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一座物理诺奖矿是如何变成高考烂题的?| 贤说八道

科界 07月10日

​​撰文 | 曹则贤(中国科学院物理研究所研究员)

一座好端端的诺贝尔物理奖矿,在我们这里竟然被弄成了一道高考烂题,实在是一件不容易的事情。伦琴、伦纳德、汤姆森、玻尔、爱因斯坦等诺奖得主要是知道他们得诺奖的装置在我们的高考物理出题人眼里不过是一节干电池,不知道会作何感想。该正视我们的物理课本、物理考题胡编乱造的问题了!

姬扬姬老师曾经曰过:“世界上有两种物理。一种是物理,一种是考试物理。”这考试物理,其特色是胡编乱造!!!各位看官,你随便拿过一本中学物理课本看上两眼,便知姬老师(中国科学院半导体研究所)高人,所言不虚。早些年小儿读中学,不得已要辅导他功课,见那物理教科书是通篇皆有错,曹老师在下鄙人兄弟我那时不知天高地厚,仗着俺单位后台(中国科学院物理研究所)硬,一时兴起抄起电话打到了朝中的课本司,报告官员这个物理课本里实在错误太多,怕是会误人子弟云云。有司官员电话中呵斥道:“呔,兀那曹老师,不可信口雌黄。课本乃国之重器,都是聘请著名学者专家教研员编纂的,焉有出错之理?” 及至曹老师想再问编课本的著名学者专家教研员高姓大名、家乡何处、是否婚娶、可曾进学,有司官员在那头已经撂下了电话,独留曹老师在电话这头呆若木鸡。

各位看官,若只是课本有错,那还是好的,毕竟你可以找不同的书参校着看,或者找旁人理论一番。倘若是考试的时候,尤其是高考这种决定命运的考试,你遇到了专家学者名师教研员们匠心独运、锐意创新所胡编乱造出来的题目,你可如何是好?想那姬老师何许人也,他也说就算明明知道这题儿荒唐透顶,也只有认怂。一道物理大题15分左右,若是不认同出题人的胡编乱造而丢了这15分,你日后得了诺奖也修复不了当年害怕落榜的心理创伤。

如今单说某年某地有一道高考物理大题,题目涉及的内容在物理学上是一座诺奖富矿,一众洋人凭着在该题中所涉及的装置获得了若干诺贝尔物理奖,发现了电子、X-射线、光电效应、原子发光的跃迁过程、原子中电子能级量子化,发明了气体放电灯、电视机、电子显微镜,发展了光谱学、量子力学等等,极大地促进了人类社会文明的发展。而这么高大上的装置在俺们的物理高考题里被专家学者教学名师教研员愣是给当成了一节干电池。对哦,你没看错,在这些专家学者教学名师教研员的眼里那玩意儿竟然是个干电池,高考同学的任务是计算这个装置的内阻。开路电压除以闭路电流,此之谓内阻——管你那玩意儿是什么结构,出过几个诺贝尔奖,咱们课本里的物理就是这么定义的!当初看到这道高考物理题时,曹老师仿佛看到一个锦衣玉食、仪态万方的皇后娘娘落入了蟊贼之手,顺利地被他们改造成了杠杠的烧火大妈。

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图1. 一对金属电极封装在玻璃管里,就是一座物理诺奖富矿

看官,我说的装置是这个样子的,一对金属做成的电极,封装在玻璃管里,玻璃管的气体可以抽出来(图1),就这么简单!接上直流电源,你会发现随着气压降低,气体柱会因为放电而亮起来。嘿嘿,若玻璃管里充入不同的气体你能得到不同颜色的灯(图2)。这个放电气体柱靠近阴极的部分有个暗区,给定的电压下,气压越低,暗区就越向阳极方向延伸。问题来了,若暗区一直延伸到阳极,会发生什么呢?让曹老师没猜到的是,阳极亮了。阳极亮了,是什么让它亮的?在阴极-阳极之间放上个物体,阳极一侧竟然还有影子(图3)!没说的,一定有一种跟光不一样的射线把阳极给照亮了。这种射线被顺势称为阴极射线,后来被确定为电子。1905年伦纳德(Philipp Lenard, 1862-1947)因为对阴极射线的研究(荷质比的测量)获得诺贝尔物理奖,1906年汤姆森(Joseph John Thomson, 1856-1940)因为对放电管中气体导电的研究,关键是电子的发现(确认阴极射线是一种带电粒子)而获得诺贝尔物理奖。

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图2. 在图1中的玻璃管中充入不同的气体,就能得到不同颜色的气体放电灯

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图3. 在阴极-阳极之间放上障碍物,那看不见的阴极射线竟然能造成影子

为了将这种阴极射线引出来研究,人们在玻璃管上开了孔,用薄金属箔封上,结果为了用荧光板确认阴极射线是否被引出来了,人们发现很远的地方的荧光板竟然也亮了——那是阴极射线不能到达的地方啊?一定是有一种不知道的新射线。不知道的嘛,那就是X-射线。X-射线厉害啊,穿透力很强,可以为人体甚至钢铁结构造影(图4)。1901年,伦琴(Wilhelm Conrad Röntgen,1845-1923)因为X-射线的发现获得了首届诺贝尔物理学奖。X-射线的应用获得了一系列的诺贝尔奖,其中物理奖就有4个之多,包括1914年劳厄(Max von Laue, 1879-1960)因为发现X-射线衍射,1915年布拉格父子(Sir William Henry Bragg, 1862-1942; William Lawrence Bragg,1890-1971)因为用X-射线研究晶体结构,西格班父子 (Kai Siegbahn,1918-2007;Karl Siegbahn, 1886-1978)因为X射线谱学的研究(分别于1924年和1981年获奖)。

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图4. 伦琴用X-射线拍摄的其夫人左手的照片

既然阴极能发出阴极射线(电子),那怎么才能发射更多呢?阴极板上有毛刺儿会更有效地发射电子。好吧,那就干脆就用针尖状的阴极,由此衍生了电子枪,这进一步让人们制造出了电视机、电子显微镜等。1986年,鲁斯卡(Ernst Ruska, 1906-1988)因电子显微镜的发明而获得诺贝尔物理奖。用图5中改造的电极构型,中间充入稀薄的水银蒸汽,测量其电流-电压曲线,会发现每隔4.9 V 电流就会出现一个抬高的峰。这证明了电子在原子中的能量真是分立的, 这也是导致量子力学建立的一个重要实验事实。这让弗兰克(James Franck, 1882-1964)和赫兹(Gustav Ludwig Hertz, 1887-1975,乃天才Heinrich Hertz(1857-1894)的侄子)获得了1925年的诺贝尔物理奖。

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图5. 弗兰克-赫兹实验的装置(上)和结果(下)

放电管充入不同的气体,会发出不同的光谱线。若是充入氢气,会得到氢气的谱线,那时候可分辨的就是简单的四条(图6),比较好研究。对氢气谱线的研究得出了其谱线公式为 

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对这个公式的参详,让玻尔(Niels Bohr, 1885-1962)悟出了原子发光的奥秘,提出了跃迁的概念和轨道角动量量子化作为能量量子化的条件,此为旧量子力学的关键内容。玻尔因此获得1922年度的诺贝尔物理奖。

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图6. 氢原子的光谱线。从右到左四条线的波长分别为6562.1, 4860.7, 4340.1 和 4101.2埃。从这四个数字可以破解原子发光的奥秘(所谓学过奥数的朋友,请找出它们的规律并导出发光机理和原子能级的量子化条件)

看官,你数数这是几个诺贝尔物理奖了?人家就用这么个装置,获得了那么多真正的知识,在那么那么大的程度上推进了人类的进步(你还记得从前看电视的兴奋吗?)。哦,对了,我还忘了,让爱因斯坦(Albert Einstein, 1879-1955)获得1921年度诺贝尔物理奖的也是图1装置上得来的结果。

让爱因斯坦获得诺贝尔奖的是关于光电效应的研究,实验是别人做的,用的是图1的装置,不过得略改装一下,要用光照射阴极(图7)。光照会促进阴极发射电子出来。研究发现,用不同金属做成的阴极,被光从中照出的电子所拥有的最大动能 Ek 是不一样的。用波长越长的光照射阴极,出来的电子最大动能就越小,则在阳极上加上一个越低的反向电压(弄得阳极成了阴极似的)就能把出射电子全部给阻挡回去。当入射波长长到一定程度时,光根本就照射不出电子了。怪事啊,我的光还很强啊,怎么就照射不出电子了呢?1905年,爱因斯坦假设金属中电子吸收光也是按照一份儿一份儿的方式吸收光的能量,一份儿光的能量是 hν,电子从金属中逃出还需要克服一个最低的能量门槛儿 Φ (逸出功,是材料之特定表面的特性),这样出射电子的最大动能就是 Ek=hν-Φ ,这个公式完美地解释了图7中的实验结果。这是确立光具有能量量子的关键一步,爱因斯坦因此获得诺贝尔物理奖。

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图7. 光电效应装置(上)及实验结果(下)

好了,各位看官,你已经看到了图1中的装置和它的简单改造(比如图7)产生了诸多改变世界的科学,让相关科学家获得了一批诺贝尔物理奖。现在,该我们出高考题的教学名师教研员登场了。他们对图7中装置有关的物理进行了大开脑洞的、具有特色的神操作,如图8。

那个神高考题是这样说的,看图8中的装置,光照射到极板P上,在外部的闭合电路中会测量到一个电流(曹评:嗯,没错,光从极板中打出电子形成电流,电流大小取决于光束从极板在单位时间内打出的电子数);若将外部电路断开,会测到一个开路电压(曹评:嗯,这个也没错。光打出来的电子积聚在对面电极上,形成一个高电位,直到足以阻止后继电子的出射达到平衡为止。这个电压等于 Ek/e = (hν-Φ) /e )。到此还算OK,接下来的就让人忍俊不禁了。这个神高考物理题问:这个装置的内阻是多少?我估计它期待的答案就是开路电压除以闭路电流,得到一个值就是这个装置的内阻。问题是,出题者大人,这个装置有内阻这档子事儿吗?这个装置,它的开路电压取决于所使用光的频率和极板材料之特定表面,而它的电流取决于所使用光的频率、强度和电极材料的电子结构(electronic structure),这满满地都是真正物理的东西,在您眼里成了一节干电池?难道若使用波长长一点的光,开路电压和闭路电流都为零,这个装置的内阻是任意值?

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图8 考题改造了的光电效应实验装置示意图

对于这么个将一座诺贝尔奖富矿给糟践成一节干电池的高考题,真是是可忍,孰不可忍;叔可忍,婶儿也不可忍。然而,现实是我们竟然就这么忍下来了!连姬老师都说他若遇到了他也认怂。可是,我们的大好少年在大好时光里要被人用这种胡编乱造的物理题训练和选拔,这种局面到底还要持续多久,我们真的就可以这么继续无动于衷吗?

曹老师想说,作为老师从事教学,除了混饭吃以外,主要目的是把学问传承下去。出考题不是为了显摆自家学问,不是为了难为孩子,更不可以为了某些不方便说的企图而胡编乱造!一个人当上了老师名师教研员啥的,应该对学问有起码的敬畏心,要把教育事业岗位当成继续学习的动力和便利,要把自己的学识提高到远高于自己所教授内容的水平才好。在一个层面上从事教育工作而不具有远高于该教学层面的知识水平,偏又为了争风头而别出心裁胡编乱造,这种态度实在不可取。

至于家长们,要鼓励孩子认真地追求学问而不是跟从错误的指挥棒去追求分数。让孩子成为真正的善思考者,保持旺盛的求知欲,不断地提升自己追求知识的层次,孩子未来才能成为真正有知识的人。做父母为此要上点儿心。跟随这种低劣的指挥棒,有些孩子把自己训练成了刷题好手、得分机器,由此顺利考入名校,这在眼前看似是个大便宜,长远看来未必是好事。入了名校却不会学习,未来的路就很艰难了。看官若不信,那就不信吧,权当我没说。

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