一个物理诺奖富矿是如何变成高考烂题的？

一座好端端的诺贝尔物理奖富矿，在我们这里竟然被弄当作了一道高考烂题，其实是一件不轻易的工作。伦琴、伦纳德、汤姆森、玻尔、爱因斯坦等诺奖得本家儿如果知道他们得诺奖的装配在我们的高考物理出题人眼里不外是一节干电池，不知道会作何感触。该正视我们的物理讲义、物理考题胡编乱造的问题了！

撰文 | 曹则贤（中国科学院物理研究所研究员）

姬扬姬教员曾经曰过：“宿世界上有两种物理。一种是物理，一种是测验物理。”这测验物理，其特色是胡编乱造！！！列位看官，你随便拿过一本中学物理讲义看上两眼，便知姬教员（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，不得已要教导他功课，见那物理教科书是通篇皆有错，曹教员鄙人不才兄弟我那时不知天高地厚，仗着俺单元后台（中国科学院物理研究所）硬，一时鼓起抄起德律风打到了朝中的讲义司，陈述官员这个物理讲义里其实错误太多，怕是会误人后辈如此。有司官员德律风中呵叱道：“呔，兀那曹教员，不成信口雌黄。讲义乃国之重器，都是礼聘闻名学者专家教研员编纂的，焉有犯错之理？” 及至曹教员想再问编讲义的闻名学者专家教研员高姓台甫、家乡何处、是否婚娶、可曾进学，有司官员在那头已经撂下了德律风，独留曹教员在德律风这头呆若木鸡。

列位看官，若只是讲义有错，那仍是好的，究竟结果你可以找分歧的书参校着看，或者找旁人理论一番。借使倘使是测验的时辰，尤其是高考这种决议命运的测验，你碰到了专家学者名师教研员们匠心独运、克意立异所胡编乱造出来的标题问题，你可如之奈何？想那姬教员何许人也，他也说就算明明知道这题儿荒诞乖张透顶，也只有认怂。一道物理大题15分摆布，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昔时害怕落榜的心理创伤。

现在单说某年某地有一道高考物理大题，标题问题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配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，发现了气体放电灯、电视机、电子显微镜，成长了光谱学、量子力学等等，极大地促进了人类社会文明的成长。而这么高峻上的装配在俺们的物理高考题里被专家学者讲授名师教研员愣是给当当作了一节干电池。对哦，你没看错，在这些专家学者讲授名师教研员的眼里那玩意儿竟然是个干电池，高考同窗的使命是计较这个装配的内阻。开路电压除以闭路电流，此之谓内阻——管你那玩意儿是什么布局，出过几个诺贝尔奖，咱们讲义里的物理就是这么界说的！当初看到这道高考物理题时，曹教员仿佛看到一个金衣玉食、仪态万方的皇后娘娘落入了蟊贼之手，顺遂地被他们革新当作了杠杠的烧火大妈。

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，我说的装配是这个样子的，一对金属做当作的电极，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，你会发现跟着气压降低，气体柱会因为放电而亮起来。嘿嘿，若玻璃管里充入分歧的气体你能获得分歧颜色的灯（图2）。这个放电气体柱接近阴极的部门有个暗区，给心猿意马的电压下，气压越低，暗区就越标的目的阳极偏向延长。问题来了，若暗区一向延长到阳极，会发生什么呢？让曹教员没猜到的是，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，必然有一种跟光纷歧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，关头是电子的发现（确认阴极射线是一种带电粒子）而获得诺贝尔物理奖。

图2. 在图1中的玻璃管中充入分歧的气体，就能获得分歧颜色的气体放电灯

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当作影子

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，成果为了用荧光板确认阴极射线是否被引出来了，人们发现很远的处所的荧光板竟然也亮了——那是阴极射线不克不及达到的处所啊？必然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，可觉得人体甚至钢铁布局造影（图4）。1901年，伦琴（Wilhelm Conrad R?ntgen，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，此中物理奖就有4个之多，包罗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-射线研究晶体布局，西格班父子（Kai Siegbahn，1918-2007；Karl Siegbahn, 1886-1978）因为X射线谱学的研究（别离于1924年和1981年获奖）。

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用地发射电子。好吧，那就爽性就用针尖状的阴极，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）因电子显微镜的发现而获得诺贝尔物理奖。用图5中革新的电极构型，中心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 电流就会呈现一个举高的峰。这证实了电子在原子中的能量真是分立的, 这也是导致量子力学成立的一个主要尝试事实。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。

图5. 弗兰克-赫兹尝试的装配（上）和成果（下）

放电管充入分歧的气体，会发出分歧的光谱线。若是充入氢气，会获得氢气的谱线，那时辰可分辩的就是简单的四条（图6），比力好研究。对氢气谱线的研究得出了其谱线公式为

。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前提，此为旧量子力学的关头内容。玻尔是以获得1922年度的诺贝尔物理奖。

图6. 氢原子的光谱线。从右到左四条线的波长别离为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（所谓学过奥数的伴侣，请找出它们的纪律并导出发光机理和原子能级的量子化前提）

看官，你数数这是几个诺贝尔物理奖了？人家就用这么个装配，获得了那么多真正的常识，在那么那么大的水平上推进了人类的前进（你还记得畴前看电视的兴奋吗？）。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装配上得来的成果。

让爱因斯坦获得诺贝尔奖的是关于光电效应的研究，尝试是别人做的，用的是图1的装配，不外得略改装一下，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，用分歧金属做当作的阴极，被光从中照出的电子所拥有的最大动能 Ek是纷歧样的。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标的目的电压（弄得阳极当作了阴极似的）就能把出射电子全数给反对归去。当入射波长长到必然水平时，光底子就照射不出电子了。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接收光也是按照一份儿一份儿的体例接收光的能量，一份儿光的能量是 hν，电子从金属中逃出还需要降服一个最低的能量门槛儿Φ（逸出功，是材料之特心猿意马概况的特征），这样出射电子的最大动能就是

，这个公式完美地诠释了图7中的尝试成果。这是确立光具有能量量子的关头一步，爱因斯坦是以获得诺贝尔物理奖。

图7. 光电效应装配（上）及尝试成果（下）

好了，列位看官，你已经看到了图1中的装配和它的简单革新（好比图7）发生了诸多改变宿世界的科学，让相关科学家获得了一批诺贝尔物理奖。此刻，该我们出高考题的讲授名师教研员登场了。他们对图7中装配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中的装配，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当作电流，电流巨细取决于光束从极板在单元时候内打出的电子数）；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。光打出来的电子储蓄积累在对面电极上，形当作一个高电位，直到足以阻止后继电子的出射达到均衡为止。这个电压等于

）。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：这个装配的内阻是几多？我估量它等候的谜底就是开路电压除以闭路电流，获得一个值就是这个装配的内阻。问题是，出题者大人，这个装配有内阻这档子事儿吗？这个装配，它的开路电压取决于所利用光的频率和极板材料之特心猿意马概况，而它的电流取决于所利用光的频率、强度和电极材料的电子布局（electronic structure），这满满地都是真正物理的工具，在您眼里当作了一节干电池？莫非若利用波长长一点的光，开路电压和闭路电流都为零，这个装配的内阻是肆意值？

图8 考题革新了的光电效应尝试装配示意图

对于这么个将一座诺贝尔奖富矿给糟践当作一节干电池的高考题，真是是可忍，孰不成忍；叔可忍，婶儿也不成忍。然而，实际是我们竟然就这么忍下来了！连姬教员都说他若碰到了他也认怂。可是，我们的大好少年在大好光阴里要被人用这种胡编乱造的物理题练习和选拔，这种场合排场到底还要持续多久，我们真的就可以这么继续无动于衷吗？

曹教员想说，作为教员从事讲授，除了混饭吃以外，本家儿要目标是把学问传承下去。出考题不是为了显摆自家学问，不是为了难为孩子，更不成觉得了某些不便利说的诡计而胡编乱造！一小我当上了教员名师教研员啥的，应该对学问有起码的敬畏心，要把教育事业岗亭当当作继续进修的动力和便当，要把本身的学识提高到远高于本身所传授内容的程度才好。在一个层面上从事教育工作而不具有远高于该讲授层面的常识程度，偏又为了争风头而别开生面胡编乱造，这种立场其实不成取。

至于家长们，要鼓动勉励孩子当真地追肄业问而不是跟班错误的批示棒去追求分数。让孩子当作为真正的善思虑者，连结兴旺的求知欲，不竭地晋升本身追求常识的条理，孩子将来才能当作为真正有常识的人。做怙恃为此要上点儿心。跟从这种差劲的批示棒，有些孩子把本身练习当作了刷题好手、得分机械，由此顺遂考入名校，这在面前看似是个大廉价，久远看来未必是功德。入了名校却不会进修，将来的路就很艰难了。看官若不信，那就不信吧，权当我没说。

特别提示

《返朴》，致力好科普。国际闻名物理学家文小刚与生物学家颜宁联袂担任总编，与几十位学者构成的编委会一路，与你配合求索。二次转载或合作请联系fanpu2019@outlook.com。