《1207国际青年物理学家锦标赛题目中文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《1207国际青年物理学家锦标赛题目中文（19页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!2012年IYPT赛题的背景资料和关键问题Problem No. 1 “Gaussian cannon”A sequence of identical steel balls includes a strong magnet and lies in a nonmagnetic channel. Another steel ball is rolled towards them and collides with the end ball. The ball at the opposite end of the sequence is ejected a
2、t a surprisingly high velocity. Optimize the magnets position for the greatest effect.No. 1高斯炮在一个隔绝磁场的管道里，完全一样的钢球按一定顺序排好，在这钢球中也同时放着一个磁性很强的磁铁。另一个球滚向这些钢球，并与最后一个球相撞。另一边的球将以惊人的速度发射出去。优化磁铁的位置，使其获得最大的效果。一些关键因素讨论：1）此装置需要考虑力学的相互作用吗？还是只涉及到磁性？2）（最大的效果指什么？这其中改变什么变量？最大的能量、动量，或速度）（按题目的意思应该是指速度）3）如何放置钢球？如何保证最佳的动量
3、传递？钢球的数量，大小多少为宜？（这涉及到炮的长度、钢珠的数目，磁铁的磁场强度，等间距肯定是的，但磁场分布决定离磁铁最远的钢珠多远比较合适。）4）需要考虑磁铁的什么参数：磁矩，长度，直径？5）系统最大的能量损失源是什么？材料的弹性势能与作用在钢球上的摩擦力之间有什么关系？是否可以计算出系统的效率？6）第一个钢球的初速度是否至关重要？在这个系统中会不会存在磁滞现象。7）对系统进行仿真建模有意义吗？如何分析磁铁与钢球之间的相互作用？Problem No. 2 “Cutting the air”When a piece of thread (e.g., nylon) is whirled aroun
4、d with a small mass attached to its free end, a distinct noise is emitted. Study the origin of this noise and the relevant parameters.如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!No. 2空气振动一根绳子（例如尼龙绳）的一端系着一块小质量块，这根绳子绕着另一端旋转，将会发出独特的声音。对声音的来源与相关的参数进行研究。1）在旋转过程中，绳子的内部张力是怎么分布的？是哪一部分力作用在绳子微元的？2）在这声音背后有哪些物理规律？并且声音还会随绳子相对于观察者位置的改变
5、而改变？怎么变化？为什么？（多普勒效应？）3）绳子上产生的波是横波还是纵波？4）声源是绳子还是质量快？产生声音的频率范围5）音质，音色，音量，音调6）记录声音要注意些什么因素？Problem No. 3 “String of beads”A long string of beads is released from a beaker by pulling a sufficiently long part of the chain over the edge of the beaker. Due to gravity the speed of the string increases. At a
6、 certain moment the string no longer touches the edge of the beaker (see picture). Investigate and explain the phenomenon.No. 3一串珠子一长串珠子由烧杯释放。它通过在烧杯边缘上方的链子牵引。由于重力的作用，串珠的速度越来越大，在一个特定的时候，串珠不再碰到烧杯的边缘。请研究并解释这种现象。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!1）这个现象背后的基本物理原理是什么？2）在这个系统中能量守恒是怎么体现？3）串珠的结构，如间距、数目、直径、密度等等因素4）如果链子无限长，
7、这个现象会是稳定，可再现的吗？（要做个合理的理论分析）5）对于一个匀质的链子（绳子），还有可能出现此现象吗？6）连接珠子的绳子起什么样的关键作用？7）关注初始时烧杯的条件，如烧杯的方位、珠子伸出的长度，8）要想观察这个现象，长链到底应该有“多长”？9）珠子与限制它的烧杯之间是怎么相互影响的？碰撞，滑动摩擦？10）（在旁边观察时，处在上升阶段的链条可能会有多种形状。从理论上可以预测并描述他们吗？在整个过程中链子的形状会变吗？可以做到对它进行统计描述吗？）11）下落部分的运动状态是自由落体吗？（最容易想当然了）如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!Problem No. 4 “Fluid br
8、idge”If a high voltage is applied to a fluid (e.g. deionized water) in two beakers, which are in contact, a fluid bridge may be formed. Investigate the phenomenon. (High voltages must only be used under appropriate supervision check local rules.)No. 4流动桥如果高压被施加于两杯烧杯中的水（例如去离子水），这两个烧杯相互连接。那么有可能形成水桥。请研
9、究这种现象。（一定要注意高压不能超过当地的规定）参考文献：J. Phys. D: Appl. Phys. 40,6112-6114 (2007)J. Phys. D: Appl. Phys. 41, 18, 185502 (2008)1）为什么会发生这个现象？去离子水在此实验中的重要性2）要产生液桥，实验的液体需要具备什么性质？3）两个相互连接的烧杯的含义是什么？）4）液桥的稳定性用什么来衡量？当两个烧杯相互远离，是什么力量来维持液桥的？5）液桥会有流动的液体吗？如何去证明或者排除这样的流动？6）电压是如何影响液桥的，电极的放置位置或其形状？7）液桥形成的动力学基础是什么，液桥能维持多长时间？
10、8）如果两个烧杯中分别放不同的液体，会发生什么现象？液桥还会出现吗？9）如果是一个毛边烧杯，有可能形成许多液体吗？Problem No. 5 “Bright waves”Illuminate a water tank. When there are waves on the water surface, you can see bright and dark patterns on the bottom of the tank. Study the relation between the waves and the pattern.No. 5闪亮的水波如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载
11、!照亮一个水箱。当水的表面有水波时，你可以看见在水箱的底部会有明亮相间的图案。请研究水波与图案的关系。参考文献Fine structure in caustic junctions. Nature 267, 5606, 34-36 (1977),Cyrus Adler. Shadow-sausage effect. Am. J. Phys. 35, 8, 774-776 (1967)Am. J. Phys. 36, 10, 912-914 (1968)In: Amateur Scientist, Sci. Am. 259, 116-119 (July 1988)（图书馆有中文版科学（重庆）19
12、88年10或11月）Phys. Teacher 36, 542-543 (1998)关键问题：1） 底部看到的是什么类型的条纹；2） 这些水波只存在肉眼可见的形式吗？或者存在微波的，精细的结构？3） 这些图案是怎样随时间改变的？有哪些特征与时间没有关系？能定量化描写这些变化吗？）4） （这些现象只用几何光学解释得了吗？是否有波动规律，比如衍射；或光的散射现象？5） 考虑一些与表面形状无关的潜在的效应，比如光程的改变。6） 图案的变化很迅速，如何才能可靠地观察到它的变化？7） 比如产生一个稳定的弯液面，它与模型系统本身的关系是什么？8） 光照强度与光源位置是如何影响图案的？如果光照达到最大或最小
13、面积，图案会有什么变化？9） 水面发生无规律波动，能够预测它产生的图案吗？10） 一个图案是否对应着一个独特的物理系统？反过来成立吗？那是否可以根据表面的形状来分析底部的强度分布？Problem No. 6 “Woodpecker toy”A woodpecker toy (see picture) exhibits an oscillatory motion. Investigate and explain the motion of the toy.如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!No. 6啄木鸟玩具一个啄木鸟玩具（如图）将会发生振动。请研究和解释玩具的运动。Key questi
14、ons1） 如何简要描写运动背后的物理？是什么相的运动？2） 涉及到的最关键的因素是什么？3） 在玩具下降过程中，冲击力与摩擦力充当什么角色？什么因素影响最大？接触时间？碰撞前速度？4） 啄木鸟只在一个平面振动吗？它是否稳定地绕着中心轴转？5） 这个玩具以前也进行过简单的理论上探讨，是否可以更为细致地讨论？最初的偏离距离对此现象的影响。此系统的最终运动形式是否与这个初始变量无关？如是无关，则经过几次碰撞，系统达到此状态？）6） 是否需要使用不同参数的玩具来研究？7） 当啄木鸟安放在倾斜的中心轴时，是否有研究意义？Problem No. 7 “Drawing pins”A drawing pin
15、 (thumbtack) floating on the surface of water near another floating object is subject to an attractive force. Investigate and explain the phenomenon. Is it possible to achieve a repulsive force by a similarmechanism?No. 7图钉一个图钉浮在水面上，它靠近另一个漂浮物。图钉受制于引力。请研究并解释此现象。有没有可能通过相同的原理得到斥力。如果您需要使用本文档，请点击下载按钮下载!文献Am. J. Phys. 73, 9, 814-825 (2005)Key questions1） 可以看到什么类型的活动？2） 此现象与不等接触角引起的失稳的毛细作用有关吗3） 为什么金属图钉在水里不沉？4） 对将要发生什么可有方式提供可视的、直接的实验证据？）5） 图钉是否亲水？6） 此特性是否影响两个图钉之间相互作用力的方向？图钉的形状，或与液体的接触角，或其他因素是怎么影响作用力的大小与方向。7） 能否精确地描述在图钉周围弯液面的三维形状只通过改变水的参数就能得到斥力吗？
