在《一座物理诺奖矿是如何变成高考烂题的?》一文中,针对某道高考题要求计算光电管的“内阻”,作者提出质疑:“该装置有内阻这档子事吗?”这个曾让爱因斯坦因光电效应而获得诺贝尔奖的实验装置,可以简单通过开路电压除以闭路电流来计算电阻吗?
文章发表后引起了广泛讨论,其中一些争执不下的讨论似可以归结为物理人和工程人看待问题的不同视角。在下面这篇文章中,作者从电路分析的工程学角度回应了问题,并给出了光电管等效内阻的测试与计算方法。我们刊发这篇文章,一方面是展现看待问题的另一种视角,另一方面,本文可算是一篇电路科普。关于相关高考题之是非,各位朋友可自行辨析。
如果有人问你:“光电管是干电池吗?”你当然可以直接了当地回答:“不是。”但倘若有人进一步追问:“为什么不是?”你的答案应如是:“干电池是把化学能转化成电能;光电管是把光能转化成电能。所以,光电管不是干电池。进一步说,光电管的转化效率极低,没有人把光电管当电池用。”更有人追问:“光电管和干电池在有些情况下,可以使用相同的电路模型吗?”答案是:“当然可以。”
曹则贤兄在《一座物理诺奖矿是如何变成高考烂题的?》一文中,针对某年某月某地的高考题提出疑问,如下。图1某高考题的光电管短路电流和开路电压测试示意。题目的原意,是求取光电管的内阻。其使用的公式,是每个学过电路知识的人都知道的:曹则贤兄认为,光电管它就不是一节干电池,不能套用公式(1)来求内阻。因此,曹兄对这道题提出了“这个装置有内阻这档子事吗?”的质疑。
就这道高考题本身而言,算不得是道好题。原因一是如我开篇所说,由于效率太低,没有人将之当电池用;另一点,一般情况下,当把光电管作为探测器来使用的情况下,是需要外加偏压的,其对应的内阻也不是用此方法求出的值。而这道题,更像是从测量光电效应的实验变化出来的题。至此,我们回答了Jason的问题:开路电压除以短路电流,可以算出一个光电管的内阻。
在一定电压范围内,对某些光电管,这个内阻值是可以用于有关电路的运算的。这里的电阻,只是一个等效的参数,并不一定具有“电阻”原来的含义;电流流过这个“电阻”时,并不是一定产生热能,也不一定转化成其他的能。而就光电管而言,这里的“电阻”就不代表真实的电阻。
因为,在光电管开路时,理想情况是,光电管本身根本没有电流流过,所以也就不存在电阻对能量的消耗;但是如果按照电流源的模型去“理解”,硬算功率,那所有的光电流都流过了内阻,能量完全被消耗了。
曹则贤兄的文章,光电管的内阻只是个引子,其醉翁之意不在酒,而在乎物理与诺奖。所以,对其中的工程模型问题,本是私下讨论即可。而我写这篇文章,源于留言中的太多误解,以及平时同事和朋友对工程技术的忽略。
工程的思想,是要贯彻到实践中的。而模型化、线性化是现代工程最基本的手段之一。如果众多优秀学子对这一思想不了解,则在实验工作和建模工作中,难免走弯路。所以,谨以此小文,略作解释,并希望各位朋友,对工程技术,有一定理解和重视。