一個物理諾獎富礦是如何變成高考爛題的？

一座好端端的諾貝爾物理獎富礦，在我們這里竟然被弄當作了一道高考爛題，其實是一件不輕易的工作。倫琴、倫納德、湯姆森、玻爾、愛因斯坦等諾獎得本家兒如果知道他們得諾獎的裝配在我們的高考物理出題人眼里不外是一節干電池，不知道會作何感觸。該正視我們的物理講義、物理考題胡編亂造的問題了！

撰文 | 曹則賢（中國科學院物理研究所研究員）

姬揚姬教員曾經曰過：“宿世界上有兩種物理。一種是物理，一種是測驗物理。”這測驗物理，其特色是胡編亂造！！！列位看官，你隨便拿過一本中學物理講義看上兩眼，便知姬教員（中國科學院半導體研究所）高人，所言不虛。早些年小兒讀中學，不得已要教導他功課，見那物理教科書是通篇皆有錯，曹教員鄙人不才兄弟我那時不知天高地厚，仗著俺單元后臺（中國科學院物理研究所）硬，一時鼓起抄起德律風打到了朝中的講義司，陳述官員這個物理講義里其實錯誤太多，怕是會誤人后輩如此。有司官員德律風中呵叱道：“呔，兀那曹教員，不成信口雌黃。講義乃國之重器，都是禮聘聞名學者專家教研員編纂的，焉有犯錯之理？” 及至曹教員想再問編講義的聞名學者專家教研員高姓臺甫、家鄉何處、是否婚娶、可曾進學，有司官員在那頭已經撂下了德律風，獨留曹教員在德律風這頭呆若木雞。

列位看官，若只是講義有錯，那仍是好的，究竟結果你可以找分歧的書參校著看，或者找旁人理論一番。借使倘使是測驗的時辰，尤其是高考這種決議命運的測驗，你碰到了專家學者名師教研員們匠心獨運、克意立異所胡編亂造出來的標題問題，你可如之奈何？想那姬教員何許人也，他也說就算明明知道這題兒荒誕乖張透頂，也只有認慫。一道物理大題15分擺布，若是不認同出題人的胡編亂造而丟了這15分，你日后得了諾獎也修復不了昔時害怕落榜的心理創傷。

現在單說某年某地有一道高考物理大題，標題問題涉及的內容在物理學上是一座諾獎富礦，一眾洋人憑著在該題中所涉及的裝配獲得了若干諾貝爾物理獎，發現了電子、X-射線、光電效應、原子發光的躍遷過程、原子中電子能級量子化，發現了氣體放電燈、電視機、電子顯微鏡，成長了光譜學、量子力學等等，極大地促進了人類社會文明的成長。而這么高峻上的裝配在俺們的物理高考題里被專家學者講授名師教研員愣是給當當作了一節干電池。對哦，你沒看錯，在這些專家學者講授名師教研員的眼里那玩意兒竟然是個干電池，高考同窗的使命是計較這個裝配的內阻。開路電壓除以閉路電流，此之謂內阻——管你那玩意兒是什么布局，出過幾個諾貝爾獎，咱們講義里的物理就是這么界說的！當初看到這道高考物理題時，曹教員仿佛看到一個金衣玉食、儀態萬方的皇后娘娘落入了蟊賊之手，順遂地被他們革新當作了杠杠的燒火大媽。

圖1. 一對金屬電極封裝在玻璃管里，就是一座物理諾獎富礦

看官，我說的裝配是這個樣子的，一對金屬做當作的電極，封裝在玻璃管里，玻璃管的氣體可以抽出來（圖1），就這么簡單！接上直流電源，你會發現跟著氣壓降低，氣體柱會因為放電而亮起來。嘿嘿，若玻璃管里充入分歧的氣體你能獲得分歧顏色的燈（圖2）。這個放電氣體柱接近陰極的部門有個暗區，給心猿意馬的電壓下，氣壓越低，暗區就越標的目的陽極偏向延長。問題來了，若暗區一向延長到陽極，會發生什么呢？讓曹教員沒猜到的是，陽極亮了。陽極亮了，是什么讓它亮的？在陰極-陽極之間放上個物體，陽極一側竟然還有影子（圖3）！沒說的，必然有一種跟光紛歧樣的射線把陽極給照亮了。這種射線被順勢稱為陰極射線，后來被確定為電子。1905年倫納德（Philipp Lenard, 1862-1947）因為對陰極射線的研究（荷質比的測量）獲得諾貝爾物理獎，1906年湯姆森（Joseph John Thomson, 1856-1940）因為對放電管中氣體導電的研究，關頭是電子的發現（確認陰極射線是一種帶電粒子）而獲得諾貝爾物理獎。

圖2. 在圖1中的玻璃管中充入分歧的氣體，就能獲得分歧顏色的氣體放電燈

圖3. 在陰極-陽極之間放上障礙物，那看不見的陰極射線竟然能造當作影子

為了將這種陰極射線引出來研究，人們在玻璃管上開了孔，用薄金屬箔封上，成果為了用熒光板確認陰極射線是否被引出來了，人們發現很遠的處所的熒光板竟然也亮了——那是陰極射線不克不及達到的處所啊？必然是有一種不知道的新射線。不知道的嘛，那就是X-射線。X-射線厲害啊，穿透力很強，可覺得人體甚至鋼鐵布局造影（圖4）。1901年，倫琴（Wilhelm Conrad R?ntgen，1845-1923）因為X-射線的發現獲得了首屆諾貝爾物理學獎。X-射線的應用獲得了一系列的諾貝爾獎，此中物理獎就有4個之多，包羅1914年勞厄（Max von Laue, 1879-1960）因為發現X-射線衍射，1915年布拉格父子（Sir William Henry Bragg, 1862-1942; William Lawrence Bragg，1890-1971）因為用X-射線研究晶體布局，西格班父子（Kai Siegbahn，1918-2007；Karl Siegbahn, 1886-1978）因為X射線譜學的研究（別離于1924年和1981年獲獎）。

圖4. 倫琴用X-射線拍攝的其夫人左手的照片

既然陰極能發出陰極射線（電子），那怎么才能發射更多呢？陰極板上有毛刺兒會更有用地發射電子。好吧，那就爽性就用針尖狀的陰極，由此衍生了電子槍，這進一步讓人們制造出了電視機、電子顯微鏡等。1986年，魯斯卡（Ernst Ruska, 1906-1988）因電子顯微鏡的發現而獲得諾貝爾物理獎。用圖5中革新的電極構型，中心充入稀薄的水銀蒸汽，測量其電流-電壓曲線，會發現每隔4.9 V 電流就會呈現一個舉高的峰。這證實了電子在原子中的能量真是分立的, 這也是導致量子力學成立的一個主要嘗試事實。這讓弗蘭克（James Franck, 1882-1964）和赫茲（Gustav Ludwig Hertz, 1887-1975，乃天才Heinrich Hertz（1857-1894）的侄子）獲得了1925年的諾貝爾物理獎。

圖5. 弗蘭克-赫茲嘗試的裝配（上）和成果（下）

放電管充入分歧的氣體，會發出分歧的光譜線。若是充入氫氣，會獲得氫氣的譜線，那時辰可分辯的就是簡單的四條（圖6），比力好研究。對氫氣譜線的研究得出了其譜線公式為

。對這個公式的參詳，讓玻爾（Niels Bohr, 1885-1962）悟出了原子發光的奧秘，提出了躍遷的概念和軌道角動量量子化作為能量量子化的前提，此為舊量子力學的關頭內容。玻爾是以獲得1922年度的諾貝爾物理獎。

圖6. 氫原子的光譜線。從右到左四條線的波長別離為6562.1, 4860.7, 4340.1 和 4101.2埃。從這四個數字可以破解原子發光的奧秘（所謂學過奧數的伴侶，請找出它們的紀律并導出發光機理和原子能級的量子化前提）

看官，你數數這是幾個諾貝爾物理獎了？人家就用這么個裝配，獲得了那么多真正的常識，在那么那么大的水平上推進了人類的前進（你還記得疇前看電視的興奮嗎？）。哦，對了，我還忘了，讓愛因斯坦（Albert Einstein, 1879-1955）獲得1921年度諾貝爾物理獎的也是圖1裝配上得來的成果。

讓愛因斯坦獲得諾貝爾獎的是關于光電效應的研究，嘗試是別人做的，用的是圖1的裝配，不外得略改裝一下，要用光照射陰極（圖7）。光照會促進陰極發射電子出來。研究發現，用分歧金屬做當作的陰極，被光從中照出的電子所擁有的最大動能 Ek是紛歧樣的。用波長越長的光照射陰極，出來的電子最大動能就越小，則在陽極上加上一個越低的反標的目的電壓（弄得陽極當作了陰極似的）就能把出射電子全數給反對歸去。當入射波長長到必然水平時，光底子就照射不出電子了。怪事啊，我的光還很強啊，怎么就照射不出電子了呢？1905年，愛因斯坦假設金屬中電子接收光也是按照一份兒一份兒的體例接收光的能量，一份兒光的能量是 hν，電子從金屬中逃出還需要降服一個最低的能量門檻兒Φ（逸出功，是材料之特心猿意馬概況的特征），這樣出射電子的最大動能就是

，這個公式完美地詮釋了圖7中的嘗試成果。這是確立光具有能量量子的關頭一步，愛因斯坦是以獲得諾貝爾物理獎。

圖7. 光電效應裝配（上）及嘗試成果（下）

好了，列位看官，你已經看到了圖1中的裝配和它的簡單革新（好比圖7）發生了諸多改變宿世界的科學，讓相關科學家獲得了一批諾貝爾物理獎。此刻，該我們出高考題的講授名師教研員登場了。他們對圖7中裝配有關的物理進行了大開腦洞的、具有特色的神操作，如圖8。

那個神高考題是這樣說的，看圖8中的裝配，光照射到極板P上，在外部的閉合電路中會測量到一個電流（曹評：嗯，沒錯，光從極板中打出電子形當作電流，電流巨細取決于光束從極板在單元時候內打出的電子數）；若將外部電路斷開，會測到一個開路電壓（曹評：嗯，這個也沒錯。光打出來的電子儲蓄積累在對面電極上，形當作一個高電位，直到足以阻止后繼電子的出射達到均衡為止。這個電壓等于

）。到此還算OK，接下來的就讓人忍俊不禁了。這個神高考物理題問：這個裝配的內阻是幾多？我估量它等候的謎底就是開路電壓除以閉路電流，獲得一個值就是這個裝配的內阻。問題是，出題者大人，這個裝配有內阻這檔子事兒嗎？這個裝配，它的開路電壓取決于所利用光的頻率和極板材料之特心猿意馬概況，而它的電流取決于所利用光的頻率、強度和電極材料的電子布局（electronic structure），這滿滿地都是真正物理的工具，在您眼里當作了一節干電池？莫非若利用波長長一點的光，開路電壓和閉路電流都為零，這個裝配的內阻是肆意值？

圖8 考題革新了的光電效應嘗試裝配示意圖

對于這么個將一座諾貝爾獎富礦給糟踐當作一節干電池的高考題，真是是可忍，孰不成忍；叔可忍，嬸兒也不成忍。然而，實際是我們竟然就這么忍下來了！連姬教員都說他若碰到了他也認慫。可是，我們的大好少年在大好光陰里要被人用這種胡編亂造的物理題練習和選拔，這種場合排場到底還要持續多久，我們真的就可以這么繼續無動于衷嗎？

曹教員想說，作為教員從事講授，除了混飯吃以外，本家兒要目標是把學問傳承下去。出考題不是為了顯擺自家學問，不是為了難為孩子，更不成覺得了某些不便利說的詭計而胡編亂造！一小我當上了教員名師教研員啥的，應該對學問有起碼的敬畏心，要把教育事業崗亭當當作繼續進修的動力和便當，要把本身的學識提高到遠高于本身所傳授內容的程度才好。在一個層面上從事教育工作而不具有遠高于該講授層面的常識程度，偏又為了爭風頭而別開生面胡編亂造，這種立場其實不成取。

至于家長們，要鼓動勉勵孩子當真地追肄業問而不是跟班錯誤的批示棒去追求分數。讓孩子當作為真正的善思慮者，連結興旺的求知欲，不竭地晉升本身追求常識的條理，孩子將來才能當作為真正有常識的人。做怙恃為此要上點兒心。跟從這種差勁的批示棒，有些孩子把本身練習當作了刷題好手、得分機械，由此順遂考入名校，這在面前看似是個大廉價，久遠看來未必是功德。入了名校卻不會進修，將來的路就很艱難了。看官若不信，那就不信吧，權當我沒說。

特別提示

《返樸》，致力好科普。國際聞名物理學家文小剛與生物學家顏寧聯袂擔任總編，與幾十位學者構成的編委會一路，與你配合求索。二次轉載或合作請聯系fanpu2019@outlook.com。