第二天一早,是第二轮实验考试。
阴冷、肃静的电学实验室,像一座与世隔绝的深海潜艇。
空气中,老旧仪器通电后特有的淡淡臭氧味,混合著电路板上助焊剂的松香气息,构成了一种独属於物理学家的“道场”氛围。
实验任务是用方波信號,测量一个高频rl串联电路的时间常数。
非常標准的电学实验,也很简单。
然而教练组却没打算让这帮物理天才们轻鬆过关,而是加了难度。
林允寧坐在自己的实验台前,面前那台老式的泰克(tektronix)模擬示波器,如同一头沉睡的史前巨兽。
厚重的机身上,布满了密密麻麻的旋钮和拨杆,散发著幽绿色光芒的crt屏幕,像它洞悉时间的浑浊眼眸。
监考老师顾伟依旧是一身熨烫得没有丝毫褶皱的白衬衫,他面无表情地举起一块老式的机械秒表,“啪”的一声,清脆的金属撞击声在寂静中格外刺耳,如同行刑前的钟摆。
“计时开始。”
他的声音和这间实验室的温度一样,没有丝毫起伏,“本次实验使用的老款泰克示波器已做降带宽处理,请注意带宽—上升沿—时间常数的等价刻画。实验报告用牛皮纸袋密封。”
这句轻描淡写的提醒,如同一句冰冷的咒语,让考场內所有人的心,都瞬间沉了一下。
降带宽处理?
这意味著,他们即將面对的,不是一个完美的测量工具。
而是一个本身就带有“残疾”的、充满陷阱的“黑箱”。
这相当於拿刻度不准的尺子去量身高,误差不大才怪呢。
许嘉诚和周衍对视一眼,都从对方眼中看到了凝重。
当他们按照步骤,將rl串联电路与方波信號源接通,並將探头连接到示波器上时,那道致命的陷阱,终於露出了它狰狞的面目。
示波器幽绿色的萤光屏上,那本该是锐利、完美的指数衰减曲线,此刻却像一个喝醉了酒的醉汉,步履蹣跚。
它的上升沿不再陡峭,而是被严重“抹平”;它的拐角不再锐利,而是被“拉长”成一道圆滑的弧线。
“靠,太坑人了”
许嘉诚低声咒骂了一句,立刻意识到问题的严重性。
“失真了”
周衍也发现了问题的关键,脸色变得无比凝重。
这不是简单的噪声,这是一个精心设计的陷阱!
示波器本身响应迟钝,像一个反应慢了半拍的裁判,它记录下的,根本不是信號真实的样子!
如果直接对这条被“抹平”和“拉长”的失真曲线进行擬合,得出的时间常数,將与真实值谬以千里!
考场的气氛,瞬间压抑到了冰点。
卫驍眉头微微皱起,但依旧是那副泰山崩於前而色不变的沉稳模样。
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她没有丝毫的慌乱,立刻选择了最严谨但也最耗时的物理方法——
她开始更换不同阻值的精密电阻,测量多组失真的上升沿时间t_r。
这样的话,截距便是示波器自身的等效上升沿,而斜率则能反推出电感l,再换算出目標电阻下的t。
方法稳健、可定量,可分析,但极其繁琐。
而且,对每一次的手动读数精度,都提出了地狱般的要求。
角落里的杜飞,看著那条非指数曲线,眼中反而闪过一丝兴奋。
这正中他的下怀!
他快速拨动旋钮,开始暴力採集数据。
很快,上百个离散的数据点被收集,记录。
然后,杜飞开始在草稿纸上对这些“脏数据”进行擬合。
没过多久,他就建立了一个复杂的双指数函数模型。
数学上,这个函数能完美地贴合失真曲线。!
漂亮的擬合结果!
杜飞笑了,仿佛已经看到了胜利。
虽然他无法解释模型中两个时间常数的物理意义,但在他看来,只要数学上能完美贴合,就是胜利。
实验台另外一边。
林允寧看著屏幕上那条“失真”的曲线,撇了撇嘴,心里无奈地嘀咕道:
“得,这哪是测电路,这是让咱们先给这台老古董做『体检报告』啊。”
他没有像其他人一样,急於去测量那个rl电路,而是拿起示波器的10x探头,將其连接到示波器面板上那个小小的方波校准端。
屏幕上出现一个標准的1khz方波,但顶部有些微的倾斜。
他拿出调节螺丝刀,极其轻柔地旋转著探头上的微调补偿电容,手指稳定得如同机械臂。
屏幕上,原本略带“驼峰”的方波,在他的微调下,变成了一个完美的、稜角分明的平顶矩形。
——调平探头补偿。
这个极其专业、却最容易被忽略的细节,让一直在场內巡视的顾伟,眼神第一次亮了起来。
“这傢伙想得很细,基本功也很扎实。”
然而,林允寧接下来的操作,才真正让他明白了什么叫“天马行空”。
他乾脆断开了rl电路。 “他在干什么?放弃了?”
周衍看得一头雾水,“不测电路,难道结果还能凭空猜出来?”
“想啥呢,林神仙肯定又要祭出仙法了,你看就完了,肯定又是咱们凡人看不懂的神仙操作。”
许嘉诚早已见怪不怪,隨口回了一句。
神仙施法,让你隨隨便便就看懂还得了?
只见林允寧断开了所有电路后,直接將一个上升沿远快於示波器的方波信號源,接入了示波器。
屏幕上,一个完美的阶跃信號,被这台老旧的仪器无情地“拉伸”成了一条圆滑的指数上升曲线。
这就是示波器自身的“素顏照”——
它的阶跃响应函数!
林允寧没有丝毫犹豫,迅速读下这条曲线的数据,用最简单的rc充电模型 v(t)= v?(1 - e(-t/t_spe))进行擬合。
不到五分钟,他就极其精准地计算出了这台示波器自身的“病灶”——
“原来如此”
顾伟点点头,深深吸了一口气。
这小子的脑迴路是怎么设计的?
他没有去解决问题,而是先给问题本身,画了一幅精准的“肖像”!
可这样得到的是一个卷积方程,他打算暴力求解么?
还不等顾伟想明白,林允寧继续开始了他的神来之笔。
当重新接上rl电路进行测量时,他已经不再是一个盲人摸象的探索者。
他是一位手握“仪器诊断报告”的外科医生。
他知道,现在测得的失真曲线,是真实的指数衰减信號与示波器这个“rc滤波器”串联后的结果。
他没有去硬解复杂的卷积方程,而是在草稿纸上,直接写出了描述这个物理过程的一阶串接微分方程
整个问题,瞬间被降维!
一个看似无解的难题,瞬间变成了一个只含单个未知数t_rl的、可以被轻鬆擬合求解的简单问题!
整个问题,瞬间被降维!
他最终得到了一个全新的、专为这台“残疾”仪器量身定製的擬合函数。
这个函数不再是简单的指数,但它的物理意义无比清晰。
其中唯一的未知数,就是那个他真正想要求解的t_rl!
他用这个函数进行擬合。
一次成功!
那条由理论计算出的红色曲线,如同一道完美的弧线,与屏幕上失真的绿色波形,严丝合缝地重叠在了一起!
他直接从这片失真的数据海洋中,“提纯”出了最真实、最纯粹的物理信號!
“咔噠。”
林允寧轻轻合上笔帽,將那份写得乾乾净净的实验报告,第一个交了上去。
考试结束的铃声响起。
顾伟在投影仪上,展示了几份典型的报告。”擬合曲线,语气却异常冰冷:
“杜飞同学,双指数函数在数学上,確实是双一阶串接系统的解。但你没有告诉我,你的模型中,参数与物理对象——线圈l、电阻r、示波器t_spe——如何对应。
“你只是在用一个复杂的函数去描摹一个结果,这叫数字游戏。
“这不是物理。”
这番毫不留情的点评,让杜飞的脸色瞬间变得煞白。
接著,顾伟切换到了林允寧的报告。
他没有展示最后那个精確到令人髮指的结果,而是只展示了第一步——
那张標定示波器响应函数的图。
“在座的所有人,都在想办法解决rl电路的问题。只有林允寧同学,他先解决了我们所有人都忽略了的关键问题——
“我们用来测量的工具本身,是否可靠。”
他顿了顿,环视全场,最终的目光落在最后一排的林允寧身上,一字一顿地说道:
“他没有把仪器当成一个完美的黑箱,而是把它也视为了整个物理系统的一部分,为它建模,將它的影响从最终结果中精確地剔除。这,才是实验物理学的灵魂。”
这番话,如同惊雷,在每个人的脑海中炸响。
杜飞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无意义的数学符號,拳头攥得紧紧地,几乎要將手中的笔捏断。
当他走出考场时,低声对同样被震撼到无以復加的许嘉诚说:
“理论,理论才是最终的战场。我会让林允寧明白,物理,终究是建立在数学上的。”
许嘉诚看著杜飞那副魔怔的样子,又回头看了一眼那个已经开始打哈欠,准备去食堂乾饭的林允寧,忍不住对身旁的周衍吐槽:
“我靠,这傢伙睡糊涂了吧?还想跟林神仙比理论?他忘了昨天是谁用一张图秒了电动力学压轴题的吗?”