Một trong hai mặt của đĩa được phủ một vật liệu cách nhiệt, còn mặt còn lại thì tiếp xúc nhiệt rất tốt với khí xung quanh: phân tử khí khối lượng m sẽ có nhiệt độ bằng nhiệt độ của đĩa s
Trang 1Đề thi Olympic Vật lí khu vực Châu Âu
EuPhO 2017 Dịch sang tiếng Việt bởi nhóm xPhO.org
Ngày 28 tháng 5 năm 2017
Bài thi lí thuyết
1 Sợi dây dao động
Dịch bởi Trần Đức Huy, Học sinh lớp chuyên Lý, Trường THPT chuyên Hà Nội - Amsterdam
Một cái dây nặng, đồng chất có chiều dài L được treo thẳng đứng vào trần nhà Cái dây có thể dao động quanh vị trí cân bằng của nó với các tần số tự nhiên khác nhau, được ký hiệu là fi (i = 1, 2, ) theo thứ tự tăng dần Hình dưới cho biết hình dạng của dây khi dao động theo ba tần ba tần số tự nhiên đầu tiên được mô phỏng bằng máy tính Chú ý rằng thang đo chiều ngang và chiều dọc trong hình vẽ là không giống nhau Bạn
có thể giả sử rằng li độ của mỗi phần tử rất nhỏ so với chiều dài của dây (gần đúng dao động nhỏ)
Hình 1: Hình dạng của sợi dây dao động với ba tần số tự nhiên đầu tiên (i = 1, 2, 3 từ trái qua phải) A) Hãy xây dựng một mô hình đơn giản để ước tính tần số f1 (tần số cơ bản) của dao động tự nhiên đầu tiên của sợi dây Từ đó, hãy tính gần đúng giá trị của tần số f1 của một sợi dây có chiều dài L = 1.0 m Giả thiết rằng g = 9.8 m/s2
B) Hãy sử dụng những dữ liệu có thể đọc được từ hình vẽ để ước tính tỉ số các tần số f1: f2: f3
2 Cái đĩa ở trong khí
Dịch bởi Trần Đức Huy, Học sinh lớp chuyên Lý, Trường THPT chuyên Hà Nội - Amsterdam
Xét một cái đĩa mỏng, phẳng, có khối lượng M và diện tích mặt là S, nhiệt độ T1ở trạng thái không trọng lượng ban đầu đứng yên trong khí có khối lượng riêng ρ ở nhiệt độ T0 (T1 = 1000T0) Một trong hai mặt của đĩa được phủ một vật liệu cách nhiệt, còn mặt còn lại thì tiếp xúc nhiệt rất tốt với khí xung quanh: phân tử khí khối lượng m sẽ có nhiệt độ bằng nhiệt độ của đĩa sau khi va chạm với mặt này
Hãy ước tính gia tốc ban đầu a0 và tốc độ tối đa của đĩa vmax trong chuyển động của nó sau đó
Trang 2Giả sử rằng nhiệt dung của đĩa vào cỡ N kB, trong đó N là số phân tử bên trong đĩa và kB là hằng số Boltzmann, và khối lượng phân tử của khí và vật liệu làm đĩa có cùng cỡ độ lớn Quãng đường tự do trung bình của các phân tử lớn hơn rất nhiều so với kích thước của đĩa Bỏ qua các hiệu ứng phụ xảy ra ở biên của đĩa
3 Lưới siêu dẫn
Dịch bởi Nguyễn Đắc Nam, Sinh viên K61 KSTN, Viện Điện tử - Viễn thông, Đại học Bách khoa Hà Nội Xét một tấm lưới được làm từ một tấm siêu dẫn phẳng bằng cách khoan các lỗ nhỏ dày đặc vào tấm Ban đầu tấm này ở trạng thái phi siêu dẫn và có một lưỡng cực từ có mô-men từ m được đặt cách lưới một khoảng cách a sao cho vec-tơ mô-men từ m hướng về phía lưới Tấm lưới bây giờ được làm lạnh đến khi nó trở thành siêu dẫn Sau đó, di chuyển lưỡng cực từ theo phương vuông góc với mặt lưới đến vị trí mới cách lưới một khoảng là b Tính lực tương tác giữa lưới và lưỡng cực từ ở vị trí này Biết rằng kích thước của lỗ lưới nhỏ hơn rất nhiều so với a và b, còn kích thước của tấm lớn hơn nhiều so với a và b
Bài thi thực hành
Đi-ốt phát quang
Dịch bởi Nguyễn Văn Duy, Nghiên cứu sinh tại Đại học Grenoble - Alpes, Cộng hòa Pháp
Các đèn đi-ốt phát quang (LEDs) là các nguồn sáng có hiệu suất cao nhất Trong những năm gần đây, bóng đén LED rẻ, công hiệu và bền đã xuất hiện trên thị trường Điều này đang tạo ra một cuộc cách mạng thực sự trên toàn thế giới, khi các dụng cụ điện thắp sáng khác (đèn sợi đốt, đèn halogen và đèn huỳnh quang) ở trong nhà và văn phòng đang được thay thế bởi các đèn LED
Trong thí nghiệm này, chúng ta sẽ phân tích tính chất nhiệt và điện của các đi-ốt phát quang
Bạn không cần thiết phải ước lượng bất cứ sai số nào, nhưng sự chính xác của phương pháp đo và các kết quả của bạn là quan trọng và sẽ được tính điểm Hãy luôn vẽ sơ đồ đo đạc mà bạn đã dùng Khi cần thiết, hãy
sử dụng đồ thị để xác định đại lượng được yêu cầu
Thiết bị:
• 2 bảng mạch điện giống nhau với một đèn LED, một điện trở và một cảm biến nhiệt
• 2 cái chai trong suốt, 2 nắp đậy, 2 ống hút, nước, và ống tiêm
• 3 đồng hồ vạn năng (đồng hồ vạn năng được dán nhãn "voltage-only" là chỉ để đo điện áp)
• 2 chiết áp, nguồn điện, dây nối, và giá đỡ
• Giấy kẻ ô li để vẽ đồ thị với thang đo mi-li-met
Hình vẽ trên là sơ đồ và các kết nối của bảng mạch (bên trái) và các chiết áp (bên phải) Điện trở R1 có thể được dùng để làm nóng cái bảng mạch gần đèn LED Một điện trở khác là sen sơ nhiệt (nhiệt điện trở) RT
mà điện trở của nó phụ thuộc mạnh vào nhiệt độ tuyệt đối T như sau:
T (K) = 2.254
ln RT 1kΩ
2
− 32.46 ln RT
1kΩ+ 361.09
Lưu ý! Chỉ đưa điện áp cho đèn LED với cực mắc như sau: Cực màu đỏ của nguồn là cực "+" (nên được nối với dây nối đỏ của đèn LED) và cực màu đen là cực "−"
Trang 3Đồng hồ vạn năng có một chế độ được ký hiệu là " " nó hoạt động như một nguồn điện với dòng điện nhỏ và gần như không thay đổi, khi một đi-ốt được nối giữa cổng "mAVΩ" (cực dương "+") và cổng "COM" ("−") Ở chế độ này, đồng hồ vạn năng sẽ hiển thị hiệu điện thế (số Vôn) ở hai đầu đi-ốt, khi cung cấp một dòng khoảng 0.33 mA (có thể xem dòng này cố định)
Theo một lí thuyết cơ bản, dòng qua đi-ốt Id, độ sụt áp (hiệu điện thế) V ở lớp chuyển tiếp bên trong đèn LED nơi mà ánh sáng được phát ra và nhiệt độ tuyệt đối T của lớp chuyển tiếp tuân theo phương trình sau
Id= Ae−VG0 /(nVT)eV /(nVT )− 1 với VT = k
qT, hằng số Boltzmann k = 1.381 × 10−23J/K và điện tích cơ bản q = 1.602 × 10−19C Biến VT được gọi là điện
áp nhiệt Các tham số VG0 và n phụ thuộc vào vật liệu làm đèn LED; tham số A phụ thuộc vào cấu trúc của đèn LED Tham số n được gọi là hệ số hiệu chỉnh và thường có giá trị 1 < n < 2 Tham số VG0 được gọi là hiệu điện thế dải cấm (tức là hiệu điện thế tương ứng với giá trị năng lượng dải cấm) của vật liệu bán dẫn Hiệu điện thế thực ở hai đầu đi-ốt V0= V + IdRscó sự đóng góp của một điện trở phát sinh Rs(một chuỗi điện trở nối tiếp từ lớp chuyển tiếp đến hai đầu của đi-ốt) với giá trị của nó cỡ bậc 1 Ω Gợi ý: ước lượng độ lớn của biểu thức trên và đơn giản hóa cho phù hợp!
1 Đo và vẽ đồ thị hiệu điện thế - nhiệt độ của đèn LED khi cường độ dòng điện qua đi-ốt là không đổi (cường độ dòng điện nên đủ nhỏ để độ sụt áp trên điện trở Rscó thể bỏ qua)
Tìm VG0
Tìm các tham số n và A bằng cách tiến hành thêm các đo đạc và vẽ đồ thị thích hợp
Khi cường độ dòng điện lớn hơn, điện trở Rs không thể bỏ qua Thực hiện các phép đo để xác định giá trị của Rs Tìm Rs
2 Xác định hiệu suất của đèn LED được tính bằng tỉ số giữa công suất bức xạ ánh sáng và công suất điện tiêu thụ Đo một giá trị của hiệu suất η của đèn LED khi không dùng cảm biến nhiệt
3 Đèn LED cũng có thể hoạt động một pin mặt trời (hay một đi-ôt quang) Dòng quang điện Ip được tạo
ra bởi ánh sáng không phụ thuộc vào hiệu điện thế và tỉ lệ với cường độ ánh sáng; tổng cường độ dòng điện qua đi-ôt phải trừ đi cường độ dòng quang điện (I = Id− Ip) Cường độ dòng quang điện do ánh sáng xung quanh đủ nhỏ để không ảnh hưởng tới các phép đo trước
Đặt hai đèn LED đối diện nhau và cách nhau một khoảng d = 3.0 cm và cung cấp cho một trong hai đèn LED một dòng I1= 0.50 A Xác định công suất điện cực đại Pmax thu được từ đèn LED trong cách đặt các đèn như trên ở điều kiện nhiệt độ phòng
Xác định hiệu suất quang điện ηpđược tính bằng công suất điện được sinh ra chia cho công suất ánh sáng hấp thụ bởi tiết diện hoạt động của đèn LED Tiết diện này có diện tích S = 1.56 mm2 Cho rằng đèn LED bức xạ đều vào α = 33 % hình cầu
Trang 4Giới thiệu về nhóm "xPhO.org": Nhóm dịch đề thi "Olympic Vật lí các nước, khu vực và quốc
tế" có các thành viên là giáo viên, sinh viên và học sinh quan tâm tới các kì thi Olympic Vật lí trong và ngoài nước Nhóm xPhO.org (hay xPhO) đang thực hiện dịch sang tiếng Việt các đề thi Olympic Vật lí của các nước trên thế giới có phong trào Olympic mạnh như Trung Quốc, Nga, Đài Loan, Belarus, , cũng như các kì thi Olympic Vật lí khu vực như Olympic Vật lí Châu Á - Thái Bình Dương (APhO), Olympic Vật lí các nước nói tiếng Tây Ban Nha và Bồ Đào Nha (OIbF), Olympic Vật lí khu vực Châu Âu (EuPhO) , và các kì thi Olympic Vật lí quốc tế như Olympic quốc tế Zhautykov (IZhO), Olympic quốc tế Tuymaada (Tuymada), Olympic Vật
lí quốc tế (IPhO), Các bài dịch của chúng tôi nếu có chất lượng tốt sẽ được xuất bản thành các tài liệu tham khảo dành cho học sinh và giáo viên chuyên Vật lí cũng như những ai quan tâm tới Olympic Vật lí Trên đây, chúng tôi giới thiệu đề thi Olympic Vật lí khu vực Châu Âu lần thứ nhất (EuPhO 2017) do nhóm xPhO dịch Nếu bạn có hứng thú với việc dịch đề thi Olympic Vật lí, chúng tôi xin mời bạn tham gia vào nhóm xPhO Do số lượng các đề thi Olympic Vật lí tương đối lớn và không ngừng tăng theo hàng năm (khoảng hơn 30
đề hay và khó) nên để dịch hết cần sự hợp sức của nhiều người Chúng tôi sẽ rất vui nếu được cộng tác với bạn!!!
Để biết thêm thông tin hoạt động của nhóm xPhO xin mời bạn ghé thăm Facebook Page và website của nhóm!
• Website:https://www.xpho.org(đang trong quá trình xây dựng)
• Facebook Page: https://www.facebook.com/xPhO.org, có tên gọi là Olympic Vật lí các nước, khu vực và quốc tế
Trong quá trình dịch đề thi không thể tránh khỏi những sai sót Mọi sự đóng góp ý kiến về các bản dịch của nhóm xPhO xin gửi về địa chỉ email: xpho.org@gmail.com hoặc gửi tin nhắn qua Facebook Page của nhóm Chúng tôi xin chân thành cảm ơn!