)量電荷的實(shí)驗(yàn)基本已經(jīng)成熟，在1913年，密立根發(fā)布他的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因而獲得1923年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，這之后他依然孜孜不倦奮力于油滴實(shí)驗(yàn)的研究.

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)前的這些討論，學(xué)生基本對(duì)密立根油滴實(shí)驗(yàn)起源和發(fā)展有了清楚的認(rèn)知，較好地達(dá)到了實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的目的，為后面的實(shí)驗(yàn)操作做好了充分準(zhǔn)備.

學(xué)然后知不足，教然后知困.知不足，然后能自反也；知困，然后能自強(qiáng)也.當(dāng)我們正式地去研究這個(gè)實(shí)驗(yàn)時(shí)，確實(shí)有許多理論上的問(wèn)題重新引起我們的注意，并且認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)本身的許多細(xì)節(jié)需要如何安排，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中遇到的困難怎樣克服解決.斯托克斯定律推導(dǎo)小油滴半徑的過(guò)程是怎樣的？實(shí)驗(yàn)參數(shù)為何要進(jìn)行修正？密立根選擇性的發(fā)布實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是否合理？分?jǐn)?shù)電荷是否存在？這些問(wèn)題牽扯更多的理論知識(shí)和文化認(rèn)知背景，我們簡(jiǎn)單討論過(guò)，可是真要說(shuō)清楚，又是另外的問(wèn)題，教師依然可以鼓勵(lì)原任務(wù)小組繼續(xù)深入研究討論.解答一個(gè)問(wèn)題不難，因一個(gè)問(wèn)題能提出一個(gè)問(wèn)題或多個(gè)問(wèn)題才是學(xué)問(wèn)的根本.

杰羅姆·布魯納曾經(jīng)說(shuō)過(guò)：“ 一個(gè)人學(xué)習(xí)一門(mén)學(xué)科的知識(shí)，不是要建立有關(guān)這門(mén)知識(shí)的小型圖書(shū)館，而是要掌握其知識(shí)結(jié)構(gòu)和方法原理.只有這樣我們才能從知識(shí)的成品倉(cāng)庫(kù)進(jìn)入知識(shí)的生產(chǎn)車(chē)間”.在如今，想要將某一領(lǐng)域知識(shí)窮盡幾乎不可能，能做的就是通過(guò)對(duì)知識(shí)結(jié)構(gòu)與學(xué)習(xí)方法的學(xué)習(xí)，形成一套自己的知識(shí)結(jié)構(gòu)和學(xué)習(xí)方法，將能學(xué)到的有限知識(shí)轉(zhuǎn)化為智慧和能力.學(xué)生在課堂上接受的知識(shí)很有限，而通過(guò)物理學(xué)史的引入，培養(yǎng)學(xué)生的感性認(rèn)知能力，通過(guò)物理學(xué)史與教學(xué)內(nèi)容的結(jié)合，讓學(xué)生的感性認(rèn)知上升到理性?xún)?nèi)化，將知識(shí)轉(zhuǎn)化為智慧，智慧體現(xiàn)出綜合能力，這就是人文教育和科學(xué)教育結(jié)合的意義.

3 結(jié)論

本文主要是在斯特恩-蓋拉赫實(shí)驗(yàn)的物理學(xué)史研究基礎(chǔ)上提出的一種將物理學(xué)史引入大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的實(shí)踐方法，在實(shí)際教學(xué)中也在推廣到其他的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，即課前指定任務(wù)小組收集相應(yīng)實(shí)驗(yàn)的歷史資料，鼓勵(lì)學(xué)生整理成小論文，申請(qǐng)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項(xiàng)目或者作為畢業(yè)設(shè)計(jì)未嘗不可嘗試.教師通過(guò)組織督促每一屆學(xué)生的資料收集，可嘗試開(kāi)展深入的物理學(xué)史研究，也可嘗試開(kāi)設(shè)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)史選修課等.如果說(shuō)課前教師和學(xué)生的合作研究式物理學(xué)史研究過(guò)程是讓學(xué)生參與教學(xué)備課中，那么課堂上分享滲透式的物理學(xué)史引入過(guò)程則是鼓勵(lì)學(xué)生參與到教學(xué)實(shí)踐中.學(xué)生通過(guò)課前收集整理物理學(xué)史資料，了解物理學(xué)家的科學(xué)思維和研究方法，必然會(huì)對(duì)課堂上的理論分析和實(shí)驗(yàn)操作起到引導(dǎo)和促進(jìn)作用.