一座物理學諾獎礦是如何變成高考爛題的？

來源：返樸（ID：fanpu2019）

作者：曹則賢（中國科學院物理研究所研究員、博士生導師）

姬揚老師曾經說過：“世界上有兩種物理。一種是物理，一種是考試物理。”各位看官，你隨便拿過一本中學物理課本看上兩眼，便知姬老師（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，不得已要輔導他功課，見那物理教科書是通篇皆有錯，我那時不知天高地厚，仗着俺單位後臺（中國科學院物理研究所）硬，一時興起抄起電話打到了朝中的課本司，報告官員這個物理課本里實在錯誤太多，怕是會誤人子弟云云。有司官員電話中呵斥道：“呔，曹老師，不可信口雌黃。課本乃國之重器，都是聘請著名學者專家教研員編纂的，焉有出錯之理？” 及至曹老師想再問編課本的著名學者專家教研員高姓大名、家鄉何處、是否婚娶、可曾進學，有司官員在那頭已經撂下了電話，獨留曹老師在電話這頭呆若木雞。

各位看官，若只是課本有錯，那還是好的，畢竟你可以找不同的書參校着看，或者找旁人理論一番。倘若是考試的時候，尤其是高考這種決定命運的考試，你遇到了專家學者名師教研員們匠心獨運、銳意創新所胡編亂造出來的題目，你可如何是好？想那姬老師何許人也，他也說就算明明知道這題兒荒唐透頂，也只有認慫。一道物理大題15分左右，若是不認同出題人的胡編亂造而丟了這15分，你日後得了諾獎也修復不了當年害怕落榜的心理創傷。

如今單說某年某地有一道高考物理大題，題目涉及的內容在物理學上是一座諾獎富礦，一衆洋人憑着在該題中所涉及的裝置獲得了若干諾貝爾物理學獎，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，發明了氣體放電燈、電視機、電子顯微鏡，發展了光譜學、量子力學，等等，極大地促進了人類社會文明的發展。

而這麼高大上的裝置在俺們的物理高考題裏被專家學者教學名師教研員愣是給當成了一節乾電池。對哦，你沒看錯，在這些專家學者教學名師教研員的眼裏那玩意兒竟然是個乾電池，高考同學的任務是計算這個裝置的內阻。開路電壓除以閉路電流，此之謂內阻——管你那玩意兒是什麼結構，出過幾個諾貝爾獎，咱們課本里的物理就是這麼定義的！當初看到這道高考物理題時，曹老師彷彿看到一個錦衣玉食、儀態萬方的皇后娘娘落入了蟊賊之手，順利地被他們改造成了槓槓的燒火大媽。

圖1. 一對金屬電極封裝在玻璃管裏，就是一座物理諾獎富礦

看官，我說的裝置是這個樣子的，一對金屬做成的電極，封裝在玻璃管裏，玻璃管的氣體可以抽出來（圖1），就這麼簡單！接上直流電源，你會發現隨着氣壓降低，氣體柱會因爲放電而亮起來。嘿嘿，若玻璃管裏充入不同的氣體你能得到不同顏色的燈（圖2）。

這個放電氣體柱靠近陰極的部分有個暗區，給定的電壓下，氣壓越低，暗區就越向陽極方向延伸。問題來了，若暗區一直延伸到陽極，會發生什麼呢？讓曹老師沒猜到的是，陽極亮了。陽極亮了，是什麼讓它亮的？在陰極-陽極之間放上個物體，陽極一側竟然還有影子（圖3）！一定有一種跟光不一樣的射線把陽極給照亮了。這種射線被順勢稱爲陰極射線，後來被確定爲電子。

1905年倫納德（Philipp Lenard, 1862-1947）因爲對陰極射線的研究（荷質比的測量）獲得諾貝爾物理學獎，1906年湯姆森（Joseph John Thomson, 1856-1940）因爲對放電管中氣體導電的研究，關鍵是對電子的發現（確認陰極射線是一種帶電粒子）而獲得諾貝爾物理學獎。

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成影子

爲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，結果爲了用熒光板確認陰極射線是否被引出來了，人們發現很遠的地方的熒光板竟然也亮了——那是陰極射線不能到達的地方啊，一定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，可以爲人體甚至鋼鐵結構造影（圖4）。

1901年，倫琴（Wilhelm Conrad Röntgen，1845-1923）因爲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，其中物理學獎就有4個之多，包括1914年勞厄（Max von Laue, 1879-1960）因爲發現X-射線衍射，1915年布拉格父子（Sir William Henry Bragg, 1862-1942; William Lawrence Bragg，1890-1971）因爲用X-射線研究晶體結構，西格班父子（Kai Siegbahn，1918-2007；Karl Siegbahn, 1886-1978）因爲X射線譜學的研究（分別於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），那怎麼才能發射更多呢？陰極板上有毛刺兒會更有效地發射電子。好吧，那就乾脆就用針尖狀的陰極，由此衍生了電子槍，這進一步讓人們製造出了電視機、電子顯微鏡等。

1986年，魯斯卡（Ernst Ruska, 1906-1988）因電子顯微鏡的發明而獲得諾貝爾物理學獎。用圖5中改造的電極構型，中間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 電流就會出現一個抬高的峯。這證明了電子在原子中的能量真是分立的, 這也是導致量子力學建立的一個重要實驗事實。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年的諾貝爾物理學獎。

圖5. 弗蘭克-赫茲實驗的裝置（上）和結果（下）

放電管充入不同的氣體，會發出不同的光譜線。若是充入氫氣，會得到氫氣的譜線，那時候可分辨的就是簡單的四條（圖6），比較好研究。對氫氣譜線的研究得出了其譜線公式爲。對這個公式的參詳，讓玻爾（Niels Bohr, 1885-1962）悟出了原子發光的奧祕，提出了躍遷的概念和軌道角動量量子化作爲能量量子化的條件，此爲舊量子力學的關鍵內容。玻爾因此獲得1922年度的諾貝爾物理學獎。

圖6. 氫原子的光譜線。從右到左四條線的波長分別爲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祕（所謂學過奧數的朋友，請找出它們的規律並導出發光機理和原子能級的量子化條件）

看官，你數數這是幾個諾貝爾物理學獎了？人家就用這麼個裝置，獲得了那麼多真正的知識，在那麼大的程度上推進了人類的進步（你還記得從前看電視的興奮嗎？）。哦，對了，我還忘了，讓愛因斯坦（Albert Einstein, 1879-1955）獲得1921年度諾貝爾物理學獎的也是圖1裝置上得來的結果。

讓愛因斯坦獲得諾貝爾獎的是關於光電效應的研究，實驗是別人做的，用的是圖1的裝置，不過得略改裝一下，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，用不同金屬做成的陰極，被光從中照出的電子所擁有的最大動能 Ek 是不一樣的。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向電壓（弄得陽極成了陰極似的）就能把出射電子全部給阻擋回去。當入射波長長到一定程度時，光根本就照射不出電子了。怪事啊，我的光還很強啊，怎麼就照射不出電子了呢？1905年，愛因斯坦假設金屬中電子吸收光也是按照一份兒一份兒的方式吸收光的能量，一份兒光的能量是 hν，電子從金屬中逃出還需要克服一個最低的能量門檻兒 Φ （逸出功，是材料之特定表面的特性），這樣出射電子的最大動能就是 Ek=hν-Φ ，這個公式完美地解釋了圖7中的實驗結果。這是確立光具有能量量子的關鍵一步，愛因斯坦因此獲得諾貝爾物理學獎。

圖7. 光電效應裝置（上）及實驗結果（下）

好了，各位看官，你已經看到了圖1中的裝置和它的簡單改造（比如圖7）產生了諸多改變世界的科學，讓相關科學家獲得了一批諾貝爾物理學獎。現在，該我們出高考題的教學名師教研員登場了。他們對圖7中裝置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中的裝置，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成電流，電流大小取決於光束從極板在單位時間內打出的電子數）；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。光打出來的電子積聚在對面電極上，形成一個高電位，直到足以阻止後繼電子的出射達到平衡爲止。這個電壓等於 Ek/e = (hν-Φ) /e ）。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：這個裝置的內阻是多少？我估計它期待的答案就是開路電壓除以閉路電流，得到一個值就是這個裝置的內阻。問題是，出題者大人，這個裝置有內阻這檔子事兒嗎？這個裝置，它的開路電壓取決於所使用光的頻率和極板材料之特定表面，而它的電流取決於所使用光的頻率、強度和電極材料的電子結構（electronic structure），這滿滿地都是真正物理的東西，在您眼裏成了一節乾電池？難道若使用波長長一點的光，開路電壓和閉路電流都爲零，這個裝置的內阻是任意值？

圖8 考題改造了的光電效應實驗裝置示意圖

對於這麼個將一座諾貝爾獎富礦給糟踐成一節乾電池的高考題，真是是可忍，孰不可忍；叔可忍，嬸兒也不可忍。然而，現實是我們竟然就這麼忍下來了！連姬老師都說他若遇到了他也認慫。可是，我們的大好少年在大好時光裏要被人用這種胡編亂造的物理題訓練和選拔，這種局面到底還要持續多久，我們真的就可以這麼繼續無動於衷嗎？

曹老師想說，老師從事教學，除了混飯喫以外，主要目的是把學問傳承下去。出考題不是爲了顯擺自家學問，不是爲了難爲孩子，更不可以爲了某些不方便說的企圖而胡編亂造！一個人當上了老師名師教研員啥的，應該對學問有起碼的敬畏心，要把教育事業崗位當成繼續學習的動力和便利，要把自己的學識提高到遠高於自己所教授內容的水平纔好。在一個層面上從事教育工作而不具有遠高於該教學層面的知識水平，偏又爲了爭風頭而別出心裁胡編亂造，這種態度實在不可取。

至於家長們，要鼓勵孩子認真地追求學問而不是跟從錯誤的指揮棒去追求分數。讓孩子成爲真正的善思考者，保持旺盛的求知慾，不斷地提升自己的求知境界，孩子未來才能成爲真正有知識的人。做父母爲此要上點兒心。有些孩子把自己訓練成了刷題好手、得分機器，由此順利考入名校，這在眼前看似是個大便宜，長遠看來未必是好事。入了名校卻不會學習，未來的路就很艱難了。看官若不信，那就不信吧，權當我沒說。

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