Olympic Vật lý lần thứ VIII

Kvant 1975, số 12 tr. 59-63 Thẻ IA4K

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 →

Olympic Vật lý lần thứ VIII

Vào tháng 7 năm 1975, Kỳ thi Olympic Vật lý Quốc tế lần thứ VIII dành cho học sinh được tổ chức tại thành phố Güstrow (CHDC Đức). Các đội đến từ Bulgaria, Hungary, Đông Đức, Ba Lan, Romania, Liên Xô, Tiệp Khắc, Pháp và Đức đã tham gia Thế vận hội.

Các thành viên của đội Liên Xô là các học sinh - người đoạt giải Olympic Vật lý toàn Liên minh, đã thể hiện kết quả tốt nhất tại trại huấn luyện:

Leonid Avdeev - tốt nghiệp trường nội trú vật lý và toán học số 165 ở Novosibirsk;

V a di m B o r u - tốt nghiệp trường trung học số 28 ở Zaporozhye;

Sergey Korshunov tốt nghiệp trường cấp 2 số 1 của làng. Monino, quận Shchelkovsky, vùng Moscow;

Yury Maked on o v - tốt nghiệp trường cấp 2 số 37 ở Kalinin;

Evgeniy Shakhnovich tốt nghiệp trường cấp 2 số 6 ở Kalinin.

Vào ngày 7 tháng 7, tất cả những người tham gia Olympic đã tập trung tại Berlin và đi đến Güstrow bằng xe buýt.

Vào ngày 9 tháng 7, một vòng thi lý thuyết đã được tổ chức, trong đó những người tham gia được tặng ba bài toán (nội dung của bài toán được đưa ra ở cuối bài viết). Số điểm tối đa ở vòng này thuộc về: Radu Oprea (Romania), Sergei Korshunov (Liên Xô), Antoni Lachkovsky (Ba Lan), Domenic Delande (Pháp). Ngày 11 tháng 7 tại vòng thử nghiệm, nơi người tham gia

Cần phải giải quyết một bài toán, những thành công tốt nhất đã đạt được bởi Matthias Wagner (CHDC Đức), Miroslav Lychka (Tiệp Khắc), Sergei Korshunov, Evgeniy Shakhnovich (Liên Xô), Joseph Schmidt (Hungary), Volker Fritsche (CHDC Đức).

Vào ngày 14 tháng 7, lễ bế mạc Olympic đã diễn ra, tổng kết kết quả cuối cùng. Những người chiến thắng đã được trao bằng tốt nghiệp và những phần quà có giá trị.

Các đội của CHDC Đức, Liên Xô, Hungary và Ba Lan đã thi đấu thành công nhất, tất cả các thành viên đều được cấp bằng cấp I, II, III.

Người chiến thắng Olympic là Sergei Korshunov (Liên Xô), người đạt số điểm cao nhất (43).

Tôi đã nhận được giải thưởng:

Sergei Korshunov (Liên Xô), Radu Oprea (Romania), Joseph Schmidt (Hungary), Volker Fritsche, Mathias Wagner, Jörg Bergman (CHDC Đức), Miroslav Lychka (Tiệp Khắc).

Giải thưởng II đã nhận được:

Bela Farace, Ene Sher (Hungary), Leonid Avdeev, Evgeniy Shakhnovich (Liên Xô), Antoni Lachkovsky (Ba Lan), Laurentu Franciu (Romania), Martin Hanke (CHDC Đức), Jan Hula (Tiệp Khắc), Domenic Delande (Pháp).

Giải III đã nhận:

Jerzy Blawdzewicz, Andrzej Lusakowski, Daryusz Pietraszkiewicz, Bohuslaw Sulikowski (Ba Lan), Yuri Makedonov, Vadim Boryu (Liên Xô), Hans-Georg Martin (CHDC Đức), Geza Georgy, Attila Wirostek (Hungary), Pierre-Michel Delrouch, Rene Godefroy (Pháp), Juri Hulka (Tiệp Khắc).

Trong thời gian rảnh rỗi, các nhà vật lý trẻ có cơ hội làm quen với các di tích lịch sử văn hóa của CHDC Đức và gặp gỡ các em học sinh, sinh viên.

Những người tham gia Olympic là khách mời của các sinh viên Trường Sư phạm Đại học mang tên. Liselotte Hermann ở Güstrow, nơi diễn ra Thế vận hội. Các học sinh đã cam kết

đi thuyền trên hồ, tham quan thành phố, tham quan Bảo tàng Bách khoa, Bảo tàng Barlach, các xí nghiệp công nghiệp, đặt vòng hoa tại nơi tưởng niệm các tù nhân Sachsenhausen của quân đội Liên Xô và tại khu mộ tập thể các binh sĩ Liên Xô.

Tại Rostock, sau khi làm quen với thành phố, những người tham gia Olympic đã đi thuyền trên Biển Baltic và gặp gỡ các học sinh CHDC Đức tại một trại du lịch.

Trong chuyến đi tới Potsdam, những người tham gia Olympic đã đến thăm Công viên Sanssouci, Cung điện Mới và Lâu đài Zitzilienhof, nơi Hiệp định Potsdam nổi tiếng được ký kết.

Ở Berlin có một chuyến tham quan thành phố. Trong chuyến thăm Công viên Treptower, các học sinh đã đặt vòng hoa tại tượng đài người lính Liên Xô.

Trong Thế vận hội, các thành viên của các đội khác nhau đã trở thành bạn bè của nhau và trao đổi quà lưu niệm.

Dưới đây là bài toán vòng thi lý thuyết và thử nghiệm.

Tham quan lý thuyết

Vấn đề 1. Thanh được cố định ở một góc $\dfrac{\pi}{2} - \alpha$ so với trục thẳng đứng A (Hình 1). Cấu trúc có thể quay quanh trục này với vận tốc góc $\omega$ . Trên thanh có một vật chuyển động có khối lượng $G = mg$ . Chuyển động của vật dọc theo thanh xảy ra do ma sát. Hệ số ma sát tĩnh $\mu$ ( $\mu = \mathrm{tg}\,\beta$ ).

Cơm. 1.

Cơm. 2.

a) Với giá trị nào của góc α thì vật đứng yên và với giá trị nào của α thì vật chuyển động ở ω = 0?

Xác định các điều kiện để vật đứng yên nếu vật va chạm với vận tốc không đổi ω. Khi va chạm góc α không thay đổi.

Sử dụng các tỷ lệ sau khi tính toán:

$\sin(\alpha \pm \beta) = \sin \alpha \cos \beta \pm \cos \alpha \sin \beta,$
$\cos(\alpha \pm \beta) = \cos \alpha \cos \beta \mp \sin \alpha \sin \beta.$

Nhiệm vụ 2. Chỉ đối với một đường thủy tinh có bán kính cong $r_1$ và $r_2$ và độ dày $d$ (Hình 2), nằm trong không khí, tiêu cự $f$ được xác định theo biểu thức sau:

$f = \frac{n r_1 r_2}{(n - 1) [n (r_2 - r_1) + d (n - 1)]},$

trong đó $n$ là chiết suất (không khí - thủy tinh).

Ghi chú e. $r_i > 0$ có nghĩa là tâm cong $M_i$ nằm bên phải điểm $S_i$ ; $r_i < 0$ có nghĩa là tâm cong $M_i$ nằm về phía bên trái của điểm $S_i$ ( $i = 1, 2$ ).

Đối với một số mục đích nhất định, tiêu cự không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng λ là mong muốn.

a) Có thể đạt được cùng một tiêu cự với bao nhiêu bước sóng khác nhau?

Tìm mối quan hệ giữa $r_i$ , $d$ và chiết suất sao cho tiêu cự của đường thẳng không phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng (xem câu hỏi trước) và thảo luận về mối quan hệ này. Vẽ khả năng hình dạng đường. Cho biết vị trí của tâm cong $M_1$ và $M_2$ .

b) Chứng minh rằng đối với một đường lồi phẳng, chỉ có thể thu được một tiêu cự cụ thể cho một bước sóng ánh sáng.

d) Chỉ ra trường hợp khác khi xác định các tham số của chỉ một đường thẳng có thể nhận ra tiêu cự cho trước chỉ đối với một bước sóng. Hãy chú ý đến hoàn cảnh vật lý và hình học.

Nhiệm vụ 3. Một chùm ion tích điện dương (điện tích + e) có khối lượng bằng nhau và không đổi $m$ được phát ra từ điểm Q trong một mặt phẳng. Các ion được gia tốc bởi điện áp U bị lệch bởi một từ trường duy nhất, hướng vuông góc với mặt phẳng truyền ion. Cảm ứng từ trường bằng B. Biên của từ trường phải sao cho các chùm tia hội tụ tại một điểm A ( $QA = 2a$ ). Các quỹ đạo phải đối xứng với đường thẳng vuông góc với đoạn QA và đi qua điểm giữa của nó. Từ các ranh giới có thể có của từ trường, bạn nên chọn những ranh giới nằm trong vùng lân cận của đường vuông góc với điểm giữa của đoạn QA, nhưng không bao gồm các điểm Q và A. Các khu vực phải được kết nối đơn, tức là không có lỗ trống và điểm gián đoạn.

a) Biểu thị bán kính cong R của quỹ đạo của bộ phận trong từ trường dưới dạng hàm của điện áp U và cảm ứng B.

Chỉ ra đặc tính của các đặc tính quỹ đạo của bộ phận trong quá trình lắp đặt kết quả.

b) Tìm giới hạn của từ trường bằng cách xây dựng hình học cho trường hợp: $R < a; R = a; R > a$ .

d) Tìm biểu thức toán học cho ranh giới của từ trường.

Chuyến tham quan thử nghiệm

Nhiệm vụ 4. Các thiết bị sau đây được bố trí tại nơi làm việc: một thiết bị bán dẫn, một biến trở (140 ohm), một điện trở không đổi (300 ohm), một nguồn điện áp (9 e), 2 dụng cụ đo điện đa năng (ohmmeter), dây nối.

Sử dụng những thiết bị này, giải quyết bài toán sau.

a) Lắp ráp mạch điện và thực hiện những thay đổi cần thiết để mô tả đặc tính của chất bán dẫn

Cơm. 3.

thiết bị trong giới hạn được xác định bởi công suất tối đa cho phép là 250 tấn. Ghi kết quả đo vào bảng và vẽ đặc tính dòng điện-điện áp. Trước khi bắt đầu đo, hãy nghĩ về cách bạn có thể ngăn chặn tình trạng quá tải của thiết bị bán dẫn một cách đáng tin cậy và ghi lại các phép tính của mình vào báo cáo. Vẽ sơ đồ mạch điện để đo và phân tích các lỗi hệ thống phát sinh khi sử dụng mạch đã chọn.

Tính điện trở trong (điện trở đường kính) của thiết bị bán dẫn ở dòng điện 25 mA.
c) Sử dụng mạch như Hình 3, kiểm tra sự phụ thuộc của điện áp đầu ra $U_2$ vào điện áp đầu vào $U_1$ và trình bày kết quả dưới dạng bảng và đồ thị. Điện áp đầu vào $U_1$ nên được thay đổi trong khoảng từ 0 đến 9 $\theta$ . Trong trường hợp này, thiết bị bán dẫn phải được đưa vào mạch sao cho $U_2$ càng lớn càng tốt. Vẽ sơ đồ kết nối hoàn chỉnh của thiết bị và đưa kết quả đo vào báo cáo.

d) Cho biết điện áp đầu ra $U_2$ thay đổi bao nhiêu nếu điện áp đầu vào $U_1$ tăng từ 7 $\theta$ lên 9 $\theta$ . Giải thích một cách định tính mối quan hệ $\Delta U_1/\Delta U_2$ .

e) Dụng cụ dùng trong thí nghiệm là loại thiết bị bán dẫn nào? Cho một ví dụ về ứng dụng thực tế của sơ đồ trong Hình 3.

Chỉ định và e. Dụng cụ đo điện thuộc cấp chính xác 2,5 và có các thông số sau:

| Phạm vi đo | Kháng nội bộ |
| :— | :— |
| 50 $\mu$ a | 2 $\text{кОм}$ |
| 300 $\mu$ a | 1 $\text{кОм}$ |
| 3 $\text{м}$ a | 100 $\text{Ом}$ |
| 30 $\text{м}$ a | 10 $\text{Ом}$ |
| 300 $\text{м}$ a | 1 $\text{Ом}$ |
| 0,3 $\theta$ | 6 $\text{кОм}$ |
| 1 $\theta$ | 20 $\text{кОм}$ |
| 3 $\theta$ | 60 $\text{кОм}$ |
| 10 $\theta$ | 200 $\text{кОм}$ |

Cơm. 4.

Cơm. 5.

Cơm. 6.

Như thường lệ, lời giải bài toán đã ghi điểm. Số điểm tối đa cho lời giải của mỗi bài toán thuộc loại lý thuyết là 10, và cho lời giải của loại thực nghiệm bài toán - 20. Như vậy, mỗi phần nói về điện trở trong của ampe kế và vôn kế. Thứ hai, sai số hệ thống phát sinh do nhiệt độ của thiết bị bán dẫn tăng không đồng bộ trong khi độ dẫn điện của nó tăng. (1 điểm)

Đặc tính vôn kế của thiết bị bán dẫn thu được từ kết quả đo được thể hiện trên hình 5. (2 điểm)

Điện trở trong được xác định như sau: $R_i = \frac{\Delta U}{\Delta I}$ . (1 điểm)

Ở cường độ dòng điện 25 mA, điện trở trong đối với hướng dòng thuận là 1 ohm ± 50% và đối với hướng dòng chặn là 10 ohm ± 50% (xem Hình 5).

Sai số tương đối lên tới 50% được coi là chấp nhận được. (2 điểm)

c) Sơ đồ đầy đủ cần thiết cho nghiên cứu được thể hiện trong Hình 6. (1 điểm)

Đối với cả hai xx, đồ thị có hướng của dòng điện phụ thuộc $U_2 = f(U_1)$ có dạng giống nhau (Hình 7), nhưng các giá trị tuyệt đối thì khác nhau. (3 điểm)

Hãy chú ý đến cách kết nối diode bán dẫn. Trong trường hợp này, hướng đầu ra $U_2$ sẽ lớn hơn. (1 điểm)

Bắt đầu từ một giá trị nhất định của hướng đầu vào $U_1$ , hướng $U_2$ thay đổi rất đáng kể do sẽ xảy ra sự cố thiết bị bán dẫn. Khi tăng $U_1$ , dòng điện trong mạch tăng và theo đó, điện áp trên điện trở bổ sung cũng tăng. (1 điểm)

d) Dựa vào kết quả đo $\Delta U_2 = 0,1 \theta \pm 50\%$ . (1 điểm)

Do đó, $\Delta U_2$ của thành phố nhỏ hơn $\Delta U_1$ . Điều này được giải thích là do điện trở trong của thiết bị bán dẫn nhỏ hơn nhiều so với điện trở bổ sung, do đó sự thay đổi điện trở đầu vào có ảnh hưởng lớn nhất đến sự sụt giảm hướng trên điện trở bổ sung. (2 điểm)

e) Thiết bị bán dẫn là điốt. đáp số cũng được coi là đúng: cờ hiệu. (1 điểm)

Mạch này có thể được sử dụng như một bộ ổn định hướng. (2 điểm)

Chú ý! Nếu diode bị hỏng thì bị trừ 2 điểm, nếu thiết bị đo bị hỏng thì bị trừ 5 điểm.

V. G. Razumovsky, G. S. Taraskok