第41屆國(guó)際物理奧林匹克競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)試題簡(jiǎn)介

荀 坤,王若鵬,陳曉林,劉樹新

(北京大學(xué)物理學(xué)院,北京100871)

第41屆國(guó)際物理奧林匹克競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)試題簡(jiǎn)介

荀 坤,王若鵬,陳曉林,劉樹新

(北京大學(xué)物理學(xué)院,北京100871)

第41屆國(guó)際物理奧林匹克競(jìng)賽實(shí)驗(yàn)含“薄片的彈性”和“磁體之間的作用力、穩(wěn)定性和對(duì)稱性”兩道題.本文詳細(xì)地介紹了試題內(nèi)容和解答,并在必要時(shí)作了簡(jiǎn)短評(píng)論.

國(guó)際物理奧林匹克;彈性;磁力;穩(wěn)定性;對(duì)稱性

1 引 言

第41屆國(guó)際物理奧林匹克競(jìng)賽于2010年7月17日至7月25日在克羅地亞的薩格勒布市(Zagreb)舉行.代表中國(guó)參賽的5名中學(xué)生全部都獲得了金牌,俞頤超和吳俊東同學(xué)分獲總分第一和第二,俞頤超同學(xué)還獲得了理論第一和歐洲物理學(xué)會(huì)頒發(fā)的最佳解題創(chuàng)新獎(jiǎng).

本屆競(jìng)賽的實(shí)驗(yàn)共兩題,分別是“薄片的彈性”和“磁體之間的作用力、穩(wěn)定性和對(duì)稱性”.2個(gè)實(shí)驗(yàn)使用了相同的測(cè)量裝置.賽會(huì)統(tǒng)一提供透明膠帶、剪刀、三角尺、筆、紙和繪圖紙等,并規(guī)定了可使用的計(jì)算器型號(hào).本次競(jìng)賽的試題相對(duì)較短,每題都僅有4頁(yè),所以我們盡量保持試題原貌.由于篇幅限制,試題解答盡量采用賽會(huì)提供的標(biāo)準(zhǔn)答案.最后,針對(duì)中國(guó)考生的答題情況作一些簡(jiǎn)單分析.

2 試題概要

實(shí)驗(yàn)題共2道,均使用自己桌上的裝置來(lái)完成,時(shí)限為5 h.

2.1 試題1 片狀物的彈性

2.1.1 引言

彈簧是由能儲(chǔ)存機(jī)械能的彈性材料制成的.大家都知道,螺旋式彈簧(見圖1)滿足胡克定律,即壓縮彈簧所用的力 F與彈簧的被壓縮量Δx成正比:F=-kΔx,這里 k是彈簧的勁度系數(shù).然而,彈簧可以不是螺旋形的,并且對(duì)于較大的形變,胡克定律一般不再成立.本試題中,要測(cè)量由有彈性的薄片做成的彈簧(圖2)的性質(zhì).圖2中彈簧被壓縮到一定程度時(shí),其截面具田徑場(chǎng)狀(含半徑均為R0的2個(gè)半圓).

圖1 螺旋式彈簧示意圖

圖2 彈性薄片圓筒彈簧示意圖

2.1.2 卷成筒形的透明片

1個(gè)彈性薄片(例如,1張透明片)被彎曲得越厲害,其中儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能就越大.彈性勢(shì)能依賴于薄片彎曲的曲率.薄片中具有較大曲率的部分會(huì)儲(chǔ)存較多的勢(shì)能(薄片中平直的部分曲率為零,不儲(chǔ)存勢(shì)能).本實(shí)驗(yàn)所用彈簧就是用矩形透明膠片卷成圓筒而制成(見圖3).此圓筒所儲(chǔ)存的彈性勢(shì)能為

這里A表示圓筒的側(cè)面積,Rc表示它的半徑,參量κ被稱作彎曲勁度系數(shù),由材料的彈性性質(zhì)和薄片厚度決定.

圖3 彈性膠片卷成半徑為R c、長(zhǎng)度為l的圓筒

假設(shè)這樣的圓筒被壓縮,見圖2所示.對(duì)于給定的壓力 F,偏離平衡位置的位移依賴于透明膠片的彈性.當(dāng)所加壓力在一定范圍時(shí),被壓縮透明片圓筒的截面和田徑場(chǎng)的形狀一樣,即由兩直線和兩半徑為 R0的半圓組成.可以證實(shí),R0與外力間 F有如下關(guān)系:

這里,F用電子秤測(cè)量,因此有 F=m g,其中m是電子秤顯示的質(zhì)量讀數(shù),g=9.81 m/s2.

2.1.3 實(shí)驗(yàn)裝置

在桌子上有以下物品(用于實(shí)驗(yàn)1):

a.擠壓器(帶1塊鎮(zhèn)石);

b.量程為5 000 g的電子秤,該秤具有扣除皮重的功能;

c.若干透明片(尺寸均為21 cm×29.7 cm,其中藍(lán)色透明片厚度為200μm,無(wú)色透明片厚度為150μm);

d.長(zhǎng)方形木板(該板放在秤上,圓筒再放在該板上).

圖4 測(cè)量彎曲勁度系數(shù)的裝置圖

此裝置的用法如圖4所示.通過旋轉(zhuǎn)翼型螺絲帽可使擠壓器的上平板做上下移動(dòng),擠壓器施加的作用力由電子秤測(cè)量.翼形螺帽的螺距為2 mm.

2.1.4 任務(wù)

1)分別將2張藍(lán)色透明片卷成圓筒狀,其中一張沿長(zhǎng)邊卷,另一張沿短邊卷,首尾邊緣的交疊量以0.5 cm為佳,卷好后用膠帶固定.

a.對(duì)2種透明片圓筒,分別測(cè)量稱得的質(zhì)量讀數(shù)與擠壓臺(tái)的2個(gè)平板之間的距離的依賴關(guān)系.(1.9分)

b.由測(cè)量結(jié)果做圖.借助目測(cè)和直尺,在數(shù)據(jù)點(diǎn)中畫出適當(dāng)?shù)闹本€,并由此定出2個(gè)透明片的彎曲勁度系數(shù)κ.在圖上標(biāo)出近似關(guān)系(即田徑場(chǎng)近似)成立的區(qū)域.估計(jì)當(dāng)分別小于何值時(shí)“田徑場(chǎng)近似”才成立,這里Rc是圓筒彈簧未被擠壓時(shí)的半徑.(4.3分)

2)測(cè)量1張無(wú)色透明片的彎曲勁度系數(shù).(2.8分)

3)彎曲勁度系數(shù)κ與楊氏模量 Y和透明片厚度d間的關(guān)系為

這里ν是材料的泊松比,對(duì)大多數(shù)材料,ν≈1/3.由前面的測(cè)量結(jié)果,分別確定藍(lán)色和無(wú)色透明片的楊氏模量.(1.0分)

2.2 試題2 磁體之間的作用力、穩(wěn)定性和對(duì)稱性

2.2.1 引言

在面積為S的閉合環(huán)路中流過電流I時(shí),將產(chǎn)生大小為m=IS的磁矩(圖5).永磁體可以被看成大量小磁矩的集合,而每個(gè)小磁矩又可以看成由1個(gè)電流環(huán)產(chǎn)生的.這個(gè)磁體的模型(安培模型)可以用圖6來(lái)說(shuō)明.總磁矩就是所有這些小磁矩之和,方向從南極指向北極.

圖5 電流環(huán)及其產(chǎn)生的磁場(chǎng)示意圖

圖6 磁體被看成是電流環(huán)的集合

2.2.2 磁體間的作用力

計(jì)算2個(gè)磁體之間的作用力并不容易.我們知道,相同磁極間相互排斥,不同磁極間相互吸引.2個(gè)電流環(huán)之間的作用力依賴于電流環(huán)中電流的大小、電流環(huán)的形狀以及它們的相互距離.如果使其中的1個(gè)電流環(huán)中的電流反向,2個(gè)電流環(huán)的作用力的大小不變,但方向相反.

在本試題中,要通過實(shí)驗(yàn)來(lái)研究1個(gè)環(huán)形磁體(磁環(huán))和1個(gè)棒狀磁體(磁棒)之間的作用力.我們感興趣的是2個(gè)磁體的對(duì)稱軸重合(見圖7)時(shí)的情況.磁棒能沿 z軸從左向右移動(dòng),穿過磁環(huán)(見圖7),再繼續(xù)向右.測(cè)量上述2個(gè)磁鐵之間的作用力隨z變化的函數(shù)關(guān)系.取2個(gè)磁鐵的中心重合的點(diǎn)為原點(diǎn),即z=0.

圖7 磁棒和磁環(huán)的對(duì)稱軸重合,它們間作用力隨著磁棒沿z軸移動(dòng)而變化

為了確保磁棒沿對(duì)稱軸(z軸)移動(dòng),磁環(huán)被固定在透明的圓筒內(nèi),圓筒沿z軸打有一細(xì)孔,見圖8,于是,磁棒被限制細(xì)孔內(nèi),只能沿z軸移動(dòng).2個(gè)磁體均沿z軸方向磁化.細(xì)孔確保2個(gè)磁體間沒有徑向的相對(duì)位移.

圖8 2個(gè)磁體及中空透明圓筒的照片

2.2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

桌上應(yīng)放有下列部件:

a.擠壓器(包括1個(gè)鎮(zhèn)石);

b.量程為5 000 g的電子秤(具備去除皮重的功能);

c.1個(gè)中空的透明圓柱,其中一端內(nèi)置1個(gè)環(huán)形磁鐵;

d.1個(gè)柱形磁鐵;

e.1個(gè)細(xì)木棍(可用來(lái)將柱形磁鐵推出透明圓筒).

用此裝置測(cè)量磁體之間作用力的方法如圖9所示.相對(duì)于試題1,需要將擠壓器的上平板翻轉(zhuǎn)過來(lái).擠壓器上平板上的細(xì)鋁棒是用來(lái)在改變柱形磁鐵在透明圓柱細(xì)孔中的位置.電子秤用來(lái)測(cè)作用力(顯示的是質(zhì)量).擠壓器的上平板可由轉(zhuǎn)動(dòng)翼型螺帽上下移動(dòng).

圖9 測(cè)量磁體間作用力時(shí)的實(shí)驗(yàn)裝置

2.2.4 任務(wù)

1)假設(shè)z軸如圖7取在水平面內(nèi),請(qǐng)借助手和木棍定性地確定2個(gè)磁鐵之間的所有平衡位置,并在答題紙上畫出來(lái).答題紙上已經(jīng)給出了1個(gè)穩(wěn)定平衡位置的表示方法,要求按照這個(gè)方法來(lái)畫出其他所有平衡位置,用S標(biāo)記穩(wěn)定平衡,用U來(lái)標(biāo)記非穩(wěn)定平衡,用陰影來(lái)區(qū)分磁鐵的極性.(2.5分)

2)使用所給實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)量不同 z坐標(biāo)下2個(gè)磁鐵之間的作用力.令z軸的正方向指向透明圓筒內(nèi)(沿正方向的作用力是正值).對(duì)于磁矩平行的各種配置,作用力用 F↑↑(z)標(biāo)記,磁矩反平行則用 F↑↓(z)標(biāo)記.提示:忽略磁棒的質(zhì)量(即忽略重力),利用磁鐵之間作用力的對(duì)稱性測(cè)量曲線的不同部分.分析作用力的所有對(duì)稱性,并寫在答題紙上.在答題紙上寫出測(cè)量值,并在每個(gè)記錄表旁,仿照給出的示例,畫出與該表對(duì)應(yīng)的磁鐵配置.(3.0分)

3)利用任務(wù)2所獲得的測(cè)量值,在坐標(biāo)紙上詳細(xì)地畫出作用力 F↑↑(z)在z＞0范圍的函數(shù)依賴關(guān)系,分別畫出曲線 F↑↑(z)(沿z軸的正向和反向)和 F↑↓(z)(沿z軸的正向和反向)的曲線示意圖.在2個(gè)曲線示意圖上標(biāo)記每個(gè)穩(wěn)定平衡點(diǎn)的位置,并畫出相應(yīng)的磁鐵位置以及極性配置圖.(4.0分)

如果不忽略棒形磁鐵的質(zhì)量,當(dāng)z軸垂直設(shè)置時(shí),平衡位置總數(shù)可能會(huì)增加,請(qǐng)?jiān)诖痤}紙上畫新增加的所有平衡位置.(0.5分)

兩道試題都不要求作誤差分析.

3 試題解答

試題1之任務(wù)1:在將透明片卷成圓筒狀時(shí)只要保證兩端直徑基本相等就不會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生太大的影響.在將圓筒放置到擠壓器中時(shí),一定要讓接縫與擠壓器頂或底相切.這樣,當(dāng)圓筒被稍微擠扁后接縫的影響就可以略去.

任務(wù)1中a要分別列表給出2個(gè)圓筒的測(cè)量結(jié)果.測(cè)量點(diǎn)要覆蓋形變較大(田徑跑道狀)和較小的2個(gè)區(qū)域.每個(gè)表中至少要包括12組數(shù)據(jù),其中,形變較大區(qū)域的數(shù)據(jù)點(diǎn)不得少于8個(gè),形變較小的區(qū)域數(shù)據(jù)點(diǎn)不得少于4個(gè).對(duì)每種圓筒,數(shù)據(jù)點(diǎn)正確(包括范圍、點(diǎn)數(shù)和數(shù)值等)得0.7分;表中各欄所取量和單位正確得0.15分;清楚指出圓筒的初始半徑 Rc得0.1分.表1和表2分別為對(duì)2個(gè)圓筒的測(cè)量結(jié)果.

表1 沿長(zhǎng)邊卷圓筒的測(cè)量結(jié)果 (l=21.0 cm,R c=4.40 cm)

表2 沿短邊卷圓筒的測(cè)量結(jié)果 (l=29.7 cm,R c=3.60 cm)

任務(wù)1中b利用任務(wù)1中a的結(jié)果可畫出圖10,雙箭頭記號(hào)的左下方田徑跑道近似成立.圖中給出的擬合直線的斜率 a分別為500和700.每個(gè)圖滿分為1.4分.要求正確地選擇縱、橫軸的量并清楚地在軸上標(biāo)明(單位也要正確),要用一條過原點(diǎn)的直線來(lái)擬合實(shí)驗(yàn)點(diǎn),且原點(diǎn)要清楚地標(biāo)出.還要在圖中清楚地標(biāo)明田徑跑道近似成立的范圍和擬合直線的參數(shù).每缺1個(gè)標(biāo)記要扣0.1分,如缺刻度每軸扣0.1分.

圖10 藍(lán)色透明片圓筒的受力與形變

縱、橫軸的選取方式允許有多種,但它們間的依賴關(guān)系必須是線性的.如果采用雙對(duì)數(shù)作圖,擬合直線可不過原點(diǎn).1位中國(guó)學(xué)生選擇了用m-

作圖,對(duì)此,改卷官也依然要求擬合直線要過原點(diǎn).應(yīng)該指出,采用作圖要比用更好,因?yàn)榍罢咴诹恐递^小時(shí)是線性的,后者則相反.中國(guó)學(xué)生中只有俞頤超同學(xué)的擬合直線是過原點(diǎn)的,他此題得了滿分.

由擬合直線的斜率a可以很容易得到藍(lán)色透明片的彎曲勁度系數(shù).2種圓筒測(cè)得的結(jié)果均為:κ=1.5 mJ(分值0.5+0.5).對(duì)沿長(zhǎng)邊卷和沿短邊卷的圓筒,田徑跑道近似的范圍分別為0.70和≤0.77(分值0.5).

試題1之任務(wù)2:此部分只是重復(fù)任務(wù)1的內(nèi)容,最后得:κ=0.8 mJ(分值1.0),數(shù)據(jù)(分值0.9)和圖(分值0.9)見表3和圖11.

表3 無(wú)色透明片卷筒的彎曲勁度系數(shù)測(cè)量(l=21.0 cm,R c=4.50 cm)

圖11 無(wú)色透明片圓筒的受力與形變

這里并不要求數(shù)據(jù)點(diǎn)要覆蓋田徑跑道近似不成立的區(qū)域,即可以只測(cè)量圖11中線性關(guān)系成立的部分.圓筒既可以沿長(zhǎng)邊卷,也可以沿短邊卷,也不要求給出圓筒的初始半徑和指出線性關(guān)系成立的范圍.

試題1之任務(wù)3:由任務(wù)1的結(jié)果和式(3)容易得到藍(lán)色透明片的楊氏模量為Y=2.0 GPa(分值0.6);由任務(wù)2的結(jié)果和式(3)得到無(wú)色透明片的楊氏模量為Y=2.5 GPa(分值0.4).

試題2之任務(wù)1:將有機(jī)玻璃圓筒水平放置,將磁棒插入其內(nèi),用手或木棍推動(dòng)磁棒,可以找到磁棒受力為零的位置.將磁棒的極性反轉(zhuǎn),重復(fù)上面操作,平衡的穩(wěn)定與非穩(wěn)定性會(huì)反轉(zhuǎn).一共可以找到6個(gè)平衡位置,穩(wěn)定平衡與非穩(wěn)定平衡各3個(gè),見圖12;圖中S與U分別表示穩(wěn)定與非穩(wěn)定平衡.其中,第一種位形已在答題紙上畫出只需指出此位形是穩(wěn)定平衡還是非穩(wěn)定平衡(分值0.25),其他各位形分值為0.45分.

所有中國(guó)學(xué)生都能找出全部穩(wěn)定平衡位形,但也有個(gè)別學(xué)生漏過了所有非穩(wěn)定平衡位形.

圖12 磁環(huán)與磁棒間受力為零時(shí)的位形示意圖

試題2之任務(wù)2:很容易找出兩磁體間作用力的對(duì)稱性:上面3個(gè)式子并不獨(dú)立,只需寫出其中任意2個(gè)即可得滿分0.6分.

按圖4所示的的方法放置已插入磁棒的有機(jī)玻璃圓筒,使擠壓器上的鋁質(zhì)細(xì)桿在升降時(shí)能讓磁棒在有機(jī)玻璃圓筒內(nèi)順暢地上下移動(dòng).在鋁質(zhì)細(xì)桿未接觸到磁棒時(shí)設(shè)定電子秤的零點(diǎn),在忽略重力的情況下,以后電子秤測(cè)得的就是兩磁體間的互作用力.

實(shí)際上,要測(cè)出完整的磁力位置依賴關(guān)系需要分別從3個(gè)穩(wěn)定平衡位置出發(fā)作分段測(cè)量.每一段測(cè)量要分別列表,并要畫出測(cè)量開始處的平衡位形圖,如表4～6.

表4 磁力與位置的關(guān)系Ⅰ (z0=0.0 mm)

表5 磁力與位置的關(guān)系Ⅱ (z0=10.8 mm)

表6 磁力與位置的關(guān)系Ⅲ (z0=18.6 mm)

本任務(wù)中的每一段測(cè)量滿分為0.8分,其中,起始穩(wěn)定平衡位形(要畫出)正確占0.15分;起始位置正確[分別為0,(11.0±0.6)mm,(18.5±0.6)mm]并包括正確的單位占0.2分,雖然起始點(diǎn)位置的數(shù)值超出允許范圍,但超出量不大,且3段曲線能平滑地銜接,則不扣分;如果測(cè)量點(diǎn)在10個(gè)以上,且包括曲線的全部細(xì)節(jié),得0.35分,測(cè)量點(diǎn)在10個(gè)以上,但未包含曲線的全部細(xì)節(jié),或測(cè)量點(diǎn)在5～10個(gè)但能包含曲線的全部細(xì)節(jié),得0.25分,測(cè)量點(diǎn)在5～10個(gè)間,但取點(diǎn)不均勻,得0.1分,測(cè)量點(diǎn)低于5個(gè)不給分;表中各欄單位正確得0.1分.

中國(guó)學(xué)生在此部分出現(xiàn)了一些問題:1)在平衡位置處未作測(cè)量.評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)要求3個(gè)表中第一點(diǎn)的電子秤讀數(shù)為零或非常接近于零,但中國(guó)學(xué)生基本上都沒有達(dá)到此要求.中國(guó)學(xué)生可能為了讓翼型螺帽處在較正的位置而使m的第一個(gè)讀數(shù)較大.2)Δz的最小取值只到1 mm.因?yàn)橐硇吐菝钡穆菥酁? mm,中國(guó)學(xué)生認(rèn)為1 mm的升降對(duì)應(yīng)螺帽只轉(zhuǎn)了半圈,已經(jīng)足夠小了.但在測(cè)第二段時(shí),如果位置間隔取1 mm,則測(cè)量點(diǎn)會(huì)不到10個(gè).考慮到此段磁力變化非常劇烈,測(cè)量點(diǎn)確實(shí)應(yīng)該再取密一些,螺帽旋轉(zhuǎn) 1/4圈升降0.5 mm,還是很容易做到的.此外,還有個(gè)別學(xué)生沒有畫初始位形圖或只測(cè)了兩段數(shù)據(jù).

試題2之任務(wù)3:雖然測(cè)得表4和表6時(shí)磁棒與磁環(huán)的極性為反平行,但可利用式(5)得到磁棒與磁環(huán)極性平行時(shí)的結(jié)果,如再將各段測(cè)量的初始z0值加到Δz上,就可得到完整的 F↑↑(z)關(guān)系,如圖13所示.

圖13 極性平行時(shí)磁棒與磁環(huán)間作用力與距離的關(guān)系

根據(jù)磁力的對(duì)稱性關(guān)系式(4)～(6),很容易得到 F↑↑(z)(沿 z軸的正向和反向)和 F↑↓(z)(沿z軸的正向和反向)的曲線示意圖如圖14和圖15所示.

圖14中水平虛線標(biāo)記磁力為零的位置,3處是z軸零點(diǎn),1～5標(biāo)記平衡位置.其中,2與4處曲線斜率為正,是非穩(wěn)定平衡位置;1,3和5處曲線斜率為負(fù),是穩(wěn)定平衡位置,對(duì)應(yīng)的磁體位形也已在圖中畫出.

圖14 極性平行時(shí)磁棒與磁環(huán)間作用力與距離的關(guān)系示意圖

圖15 極性反平行時(shí)磁棒與磁環(huán)間作用力與距離的關(guān)系示意圖

圖15中水平虛線標(biāo)記磁力為零的位置,8處是z軸零點(diǎn),6～10標(biāo)記平衡位置.其中,6,8和10處曲線斜率為正,是非穩(wěn)定平衡位置;7和9處曲線斜率為負(fù),是穩(wěn)定平衡位置,對(duì)應(yīng)的磁體位形也已在圖中畫出.

圖13由表4～6的3段數(shù)據(jù)畫出,滿分為2.0分.如每一段曲線包含10個(gè)以上的測(cè)量點(diǎn),且這些點(diǎn)分布合理,給出了全部細(xì)節(jié),則各得0.5分.如果一段曲線的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)足夠但分布不合理,或雖能給出曲線的細(xì)節(jié),但實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)不夠,得0.4分.如果一段曲線的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)在5～10間,且分布不合理,得0.2分.如果一段曲線的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)數(shù)不足5個(gè)則不得分.能正確標(biāo)出每一個(gè)軸的量和單位各得0.1分.磁力的最大值在允許范圍(1 050～1 350 g)內(nèi)得0.1分.如果3段曲線能夠平滑銜接得0.2分.

圖14和圖15的滿分各為1.0分.如果一個(gè)示意圖與另一示意圖相互顛倒可得0.1分.每一個(gè)圖可認(rèn)為是由6段組成(z＞0有3段,z＜0有3段),正確畫出一段得0.1分.能正確指出穩(wěn)定平衡位置并畫出相應(yīng)的位形圖得0.2分.各個(gè)軸量表示正確得0.1分.

部分中國(guó)學(xué)生在指出平衡位置和畫出相應(yīng)的位形圖時(shí)犯了一些不該犯的錯(cuò)誤,估計(jì)是對(duì)磁極方向的表示和z軸的取向不十分清楚.磁棒上并沒有任何記號(hào),其實(shí)際取向很容易混淆.

試題2之任務(wù)4:在圖14和圖15中分別畫y=mpg的直線(mp為磁棒的質(zhì)量),此線與F↑↑(z)和 F↑↓(z)曲線的交點(diǎn)即為考慮了重力后的平衡位置,磁力導(dǎo)數(shù)為負(fù)的平衡位置是穩(wěn)定平衡位置.顯然,只有在圖15中會(huì)增加1個(gè)穩(wěn)定平衡位置,對(duì)應(yīng)的位形如圖16所示.

圖16 考慮重力后新增加的穩(wěn)定平衡位形

4 結(jié)束語(yǔ)

本次競(jìng)賽的考題總體上講出得較好.實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)單,利用米尺測(cè)距離,電子秤測(cè)力,儀器總價(jià)僅約600元人民幣.雖然實(shí)驗(yàn)器材都是日常生活中經(jīng)常接觸的,如透明片、小磁體和電子秤等,但實(shí)驗(yàn)內(nèi)容還是有新意.注重考基本的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng).此次競(jìng)賽所給答題紙基本上是空的,測(cè)量表格需要自己設(shè)計(jì),要測(cè)多少點(diǎn),如何布點(diǎn)都需要同學(xué)自己決定.像圖10和圖11中擬合直線必須過原點(diǎn)這一類細(xì)節(jié)也作了嚴(yán)格的考察.注重考物理,這在第二題中體現(xiàn)得更充分.此題的任務(wù)1實(shí)際上就是要讓學(xué)生用一根細(xì)木棍來(lái)玩插在有機(jī)玻璃圓筒內(nèi)的磁棒,并得到定性的結(jié)果.任務(wù)2的完成則需要利用到磁力的對(duì)稱性.與前幾屆重視實(shí)驗(yàn)速度不同,本次競(jìng)賽時(shí)間相對(duì)說(shuō)來(lái)不是那么緊張.此外,本次競(jìng)賽評(píng)分非常嚴(yán)格,任何小錯(cuò)都會(huì)被扣分,因此,只有對(duì)細(xì)節(jié)非常注意的同學(xué)才可能得到高分.

[1]呂斯驊,段家忯.新編基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[2]馬秀芳,沈元華.第八屆亞洲物理奧林匹克競(jìng)賽中實(shí)驗(yàn)考題的分析[J].物理實(shí)驗(yàn),2007,27(12):29-33.

[責(zé)任編輯:尹冬梅]

Problem and solution of the 41stInternational Physics Olympiad experimental test

XUN Kun,WANG Ruo-peng,CHEN Xiao-lin,L IU Shu-xin
(School of Physics,Peking University,Beijing 100871,China)

The 41stInternational Physics Olympiad experiment test consists of two independent tasks:the elasticity of sheets and the forces betweenmagnets.The texts and the solutions for the two p roblem s are given in Chinese w ith brief comments.

International Physics Olympiad test;elasticity;magnetic fo rce;stability;symmetry

G633.7

A

1005-4642(2010)11-0021-08

2010-08-31

荀 坤(1961-),男,貴州關(guān)嶺人,北京大學(xué)物理學(xué)院副教授,博士,從事物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作.