Olympic Vật lý Quốc tế lần thứ XIX

Kvant 1989, số 1 tr. 59, 60, 62, 63, 64 Thẻ FIUD

Bản dịch tự động sơ bộ, chất lượng thấp: có thể còn lỗi và câu chữ chưa tự nhiên. Bản này sẽ được thay bằng bản dịch tốt hơn. Bản gốc →

XIX
Olympic Vật lý quốc tế

Tiến sĩ khoa học sư phạm
O. F. KABARDIN,
Ứng viên khoa học sư phạm
V.A.ORLOV

Năm nay, kỳ thi Olympic Vật lý quốc tế dành cho học sinh được tổ chức từ ngày 23/6 đến ngày 2/7 tại thành phố Bad Ischl (Áo). Số trang Olympic tăng lên hàng ngày (năm nay có hai quốc gia). Học sinh từ 27 quốc gia đã đến Áo: Úc, Úc, Bỉ, Bulgaria, Anh, Hungary, Việt Nam, Đông Đức, Iceland, Ý, Canada, Síp, Trung Quốc, Colombia, Cuba, Kuvet, Inderland, Na Uy, Ba Lan, Romania, Liên Xô, Mỹ, Phần Lan, Đức, Tiệp Khắc, Thụy Điển, Nam Tư.

Đại diện UNESCO và phóng viên các tạp chí dành cho học sinh Bỉ, Anh, Hungary, Nam Tư, Tiệp Khắc đã tham dự Olympic. Thật đáng tiếc khi không có đại diện của tạp chí «Kvant» tại Thế vận hội.*

Đội Liên Xô, dựa trên kết quả thi đấu tại Thế vận hội toàn Liên minh và kết quả của các trại huấn luyện mùa đông và mùa hè, bao gồm:

Yury Kravchenko tốt nghiệp trung học. Số 820 Mátxcơva,
Alexander Mazurenko - tốt nghiệp trung học. Số 50 Minsk,
Anton Malkin tốt nghiệp SS số 30 Leningrad,
Vadim Moroz tốt nghiệp Trường Vật lý số 45 ở Leningrad,
Konstantin Penenen - tốt nghiệp trung học. Số 63, Odessa.

*) Các biên tập viên cũng ghi nhớ điều này. Chúng tôi chỉ có thể hy vọng rằng sự tiếc nuối của chúng tôi được chia sẻ bởi Ủy ban Giáo dục Công cộng Nhà nước Liên Xô mới được thành lập gần đây. (Lưu ý ped.).

Chúng tôi cũng lưu ý rằng tất cả những người tham gia trại hè, bao gồm Dmitry Golovin, tốt nghiệp S.S. số 29 Tambov, Sergei Panafidin - tốt nghiệp trường phía bắc. Số 30 của Leningrad và Alexei Pushkin - tốt nghiệp trường phía Bắc. Số 57 ở Moscow, đăng ký không cần thi vào các trường đại học mà họ lựa chọn - MIPT, MSU, LSU.

Trưởng nhóm là tác giả của bài viết này - cộng tác viên nghiên cứu của Viện Nghiên cứu Nội dung và Phương pháp Giảng dạy của Viện Hàn lâm Khoa học Sư phạm Liên Xô.

Lễ khai mạc Olympic diễn ra tại tòa nhà của Trường Đào tạo Cán bộ Cao cấp ngành Du lịch. Các em học sinh được dẫn dắt bởi giám đốc của trường này, Master R. Ginzel, thị trưởng Bad Ischl, K. Saller, đại diện Ủy ban Quốc tế, Giáo sư Đại học Kỹ thuật Vienna P. Skalitsky, và người đứng đầu bộ phận Bộ Giáo dục, Nghệ thuật và Thể thao, Thạc sĩ L. Leitner. Giáo sư Đại học Vienna R. Dobrozemsky đã đọc một báo cáo sáng giá về chủ đề “Vật lý ở Úc”, trong đó nêu rõ rằng Úc đã mang đến cho thế giới không chỉ những nghệ sĩ, nhạc sĩ, tư thế xuất sắc mà còn cả những nhà vật lý xuất sắc không kém: H. Doppler, I. Loschmidt, L. Boltzmann, W. Hecca, E. Schrödinger, W. Pauli, E. Mach (“Mach nón” được dùng làm biểu tượng Thế vận hội).

Cuộc thi diễn ra như thường lệ trong hai vòng. Ở vòng lý thuyết, học sinh được cấp ba bài toán, ở vòng thử nghiệm - hai bài toán (5 giờ được dành để hoàn thành mỗi vòng). Dưới đây là các điều kiện của bài toán.

Chuyến tham quan lý thuyết

Bài toán 1. Xác định tốc độ bằng cách sử dụng dữ liệu hiệu quả.

Các quá trình phát xạ và hấp thụ photon có thể thuận nghịch, do đó, ngay cả sau quá trình nguyên tử hấp thụ photon, người ta vẫn có thể quan sát thấy sự phát xạ tự phát (huỳnh quang) của nó. Hiện tượng này được sử dụng trong các phương pháp phát hiện và nhận dạng hạt hiện đại, cũng như để tổng hợp quang phổ vận tốc hạt nguyên tử.

Trong một thiết lập thí nghiệm lý tưởng (hình 1), các hạt (các ion khởi tạo đơn lẻ) chuyển động với tốc độ v so với chùm tia

Hình 1.
tia laser có bước sóng thay đổi $\lambda$ . Các hạt còn lại ( $v=0$ ) có thể bị kích thích bởi bức xạ có bước sóng $\lambda_0=600$ nm. Chuyển động của hạt, theo nguyên lý Doppler, bị kích thích bởi bức xạ có hạt khác, do đó, để kích thích chúng, tia laser phải được điều chỉnh theo bước sóng khác $\lambda(v)$ . Phổ vận tốc ion trong khoảng từ $v_1=0$ đến $v_2=6000$ m/s được thể hiện ở hình 2.

Sử dụng hiệu ứng Doppler cổ điển, xác định phạm vi bước sóng mà bức xạ laser phải có để kích thích tất cả các hạt. Hãy tưởng tượng sự phân bố định tính của số lượng photon bị hấp thụ tùy thuộc vào bước sóng laser.

Tính toán chặt chẽ của Vollee yêu cầu sử dụng công thức tương đối tính

$v' = v \sqrt{\frac{1+v/c}{1-v/c}}.$

Ước tính sai số khi sử dụng phép tính gần đúng cổ điển.

Để các ion, trước khi bị kích thích, được gia tốc bởi một điện trường có điện áp $U$ . Sự phụ thuộc của độ rộng của phổ vận tốc $\Delta v$ vào điện áp gia tốc $U$ là gì? Độ rộng của phổ vận tốc hạt tăng hay giảm do gia tốc của chúng?
Một ion có tỷ lệ điện tích trên khối lượng $e/m = 4 \cdot 10^6$ C/kg có hai bước sóng kích thích $\lambda_1=600$ nm và $\lambda_2=\lambda_1+10^{-3}$ nm. Chứng tỏ rằng hai tích phân bước sóng của phổ laser trùng nhau khi tất cả các ion đều bị kích thích. Có thể tách phổ kích thích của hai mức do sự gia tốc của các ion trong điện trường có hiệu điện thế $U$ ? Nếu có thì xác định giá trị điện áp tối thiểu.

Nhiệm vụ 2. Đĩa Maxwell
Một đĩa hình trụ đồng nhất (khối lượng $M=0,40$ kg, bán kính $R=0,060$ m, độ dày $d=0,010$ m) được treo trên hai sợi dây có chiều dài bằng nhau gắn vào trục của nó (bán kính $r$ ). Khối lượng và độ dày của ren cũng như khối lượng của trục có thể được biến đổi. Bằng cách nâng trọng tâm của đĩa lên, cuộn dây lên độ cao $H=1,0$ m, đĩa được phép hạ xuống (hình 3). Có thể truy cập ở vị trí thấp nhất, đĩa bắt đầu nâng lên trở lại. Trả lời các câu hỏi sau, giả sử để đơn giản rằng điểm $A$ luôn nằm trên cùng một đường thẳng đứng với điểm $P$ (hình 4).

Tốc độ góc nào mà đĩa phát triển?

Hình 2.
sau khi trọng tâm của nó đi qua đường đi $s$ ?

Động năng của chuyển động tịnh tiến của đĩa là bao nhiêu sau khi trọng tâm của nó đi được quãng đường $s=0,50$ m? Mối quan hệ giữa năng lượng này và các loại năng lượng khác là gì nếu bán kính của trục là $r=0,0030$ m?
Lực căng ở mỗi sợi dây khi đĩa được hạ xuống là bao nhiêu?
Tìm vận tốc góc của đĩa khi nó tăng lên theo góc quay $\varphi$ (hình 5). Thiết lập, ít nhất là về mặt chất lượng, các thành phần chuyển vị và vận tốc của trọng tâm của đĩa trong hệ tọa độ Descartes như là một hàm của góc $\varphi$ .
Giá trị tối thiểu của lực căng tại đó sợi chỉ bị đứt là $T_{\min}=10$ N. Độ cao hạ thấp tối đa của đĩa mà tại đó sợi chỉ không bị đứt khi đĩa đang nâng lên là bao nhiêu?

Nhiệm vụ 3. Quá trình tái hợp trong quá trình phóng điện khí
Trong plasma nhiệt độ cao của sự phóng điện khí, có các nốt ban đầu được khởi tạo gấp $(Z-1)$ của các nguyên tử chứa $Z$ proton trong hạt nhân. Hãy để chúng tôi biểu thị các nguyên tử như vậy $A^{(Z-1)}$ .

Chúng ta hãy xem xét trường hợp electron duy nhất trong nguyên tử $A^{(Z-1)}$ ở trạng thái cơ bản. Ở trạng thái này, chúng tôi xác định khoảng cách bình phương trung bình $r_0^2$ của electron đến hạt nhân là tổng độ bất định bình phương của tọa độ của nó $(\Delta x)^2, (\Delta y)^2$ và $(\Delta z)^2$ . Chúng tôi định nghĩa bình phương trung bình của động lượng $P_0^2$ electron là tổng bình phương sai số của các hình chiếu của động lượng lên tọa độ của trục $(\Delta P_x)^2, (\Delta P_y)^2$ và $(\Delta P_z)^2$ . Sản phẩm $(P_0^2) \cdot (r_0^2)$ thỏa mãn bất đẳng thức nào?
Ion $A^{(Z-1)}$ có thể bắt giữ electron thứ hai và đồng thời phát ra một photon. Viết các phương trình xác định tần số của bức xạ này. (Không cần tích số tần số được tính toán.)
Tính nội năng $A^{(-1)}$ dựa trên thực tế là ở trạng thái cơ bản, nó có giá trị tối thiểu. Thực hiện các phép tính gần đúng sau: a) sử dụng giá trị $r=r_0$ từ câu hỏi 1 trong biểu thức thế năng của electron; b) sử dụng bình phương động lượng trung bình $P_0^2$ từ giá trị gần đúng $(P_0^2) \cdot (r^2)=\hbar^2$ trong biểu thức động năng.
Tính theo cách tương tự năng lượng của hệ $A^{(-2)}$ sinh ra từ re

Hình 6.

Hình 7.

Hình 8.

lỗ lông mao*, từ đó chúng không thể thoát ra theo cách thông thường (hình 7) ngay cả khi tác dụng một hướng vào kim loại (hình 8). Tuy nhiên, nếu kim loại bị nung nóng, thì các điện cực do chuyển động nhiệt có thể vượt qua ngưỡng năng lượng $W$ và rời khỏi cadan. Số lượng electron được giải phóng trong một đơn vị thời gian chỉ phụ thuộc vào vật liệu của cadan và nhiệt độ của nó. Hướng của $U$ xác định xem tất cả các điện cực có chạm tới cực dương hay không. Đối với một kadan nhất định, sự phụ thuộc của dòng điện bão hòa vào nhiệt độ được thể hiện trong hình 9. Đối với dòng điện bão hòa (điện tích do các electron mang đi trong một đơn vị thời gian), phương trình Richardson là hợp lệ:

$I_H = CT^2 \cdot \exp(-W/kT),$

trong đó $W$ là hàm công của electron, $C$ là hằng số, $T$ là nhiệt độ Cadan trên thang Kelvin, $k$ là hằng số Boltzmann.

Bài toán là thay đổi công năng của electron $W$ từ một vật liệu nhất định. Để thực hiện việc này, bạn được cung cấp các thiết bị sau: một ống điện tử AZ41 (ống chỉnh lưu chân không hai tay có hướng khía không quá 4 V), một thiết bị đo điện tử vạn năng (điện trở trong của nó khi điện áp thay đổi là 10 MΩ), pin 1,5 V, 4 pin 9 V (pin có thể mắc nối tiếp), ba điện trở, điện trở của chúng có thể được xác định bằng các sọc màu (điện trở của các điện trở là 1000 Ohm ± 2 %, 100 Ohm±2% và 47,5 Ohm±1%), 4 điện trở khoảng 1 Ohm mỗi cái (được đánh số), 12 đầu vít, 6 dây nối dài khoảng 20 cm mỗi dây, 2 đầu cắm (phù hợp với pin 9V), tuốc nơ vít, giấy logarit, giấy vẽ đồ thị.

Biểu đồ điện trở suất của vật liệu kadan so với nhiệt độ kadan được thể hiện ở hình 10. Đã biết nhiệt độ phòng.

Xác định giá trị điện trở của các điện trở được đánh số. Không sử dụng ohm kế.
Xác định dòng điện bão hòa ở các nhiệt độ sợi đốt khác nhau, tức là ở các đèn sợi đốt khác nhau. Sử dụng pin 1,5 V cho dòng điện nakadaba và điều khiển nó bằng các điện trở được đánh số. Bằng dòng điện bão hòa, bạn nên nhớ dòng điện thu được bằng cách bơm liên tục 36-40 V giữa anome và catốt. Tạo sự sắp xếp này bằng cách sử dụng bốn pin 9V nối tiếp. Giải thích ngắn gọn cách bạn xác định nhiệt độ của nồi.
Xác định hàm công $W$ từ phương trình (*). Giải thích cách bạn đã làm điều đó.

Hơn nữa, một cái nhìn đơn giản về các điều kiện bài toán cho thấy rằng tất cả bài toán trong nội dung của chúng vượt xa đáng kể phạm vi của chương trình khóa học vật lý cơ bản ở trường trung học của chúng ta và trong một số bài toán - vượt quá phạm vi của chương trình khóa học tự chọn (trình độ nâng cao). Vì-

malbio tác giả bài toán “tuân theo nội dung của luật”, vì chủ đề của tất cả bài toán đều được chỉ định trong chương trình Olympic Vật lý Quốc tế, được Ủy ban Quốc tế thông qua năm 1985 *). Nhưng độ sâu của việc giải thích chủ đề được nêu trong chương trình có thể là bất kỳ. Dòng trong chương trình “Sự phân cực của sóng điện từ” tương ứng với thử nghiệm bài toán, để thực hiện thành công chương trình này cần có sự hiểu biết sâu sắc về hiện tượng phân cực, lưỡng chiết, hiện tượng tích hợp ánh sáng phân cực và sự tồn tại của hiện tượng phân cực elip. Hai từ trong chương trình - “Mối quan hệ không chắc chắn” - cho phép tác giả đưa cơ học lượng tử bài toán vào cả lý thuyết và thực nghiệm. Tình huống tương tự với việc giải thích các từ trong chương trình “Hiệu ứng Doppler”. Tất nhiên, điều này cần được học sinh và giáo viên tính đến khi chuẩn bị cho các kỳ Olympic tiếp theo.

Học sinh của chúng ta đã đối phó với các nhiệm vụ được đề xuất như thế nào?

Đội Liên Xô đạt 41/50 điểm cho bài toán đầu tiên (mỗi bài toán của vòng đánh giá lý thuyết và thực nghiệm có giá trị 10 điểm), về thứ hai - 43 điểm, cho thứ ba - 25,5 điểm, cho thứ tư - 14 điểm, cho thứ năm - 32,13 điểm. So sánh những điểm này với điểm số của các đội khác, chúng ta có thể kết luận rằng kết quả của hai đội đầu tiên bài toán là tốt, đối với đội thứ năm - hoàn toàn là tốt nhất. Các chàng trai của chúng ta đã làm tệ hơn một chút ở phần lý thuyết thứ ba và thử nghiệm đầu tiên bài toán (ví dụ: đội Romania đã ghi được 39,5 điểm cho phần thứ ba bài toán, và đội Ba Lan nhận được số điểm tối đa - 23,5 - cho phần thứ tư bài toán).

Xét về tổng điểm (155,63), đội Liên Xô đứng thứ hai sau đội Romania (166,75). Đội

*) Chương trình này được xuất bản trong cuốn sách “Olympic Vật lý Quốc tế dành cho Học sinh” của O. F. Kabardin và V. A. Orlov (M.: Nauka, 1985, loạt bài “Viblotechka «Kvant»”).

đô thị, cộng hòa và thậm chí nặng nề. Khi chuẩn bị cho những lạc quan quốc tế, việc thích ứng với điều kiện mới, “luật chơi mới” là cần thiết, cần bổ sung thêm những kiến thức mới. Đồng thời, sự năng động trong quá trình học tài liệu mới của học sinh đóng một vai trò quan trọng, khả năng thích ứng nhanh chóng với các yêu cầu mới được đưa ra tại các hội nghị lạc quan quốc tế: khả năng trình bày lời giải bài toán một cách chính xác và đầy đủ, khả năng “làm sáng tỏ” “sự cố” bài toán do các tác giả biên soạn trước, v.v. (Một ví dụ nổi bật về động lực “thành công” của các điều kiện cho một điều kiện mới đã được trình bày vào thời của anh ấy bởi Ruslan Sharipov đến từ p. Karakul của vùng Bukhara, người trước khi bắt đầu trại huấn luyện đã sử dụng rất ít trang bị vật chất và kém hơn về nhiều mặt so với những người còn lại trong đội, tuy nhiên, trong một tháng, anh ấy đã thu được kiến thức kỹ thuật và giành vị trí đầu tiên tuyệt đối tại X International Optimide năm 1977.)

Có lẽ, đây là điều kiện bắt buộc để tất cả các ứng cử viên tương lai của đội Liên Xô phải làm quen với các nhiệm vụ của các thủ tục lạc quan của Liên minh và Quốc tế tại trại tuyển chọn mùa đông bằng một bài kiểm tra đặc biệt gồm 120-150 nhiệm vụ với lựa chọn đúng đáp số. Các nhiệm vụ này được sử dụng và cung cấp tại All-Union và International Optimids. Ví dụ: có thể thực hiện phân tích về “di sản” MFO như vậy để xác định các chủ đề chưa được sử dụng bài toán và từ đó dự đoán khả năng nội dung của các chủ đề trong tương lai bài toán. Đôi khi nó thực sự có thể làm được điều này.

(Về phần kết xem trang 71)