第二天一早,是第二輪實驗考試。
陰冷、肅靜的電學實驗室,像一座與世隔絕的深海潛艇。
空氣中,老舊儀器通電后特有的淡淡臭氧味,混合著電路板上助焊劑的松香氣息,構成了一種獨屬于物理學家的“道場”氛圍。
實驗任務是用方波信號,測量一個高頻RL串聯電路的時間常數。
非常標準的電學實驗,也很簡單。
然而教練組卻沒打算讓這幫物理天才們輕松過關,而是加了難度。
林允寧坐在自己的實驗臺前,面前那臺老式的泰克(Tektronix)模擬示波器,如同一頭沉睡的史前巨獸。
厚重的機身上,布滿了密密麻麻的旋鈕和撥桿,散發著幽綠色光芒的CRT屏幕,像它洞悉時間的渾濁眼眸。
監考老師顧偉依舊是一身熨燙得沒有絲毫褶皺的白襯衫,他面無表情地舉起一塊老式的機械秒表,“啪”的一聲,清脆的金屬撞擊聲在寂靜中格外刺耳,如同行刑前的鐘擺。
“計時開始。”
他的聲音和這間實驗室的溫度一樣,沒有絲毫起伏,“本次實驗使用的老款泰克示波器已做降帶寬處理,請注意帶寬—上升沿—時間常數的等價刻畫。實驗報告用牛皮紙袋密封。”
這句輕描淡寫的提醒,如同一句冰冷的咒語,讓考場內所有人的心,都瞬間沉了一下。
降帶寬處理?
這意味著,他們即將面對的,不是一個完美的測量工具。
而是一個本身就帶有“殘疾”的、充滿陷阱的“黑箱”。
這相當于拿刻度不準的尺子去量身高,誤差不大才怪呢。
許嘉誠和周衍對視一眼,都從對方眼中看到了凝重。
當他們按照步驟,將RL串聯電路與方波信號源接通,并將探頭連接到示波器上時,那道致命的陷阱,終于露出了它猙獰的面目。
示波器幽綠色的熒光屏上,那本該是銳利、完美的指數衰減曲線,此刻卻像一個喝醉了酒的醉漢,步履蹣跚。
它的上升沿不再陡峭,而是被嚴重“抹平”;它的拐角不再銳利,而是被“拉長”成一道圓滑的弧線。
“靠,太坑人了……”
許嘉誠低聲咒罵了一句,立刻意識到問題的嚴重性。
“失真了……”
周衍也發現了問題的關鍵,臉色變得無比凝重。
這不是簡單的噪聲,這是一個精心設計的陷阱!
示波器本身響應遲鈍,像一個反應慢了半拍的裁判,它記錄下的,根本不是信號真實的樣子!
如果直接對這條被“抹平”和“拉長”的失真曲線進行擬合,得出的時間常數,將與真實值謬以千里!
考場的氣氛,瞬間壓抑到了冰點。
衛驍眉頭微微皺起,但依舊是那副泰山崩于前而色不變的沉穩模樣。
她沒有絲毫的慌亂,立刻選擇了最嚴謹但也最耗時的物理方法——
她開始更換不同阻值的精密電阻,測量多組失真的上升沿時間t_r。
她打算作圖,用t_r2對(1/R)2進行線性回歸。
這樣的話,截距便是示波器自身的等效上升沿,而斜率則能反推出電感L,再換算出目標電阻下的τ。
方法穩健、可定量,可分析,但極其繁瑣。
而且,對每一次的手動讀數精度,都提出了地獄般的要求。
角落里的杜飛,看著那條非指數曲線,眼中反而閃過一絲興奮。
這正中他的下懷!
他快速撥動旋鈕,開始暴力采集數據。
很快,上百個離散的數據點被收集,記錄。
然后,杜飛開始在草稿紙上對這些“臟數據”進行擬合。
沒過多久,他就建立了一個復雜的雙指數函數模型。
數學上,這個函數能完美地貼合失真曲線。
R2= 0.999!
漂亮的擬合結果!
杜飛笑了,仿佛已經看到了勝利。
雖然他無法解釋模型中兩個時間常數的物理意義,但在他看來,只要數學上能完美貼合,就是勝利。
實驗臺另外一邊。
林允寧看著屏幕上那條“失真”的曲線,撇了撇嘴,心里無奈地嘀咕道:
“得,這哪是測電路,這是讓咱們先給這臺老古董做‘體檢報告’啊。”
他沒有像其他人一樣,急于去測量那個RL電路,而是拿起示波器的10×探頭,將其連接到示波器面板上那個小小的方波校準端。
屏幕上出現一個標準的1kHz方波,但頂部有些微的傾斜。
他拿出調節螺絲刀,極其輕柔地旋轉著探頭上的微調補償電容,手指穩定得如同機械臂。
屏幕上,原本略帶“駝峰”的方波,在他的微調下,變成了一個完美的、棱角分明的平頂矩形。
——調平探頭補償。
這個極其專業、卻最容易被忽略的細節,讓一直在場內巡視的顧偉,眼神第一次亮了起來。
“這家伙……想得很細,基本功也很扎實。”
然而,林允寧接下來的操作,才真正讓他明白了什么叫“天馬行空”。
他干脆斷開了RL電路。
“他在干什么?放棄了?”
周衍看得一頭霧水,“不測電路,難道結果還能憑空猜出來?”
“想啥呢,林神仙肯定又要祭出仙法了,你看就完了,肯定又是咱們凡人看不懂的神仙操作。”
許嘉誠早已見怪不怪,隨口回了一句。
神仙施法,讓你隨隨便便就看懂還得了?
只見林允寧斷開了所有電路后,直接將一個上升沿遠快于示波器的方波信號源,接入了示波器。
屏幕上,一個完美的階躍信號,被這臺老舊的儀器無情地“拉伸”成了一條圓滑的指數上升曲線。
這就是示波器自身的“素顏照”——
它的階躍響應函數!
林允寧沒有絲毫猶豫,迅速讀下這條曲線的數據,用最簡單的RC充電模型 V(t)= V?(1 - e^(-t/τ_scope))進行擬合。
不到五分鐘,他就極其精準地計算出了這臺示波器自身的“病灶”——
它的等效時間常數τ_scope。
“原來如此……”
顧偉點點頭,深深吸了一口氣。
這小子的腦回路是怎么設計的?
他沒有去解決問題,而是先給問題本身,畫了一幅精準的“肖像”!
可這樣得到的是一個卷積方程,他打算暴力求解么?
還不等顧偉想明白,林允寧繼續開始了他的神來之筆。
當重新接上RL電路進行測量時,他已經不再是一個盲人摸象的探索者。
他是一位手握“儀器診斷報告”的外科醫生。
他知道,現在測得的失真曲線,是真實的指數衰減信號與示波器這個“RC濾波器”串聯后的結果。
他沒有去硬解復雜的卷積方程,而是在草稿紙上,直接寫出了描述這個物理過程的一階串接微分方程
τ_scope * dy/dt y = x(t)。
然后,他將剛剛測得的τ_scope作為一個已知參數,代入了進去!
整個問題,瞬間被降維!
一個看似無解的難題,瞬間變成了一個只含單個未知數τ_RL的、可以被輕松擬合求解的簡單問題!
整個問題,瞬間被降維!
他最終得到了一個全新的、專為這臺“殘疾”儀器量身定制的擬合函數。
這個函數不再是簡單的指數,但它的物理意義無比清晰。
其中唯一的未知數,就是那個他真正想要求解的τ_RL!
他用這個函數進行擬合。
一次成功!
那條由理論計算出的紅色曲線,如同一道完美的弧線,與屏幕上失真的綠色波形,嚴絲合縫地重疊在了一起!
他直接從這片失真的數據海洋中,“提純”出了最真實、最純粹的物理信號!
“咔噠。”
林允寧輕輕合上筆帽,將那份寫得干干凈凈的實驗報告,第一個交了上去。
……
考試結束的鈴聲響起。
顧偉在投影儀上,展示了幾份典型的報告。
他先是指著杜飛那份R2=0.999的“完美”擬合曲線,語氣卻異常冰冷:
“杜飛同學,雙指數函數在數學上,確實是雙一階串接系統的解。但你沒有告訴我,你的模型中,參數與物理對象——線圈L、電阻R、示波器τ_scope——如何對應。
“你只是在用一個復雜的函數去描摹一個結果,這叫數字游戲。
“這不是物理。”
這番毫不留情的點評,讓杜飛的臉色瞬間變得煞白。
接著,顧偉切換到了林允寧的報告。
他沒有展示最后那個精確到令人發指的結果,而是只展示了第一步——
那張標定示波器響應函數的圖。
“在座的所有人,都在想辦法解決RL電路的問題。只有林允寧同學,他先解決了我們所有人都忽略了的關鍵問題——
“我們用來測量的工具本身,是否可靠。”
他頓了頓,環視全場,最終的目光落在最后一排的林允寧身上,一字一頓地說道:
“他沒有把儀器當成一個完美的黑箱,而是把它也視為了整個物理系統的一部分,為它建模,將它的影響從最終結果中精確地剔除。這,才是實驗物理學的靈魂。”
這番話,如同驚雷,在每個人的腦海中炸響。
杜飛看著投影上林允寧那清晰的物理模型,再看看自己那一堆毫無意義的數學符號,拳頭攥得緊緊地,幾乎要將手中的筆捏斷。
當他走出考場時,低聲對同樣被震撼到無以復加的許嘉誠說:
“理論,理論才是最終的戰場。我會讓林允寧明白,物理,終究是建立在數學上的。”
許嘉誠看著杜飛那副魔怔的樣子,又回頭看了一眼那個已經開始打哈欠,準備去食堂干飯的林允寧,忍不住對身旁的周衍吐槽:
“我靠,這家伙睡糊涂了吧?還想跟林神仙比理論?他忘了昨天是誰用一張圖秒了電動力學壓軸題的嗎?”
……