Olympic Vật lý Quốc tế lần thứ XX

Kvant 1989, số 12 tr. 59-63 Thẻ RSN0

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 →

XX
Olympic Vật lý quốc tế

Ứng viên Khoa học Vật lý và Toán học
S. S. KROTV,
Ứng viên khoa học sư phạm
V.A.ORLOV

Năm nay, kỳ thi Olympic Vật lý quốc tế (IPO) dành cho học sinh được tổ chức từ ngày 16 đến 24/7 tại thủ đô Cộng hòa Nhân dân Ba Lan. Học sinh từ 29 quốc gia đã đến Warsaw, nhiều hơn hai đội so với năm ngoái. Phải nói rằng số lượng các quốc gia tham gia Olympic ngày càng tăng đều đặn qua từng năm.

Olympic có sự tham dự của Phó Chủ tịch Hiệp hội Vật lý Châu Âu, ông Deppre (Bỉ), và được quan sát từ Hy Lạp, Tây Ban Nha, Tanland và Các Tiểu vương quốc Ả Rập Thống nhất. Đội SSR của Lithuania đã biểu diễn bên ngoài cuộc thi tại Thế vận hội. Lãnh đạo các nhóm tham gia của MFO được mời làm khách mời danh dự lễ kỷ niệm XX MFO: G. S. Tarasok (Liên Xô), Tiến sĩ Wendt (CHDC Đức) và giáo sư. Gruchi (Nam Tư). Các phóng viên tạp chí khoa học dành cho học sinh một số nước châu Âu cũng có mặt tại Olympic. Thật đáng tiếc khi bình quân và lần này không có đại diện chính thức của tạp chí «Kvant».

Đội SSR, dựa trên kết quả thi đấu tại các kỳ Olympic toàn Liên đoàn và kết quả tham gia các trại huấn luyện mùa đông và mùa hè, bao gồm:

Konstantin Zuev - tốt nghiệp làng. w. Số 8 Vologda,

Alexander Korshkov - tốt nghiệp làng. w. Số 8 Mozyr,

Nikolay Kuzma - tốt nghiệp làng. w. Làng Protva số 1, vùng Kaluga,

Vladislav Makeev tốt nghiệp Trường Y Liên bang Nga ở Almaty,

Yury Uvarov - tốt nghiệp làng. w. Số 239 Leningrad.

Chúng tôi xin lưu ý rằng tất cả họ, cũng như những người tham gia trại hè khác - Evgeny Starokoltsev (trường số 37 ở Dnepropetrovsk), Vadim Tereshenko (trường số 145 ở Kyiv) và Dmitry Falkovich (trường số 57 ở Moscow) - đã được đăng ký mà không cần thi vào các trường đại học mà họ đã chọn. Một người tham gia trại hè khác là Sergei Shinkovich, học sinh lớp 9. w. Số 3 Berezniki - đã đăng ký làm ứng cử viên cho đội Liên Xô tại XXI MFO.

Các nhà lãnh đạo của nhóm Liên Xô là tác giả của bài viết này.

Bộ Giáo dục và Giáo dục Đại học Cộng hòa Nhân dân Ba Lan tiếp quản việc tổ chức chuẩn bị và tổ chức XX MFO. Việc biên soạn và xác minh bài toán cạnh tranh được thực hiện bởi các nhân viên của Viện Vật lý Lý thuyết và Thực nghiệm của Đại học Warsaw và Viện Vật lý của Viện Hàn lâm Khoa học Ba Lan dưới sự lãnh đạo của A. Kotlicki và W. Goszkowski - những người thực sự đam mê phong trào Olympic. Chủ tịch ban tổ chức Olympic là GS. Blinowski là trưởng khoa Vật lý lý thuyết tại Đại học Warsaw. Đại diện của Hiệp hội Vật lý Ba Lan, Giáo sư, đã đưa ra một báo cáo thú vị về công việc của một người sử dụng vật lý cho những người tham gia và khách mời của Olympic. Zakshevsky. Đặc biệt, ông nói về quá trình hình thành chứng tăng sắc tố da, được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1952, là kết quả của sự va chạm giữa các bộ phận vũ trụ cao cấp với hạt nhân nặng. Một bức ảnh về phản ứng độc đáo này được mô tả trên biểu tượng của XX MFO.

Như thường lệ, hoàn thiện đoạn văn trong hai vòng. Tại Theory.type, học sinh được yêu cầu tái hiện

Khâu ba bài toán, trên một thử nghiệm - một. Hãy để chúng tôi trình bày các điều kiện của bài toán này, cũng như đánh giá (không hài lòng) về lời giải của chúng được Ủy ban Quốc tế chấp nhận (mỗi lý thuyết bài toán được ước tính là 10 điểm, thực nghiệm - là 20).

Lý thuyết bài toán

Bài toán 1

Chất lỏng $A$ và $B$ không hòa tan lẫn nhau. Áp suất hơi bão hòa $p_i$ ( $i=A$ hoặc $B$ ) của chúng tuân theo định luật với độ chính xác cao

$\ln \left( \frac{p_0}{p_1} \right) = a_i/T + b_i,$

trong đó $p_0$ là áp suất khí quyển bình thường, $T$ là nhiệt độ tuyệt đối của hơi, $a_i$ và $b_i$ là các hằng số không phải octorian, tùy thuộc vào chất lỏng (ký hiệu ln biểu thị logarit tự nhiên, tức là logarit cơ số $e=2,7182818...$ ). Các giá trị của tỷ lệ (chính xác) $p_i/p_0$ đối với chất lỏng $A$ và $B$ ở nhiệt độ $40^{\circ}\text{C}$ và $90^{\circ}\text{C}$ được đưa ra trong bảng:

| $t,^{\circ}\text{C}$ | $p_i/p_0$ |
| :— | :— |
| $i=A$ | $i=B$ |
| 40 | 0,284 | 0,07278 |
| 90 | 1,476 | 0,6918 |

a) Tìm nhiệt độ sôi của chất lỏng $A$ trong chất lỏng $B$ ở áp suất $p_0$ .

b) Chất lỏng $A$ và $B$ được đổ vào bình, tại đó chúng lan ra như trong hình 1. Bề mặt chất lỏng $B$ được phủ một lớp mỏng chất lỏng không kết tụ $C$ , không lan ra trong chất lỏng $A$ và $B$ và ngăn chặn sự bay hơi tự do khỏi bề mặt chất lỏng $B$ . Tỷ lệ khối lượng mol của các chất $A$ và $B$ ở trạng thái khí là $\gamma=M_A/M_B=8$ . Khối lượng của chất lỏng $A$ và $B$ ban đầu sẽ bằng nhau và bằng $m=100$ g mỗi chất. Chiều cao của cột chất lỏng trong bình và mật độ của chất lỏng cũng có nghĩa là tại bất kỳ điểm nào trong bình, áp suất không khác với áp suất khí quyển bình thường $p_0$ . Một vật thể được cung cấp từ từ và đồng đều vào hệ thống chất lỏng đang được xem xét. Hóa ra nhiệt độ $t$ của chất lỏng thay đổi theo thời gian $t$ như được trình bày dưới dạng sơ đồ trong hình 2. Xác định nhiệt độ $t_1$ và $t_2$ (chính xác đến một số nguyên các ranh giới), tương ứng với các đoạn nằm ngang của sơ đồ và khối lượng của chất lỏng $A$ và $B$ (với độ chính xác đến phần mười gam) tại thời điểm $\tau_1$ .

Áp dụng Người ta giả định rằng hơi của chất lỏng đang xét với giá trị gần đúng: 1) tuân theo định luật Dalton, theo đó áp suất của hỗn hợp khí bằng tổng áp suất riêng phần của các khí tạo nên hỗn hợp; 2) đến áp suất tương ứng với áp suất của hơi bão hòa, nó có thể được coi là khí lý tưởng.

Không xác định lời giải:

Điều kiện sôi 1

Điểm sôi của chất lỏng $A$ (bằng số) 1

Điểm sôi của chất lỏng $B$ (bằng số) 1

Phân tích hiện tượng ở nhiệt độ $t_1$ 3

Giá trị số $t_1$ 1

Tỷ lệ khối lượng của hơi bão hòa trong bong bóng (bằng số) 1

Khối lượng chất lỏng tại thời điểm $\tau_1$ 1

Ý nghĩa và ý nghĩa của $t_2$ 1

Bài toán 2

Khi vật chất TOUCKS $P_1, P_2, P_3$ , không nằm trên cùng một đường thẳng và có khối lượng $m_1, m_2, m_3$ , chỉ tương tác với nhau bằng các lực biên và không tương tác với các vật thể khác. Chúng ta biểu thị bằng σ trục đi qua khối tâm của các điểm này và vuông góc với mặt phẳng của tam giác $P_1P_2P_3$ . Khoảng cách giữa các điểm $P_1P_2=a_{12}, P_2P_3=a_{23}, P_1P_3=a_{13}$ và vận tốc góc $\omega$ chuyển động quay của hệ các điểm đang xét phải thỏa mãn những điều kiện nào để trong quá trình chuyển động nó không làm thay đổi hình dạng của tam giác $P_1P_2P_3$ , tức là sao cho hệ quay quanh trục σ như một vật rắn?

Không xác định lời giải:

Hằng số điều kiện $\omega=\text{const}$ 1

Điều kiện cân bằng của hệ 3

Bằng chứng về sự bình đẳng $a_{12}=a_{13}=a_{23}$ 4

Bằng chứng về sự bình đẳng $\omega^2 a^3=Gm$ 2

Bài toán 3

Khám phá khả năng và hậu quả của việc chuyển đổi một sợi dây bện điện tử bằng điều khiển từ tính của chùm tia điện tử được gia tốc bởi điện áp $U=511$ kV thành một sợi dây bện proton trong đó chùm proton được gia tốc bởi điện áp $U$ . Để làm điều này, hãy trả lời hai câu hỏi.

a) Một electron, sau khi được gia tốc bằng điện áp $U$ , đi vào vùng có từ trường bậc thấp $B$ , được tạo ra bởi hệ cuộn dây đứng yên $L_1, L_2, \dots, L_n$ . Cường độ dòng điện trong cuộn dây tương ứng với $i_1, i_2, \dots, i_n$ . Trong vùng này, electron di chuyển theo một quỹ đạo nhất định $T$ . Cường độ dòng điện $i_1', i_2', \dots, i_n'$ trong cuộn dây $L_1, L_2, \dots, L_n$ phải bằng bao nhiêu để một proton, được gia tốc bởi điện áp - $U$ , sau khi đi vào vùng có từ trường, có thể chuyển động theo cùng một quỹ đạo $T$ (và cùng hướng) mà electron chuyển động?

Gợi ý. Tìm các điều kiện để phương trình mô tả quỹ đạo giống nhau trong các trường hợp tổng quát. Trận đấu có thể được sử dụng

$\bar{P} \frac{d\bar{P}}{dt} = \frac{1}{2} \frac{d\bar{P}^2}{dt} = \frac{1}{2} \frac{dP^2}{dt},$

trong đó $P$ là xung tần số.

b) Độ phân giải của kính hiển vi đang xét (tức là khoảng cách tối thiểu giữa hai vật thể chính xác mà hình ảnh của chúng ở dạng đĩa vẫn khác nhau) sẽ tăng hoặc giảm bao nhiêu lần nếu chùm electron được thay thế bằng chùm proton? Giả sử rằng độ phân giải của kính hiển vi chỉ được xác định bởi tính chất sóng của vật liệu. Người ta cho rằng vận tốc của electron và proton trước khi gia tốc của chúng bằng 0. Để đơn giản hóa, chúng ta cũng giả sử rằng sự tương tác giữa mô men từ nội tại của electron và proton với từ trường bên ngoài là không đáng kể và các hạt này chuyển động trong từ trường không phát ra bức xạ điện từ.

Ghi chú. Trong vật lý, 1 electronvolt (eV) và đơn vị đạo hàm 1 keV hoặc 1 MeV thường được dùng làm đơn vị đo năng lượng; 1 eV bằng số đo năng lượng của một electron tạo ra hiệu điện thế 1 V. Trong tính toán, sử dụng các giá trị sau: năng lượng nghỉ của electron $E_e = m_e c^2 = 511$ keV, năng lượng nghỉ của proton $E_p = m_p c^2 = 938$ MeV.

Không xác định lời giải:
Phương trình tương đối của chuyển động 1
Độ bền của $P$ và $v$
Bình đẳng $eB/P$ trong trường hợp tổng quát 2
Nhân trường và dòng điện với cùng hệ số 1
Tính động lượng (tương đối) 1
Tính toán xung tương đối (bằng số) 1
Tỷ lệ thuận với độ phân giải và $\lambda$ 1
Tỷ lệ nghịch đảo $\lambda$ và $P$ 1
Độ phân giải của kính hiển vi proton 1

Thử nghiệm bài toán

Có thiết bị: hai đĩa áp điện dày 10 mm có hướng ở hai đầu điện cực được cố định trong các nắp trên cổ thước cặp; máy phát dao động điện hình sin đã được hiệu chuẩn; máy hiện sóng kênh thổi; hai túi polystelene đậy kín chứa đầy chất lỏng $A$ và $B$ ; một bình chứa glycerin để làm ướt bề mặt của đĩa, giúp tiếp xúc cơ học tốt hơn; dây điện và sitavas để cố định thước cặp và túi đựng chất lỏng.

a) Biết tốc độ của sóng siêu âm dọc trong vật liệu đĩa là khoảng $4 \cdot 10^3$ m/s, hãy ước tính sơ bộ tần số cộng hưởng của các dao động cơ học dọc trục của đĩa, coi phần giữa của mặt phẳng đĩa là đứng yên. (Lưu ý rằng các mô hình tự dao động khác cũng có thể có trong các đĩa, cả với tần số cao hơn và tần số thấp hơn.) Sau khi ước tính, hãy tìm tần số thực nghiệm mà tại đó các đĩa áp điện hoạt động theo hướng có hướng như một máy phát-máy thu siêu âm trong chất lỏng (làm ướt bằng túi giúp cải thiện khả năng xuyên siêu âm).

b) Không mở túi, tìm vận tốc siêu âm của chất lỏng và đánh giá sai số.

c) Tìm tỉ số vận tốc siêu âm trong chất lỏng và ước lượng sai số.

Không xác định lời giải:
a)
Công thức 1
Kết quả (đơn vị) 1
Phương pháp đo tần số thu phát tốt nhất 1
Kết quả 2
chênh lệch so với giá trị thực tế nhỏ hơn 10% 1
ít hơn 5% 2
Đánh giá sai số chính xác của kết quả thu được 1
b)
Mô tả rõ ràng phương pháp đo tốc độ siêu âm 2
Đo khoảng cách 3
hơn 5 kết quả cho mỗi chất lỏng 3
lớn hơn 5 kết quả cho mỗi chất lỏng 1
Kết quả đúng cho $v_A$ 2
chênh lệch so với giá trị thực tế nhỏ hơn 5% 2
dưới 15% 1
Ước tính sai số chính xác của kết quả thu được $v_B$ 1
c)
Kết quả đúng cho $v_A/v_B$ 2
chênh lệch so với giá trị hiện tại nhỏ hơn 3% 2
dưới 10% 1
Ước tính sai số chính xác của kết quả thu được $v_A/v_B$ 1

Theo các tác giả, bài toán khác nhau được cho là bắt nguồn từ những tâm trí khác nhau

năng và kỹ năng của học sinh. Vâng, trong lần đầu tiên bài toán điều cần thiết là sử dụng các phương pháp tính toán số, thứ hai - thành thạo bộ máy đại số vectơ, thứ ba - nghiên cứu các hiện tượng ở cấp độ định tính bằng cách sử dụng các ý tưởng về kích thước và sự giống nhau. Lưu ý rằng cả ba lý thuyết bài toán nằm ngoài phạm vi của môn vật lý giáo dục phổ thông ở trường trung học của chúng ta. Mặc dù vậy, nhìn chung học sinh Liên Xô đã đối phó thành công với bài toán loại lý thuyết, đặc biệt là với bài toán Câu 2 và 3, mỗi câu có 3 người tham gia giải hoàn toàn. Gây ra những khó khăn lớn nhất bài toán 1, đề xuất tìm hiểu hiện tượng đặc biệt của chương trình sôi. Vì lời giải lý thuyết bài toán đội của chúng tôi đã nhận được 94 điểm, bằng 63% số điểm tối đa. Đây là kết quả thứ sáu.

Mục đích của thí nghiệm là xác định tốc độ truyền sóng siêu âm trong nước và glycerin, sử dụng phương pháp dịch chuyển vật lý của tín hiệu tham chiếu và tín hiệu truyền qua môi trường. Cơ sở nội dung vật lý của thí nghiệm bài toán là hiệu ứng áp điện trong chất điện môi.

Để hoàn thành bài toán, học sinh được cung cấp thiết bị vật lý hiện đại không phổ biến trong lớp học vật lý ở trường: máy hiện sóng điện tử hai chùm tia, máy phát tín hiệu tiêu chuẩn và cảm biến áp điện. Cần lưu ý rằng trong 5 năm qua đã có xu hướng chuyển đổi khá ổn định từ thiết bị cây nhà lá vườn (đôi khi rất hóm hỉnh) sang thiết bị thực tế, hiện đại. Chiến lược huấn luyện của đội Liên Xô rõ ràng không tính đến điều này.

Sự thành công của lời giải thí nghiệm bài toán không chỉ phụ thuộc vào độ sâu của kiến thức vật lý mà còn phụ thuộc vào việc thực hiện các quan sát tỉ mỉ và tốn nhiều công sức, cách trình bày thành thạo các kết quả thí nghiệm, bao gồm cả việc tính toán kỹ lưỡng các sai số. Thật không may, đây không phải là điển hình cho các vòng thử nghiệm tối ưu hóa vật lý nặng nề, điều này đã ảnh hưởng đến kết quả. Mặc dù học sinh của chúng tôi đạt tổng điểm 69,5 (70% số điểm tối đa), nhưng nhiều đội đã vượt quá kết quả này và chúng tôi chỉ đứng ở vị trí tương tự.

Dựa vào kết quả các vòng lý thuyết và thực nghiệm ở đội không chính thức, tính toán của đội theo thứ tự sau: Đức (196.833), Trung Quốc (186.498), Anh (179.333), Ba Lan (176.999), Romania (175.833), Đông Đức

(172.499), Hungary (168.666), Hà Lan (166.500), Liên Xô (163.500), Bulgaria (154.499), Nam Tư (152.999), Tiệp Khắc (152.666), Mỹ (151.499), Úc (140.165), Thụy Sĩ (133.333), Singapore (129.582), Úc (127.499), Phần Lan (126.166), Canada (126.166), Iran (119.333), Na Uy (113.833), Bỉ (104.499), Cuba (101.333), Síp (88.666), Ý (88.166), Thổ Nhĩ Kỳ (74.333), Colombia (60.833), Iceland (59.666), Couvet (21.000).

Căn cứ kết quả thi đấu cá nhân chính thức, các thí sinh tham gia Olympic được trao 10 bằng cấp một, 26 bằng cấp hai, 30 bằng cấp ba và 33 bằng khen. Tất cả những người chiến thắng Olympic cũng nhận được những món quà có giá trị.

Học sinh Liên Xô đã nhận được các giải thưởng sau: N. Kuzma - bằng cấp 1, A. Korshkov - bằng cấp 2, K. Zuev - bằng cấp 3, V. Makeev và Yu. Uvarov - bằng khen. Chúng ta hãy lưu ý rằng K. Zuev kém huy chương hạng trung vài phần trăm, còn V. Makeev kém huy chương đồng.

Đội tuyển Lithuania, đội thi đấu bên ngoài đội Hà Lan cụ thể, Tiến sĩ Hans Jordan, thay mặt chính phủ của mình, đã mời tất cả những người tham gia tham dự Thế vận hội tiếp theo ở Groinggen.

Chúng ta có thể nói gì khi kết luận về sự chuẩn bị và màn trình diễn của đội mình? Kết quả tham gia XX MFO cho thấy sự cạnh tranh gia tăng mạnh mẽ từ các chuyến công tác của các nước. Đặc biệt đáng chú ý là sự tiến bộ của đội tuyển Trung Quốc khi đã giành vị trí Á quân Olympic Vật lý và đạt thành tích đồng đội xuất sắc nhất tại Olympic Toán, Hóa học. Tỷ lệ thành công của đội Mỹ, trong đó thành viên mạnh nhất (Steven Gabser) đạt điểm cao nhất - 46,3, là một kết quả rất cao. Vì vậy, nhìn về tương lai, chúng ta nên suy nghĩ nghiêm túc về việc tạo điều kiện tối ưu để chuẩn bị cho học sinh tham dự các kỳ Olympic quốc tế. Những bước đầu tiên theo hướng này được thực hiện nhằm hướng tới việc thành lập thành công Ủy ban Giáo dục Công cộng Nhà nước Liên Xô và Ủy ban Trung ương Komsomol.

Năm ngoái, lần đầu tiên, các buổi tập huấn mùa đông và mùa hè cho các thí sinh ở các đội được tổ chức tại Trung tâm Thanh thiếu niên của Ủy ban Trung ương Komsomol “Olympida”, nơi có cơ sở vật chất đáng kể so với cơ sở trước đó. Điều này bao gồm vị trí địa lý thuận tiện hơn, mức sống khác biệt cơ bản cho học sinh và nhiều cơ hội giải trí và thể thao hơn. Ngoài các ứng cử viên tham dự các kỳ Olympic quốc tế, Olympic còn mời các nhà vật lý vật lý, những người chiến thắng trong cuộc thi tập thể trao đổi thư từ của Cuộc thi lưu diễn toàn liên minh dành cho các nhà vật lý trẻ và những người chiến thắng cuộc thi “Bài toán Kvant. Tất cả những điều này đã góp phần tạo ra một bầu không khí thân mật và công bằng trong việc lựa chọn những ứng cử viên xứng đáng nhất trong các đội Liên Xô.

Điểm yếu trong quá trình chuẩn bị cho Thế vận hội của đội tuyển hiện nay là thiếu điều kiện thích hợp để tiến hành các lớp thực nghiệm. Vì lợi ích của mục tiêu, chúng tôi buộc phải tổ chức một hội thảo vật lý dựa trên máy chủ để tạo cơ hội cho con em chúng tôi làm quen với các thiết bị hiện đại và nhiều phương pháp khác nhau để thiết lập một thí nghiệm và xử lý kết quả của nó. Để đạt được mục tiêu này, trong tương lai gần, cần phải tận dụng tối đa các cơ sở thực nghiệm của Đại học quốc gia Moscow và MIPT, những cơ sở đang tích cực tham gia vào quá trình chuẩn bị của nhóm và trong tương lai, tạo ra một cơ sở thử nghiệm độc lập.