國際物理奧林匹亞競賽章程附錄

國際物理奧林匹亞競賽命題大綱

一般準則

(a)    解答理論題和實驗題時均不應要求使用大量微分和積分,以及使用複數或解微分方程。

(b)   題目可以含有本大綱規定以外的概念和現象,但題文中必須給予足夠的資料,以免使參賽者因無這些主題的預備知識而處於不利的地位。

(c)    對參賽者可能不熟悉的精密實驗儀器,不應在題目中佔有主要地位。如果一定要用這類題材,則必須提供給參賽者詳細的說明。

(d)   試題內文必須使用SI單位。

A、理論部份

在下面分欄中,第一欄是主要條目,第二欄則是必要的備註。

1、力學

(a)質點運動學基礎。

質點位置、速度和加速度的向量描述。

(b)牛頓定律,慣性系統。

可出變質量的題目。

(c)封閉和開放系統、動量和能量、功、功率。

 

(d)能量守恆、線動量守恆、衝量。

 

(e)彈性力,摩擦力,引力定律,重力場中的位能和功。

虎克定律,摩擦係數(F/R=常數),靜摩擦力和動摩擦力,位能零點的選擇。

(f)向心加速度,克卜勒定律。

 

2、剛體力學

(a)靜力學,質量中心,力矩。

力偶、物體平衡條件。

(b)剛體運動、移動、轉動,角加速度,角動量守恆。

只限於繞固定軸的角動量守恆。

(c)外力和內力,繞固定軸的剛體運動方程式,轉動慣量,轉動物體的動能。

平行軸定理(Steiner定理),轉動慣量的相加性。

(d)加速參考系,慣性力。

不要求知道科氏力公式。

3、流體力學

不專對這一部分出題,但希望學生知道壓力、浮力、和連續定律的基本概念。

4、熱力學和分子物理學

(a)內能,功和熱,熱力學第一和第二定律。

熱平衡,與狀態有關的物理量和與過程有關的物理量。

(b)理想氣體模型,壓力和分子動能,亞佛加厥數,理想氣體狀態方程式,絕對溫度。

也包括應用分子觀點探討液體和固體中的簡單現象,如沸騰、熔化等。

(c)等溫和絕熱過程中,氣體膨脹所作的功。

不要求證明絕熱過程方程式。

(d)卡諾循環,熱力學效率,可逆和不可逆過程,火商 (統計觀點),波茲曼因子。

熵是與路徑無關的函數,熵的改變和可逆性,準靜態過程。

5、振動和波

(a)諧振動、諧振動方程式。

諧振動方程式求解,衰減和共振(定性)

(b)諧波,波的傳播,橫波和縱波,線偏振,都典多普勒效應,聲波。

行進波中的位移和波的圖示法的理解,聲速和光速的測定,都普勒效應(限一維),波在均勻和各向同性介質的傳播,反射和折射,費馬原理。

(c)諧波的疊加,相干波,干涉,拍,駐波。

知道波強與振輻的平方成正比,不要求做傅利葉分析,但是參賽者應理解複雜的波可由不同頻率的簡單正弦波合成。薄膜干涉及其他簡單系統(不要求最後的公式),由副波疊加而成的波(繞射)

6、電荷和電場

(a)電荷守恆,庫侖定律。

 

(b)電場、電位、高斯定律

高斯定律限於簡單對稱系統,如球、圓柱、平板等,電偶矩。

(c)電容器、電容,介電常數,電場的能量密度。

 

7、電流和磁場

(a)電流、電阻、電源的內電阻,歐姆定律,克希荷夫定律,直流和交流的功和功率,焦耳定律。

簡單的電路,可含已知V-I特性的非歐姆器件。

(b)電流的磁場()、磁場中的電流,羅侖茲力。

磁場中的粒子,如迴旋加速器等的簡單應用,磁偶矩。

(c)安培定律。

簡單對稱系統,如直導線、圓環、長螺線管等。

(d)電磁感應定律、磁通量,冷次定律,自感,電感,磁導率,磁場中的能量密度。

 

(e)交流電,交流電路中的電阻器、電感器和電容器,電壓和電流的共振(並聯和串聯)

簡單交流電路,時間常數,對具體共振電路參數的最後公式不作要求。

8、電磁波

(a)振盪電路,振盪頻率,反饋振盪。

 

(b)波動光學,單狹縫和雙狹縫繞射,光柵和分辦率,布萊格反射。

 

(c)色散和繞射光譜,氣體的線光譜。

 

(d)電磁波是橫波,反射波的偏振,偏振器

偏振波的疊加。

(e)成像系統的分辨率。

 

(f)黑體,史特凡-波茲曼定律。

不要求知道普朗克黑體公式。

9、量子物理

(a)光電效應,光子的能量和衝量。

需要知道愛因斯坦公式。

(b)德布羅意波長,海森伯測不準原理。

 

10、相對論

(a)相對論原理,速度的相加,相對論性都普勒效應。

 

(b)相對論性運動方程式,動量、能量、質能關係,能量守恆和動量守恆。

 

11、物質

(a)布拉格公式的簡單應用。

 

(b)原子和分子的能階(定性),發射、吸收、類氫原子的光譜。

 

(c)原子核的能階(定性),α-、β-、和γ-衰變,輻射的吸收,半衰期和指數衰減,原子核的組成粒子,質量缺損,核反應

 

B、實驗部分

命題大綱的理論部分用做為所有實驗試題的基礎。實驗試題中應含有測量。

附帶要求:

(1)   參賽者必須認識到儀器會影響測量。

(2)   需具備有測量在A部分中所提及的各物理量的最常用的實驗技巧。

(3)   需具備有常用的簡單實驗儀器的使用知識,如游標尺,溫度計,簡單的伏特計、歐姆計、和安培計,電位計,二極體,電晶體,簡單的光學元件等等。

(4)   借助於適當的指導,有能力使用一些複雜儀器和裝置例如雙頻道示波器,計數器,速率計,訊號和函數產生器,與計算機相連接的類比-數位訊號轉換器,放大器,積分器,電源供應器,三用電表(類比和數位用)。

(5)   能適當地辨認誤差來源並能估計出它們對最後結果的影響。

(6)   能分析絕對和相對誤差,測量儀器的準確度,單項測量的誤差,一系列測量的誤差,由測量結果所導出的物理量的誤差。

(7)   能適當選取變數,以轉換成線性關係,並能找出配合實驗數據點的最佳直線。

(8)   能適當地使用不同尺度的座標紙(例如極坐標和對數坐標紙)。

(9)   在表達最後結果和誤差時,能取用正確的有效數字,並能正確地捨去不需要的數字。

(10) 知道實驗室工作的一般安全準則(但如果實驗裝置在使用上有任何安全顧慮時,則應在題文中給予適當的警告)。

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