中国大学生物理学术竞赛的历届赛题

历届赛题均参考同年国际青年物理学家锦标赛指定题目，比赛时应以英文原版为准。以下翻译仅供参考，感谢参与贡献的翻译者。

部分2012-2013年CUPT的参考解答已由World Scientific于2014年出版。 1.电磁炮

螺线管可以用来发射一个小球体。使用电容器为螺线管提供能量。以一个以50V为最大电压的电容器制作一个装置。探究球体速度的界限和如何是球体速度达到上限。

2.完美图像

一滴水悬挂在纵向水管的出口处，用一束激光去照射，观察屏上呈现的图像。研究并解释图像的结构。

3.钢球

用两个巨大的钢球在一个软材料薄片（例如一张纸）处碰撞，会在这片材料上“烧”出一个洞。研究这种效应在不同材料上的体现。

4.肥皂膜

在一个圆形的水槽中制造一个肥皂膜。当把一个带电物体放在旁边时会使肥皂膜变形。探究该物体带电的方位和电性如何影响上述效应。

5.格栅

一个塑料格栅盖在一个盛有水的圆柱形容器顶部。在格栅上面盖上盖子，把容器倒置过来。在盖子移开时水不会落下来的前提下，格栅的最大孔径是多少？

6.冰块

一个两边挂有重物的金属线被横置在一个冰块上，金属线可能会自动地从冰块中穿过。探究这一现象。

7.两个烧瓶

两个相同的烧瓶（一个是空的，另一个盛有水）分别连接着一根通向一个低处蓄水池的软导管。两个烧瓶都被加热到100摄氏度并保持在此温度一段时间。当加热停止，烧瓶正在冷却时，水从导管中被吸了上去。探究在哪一个烧瓶中水会较快的被吸上去，哪一个中的水位最高。加热的时间如何影响这一效应。

8.液体导光

一个透明的圆柱形容器装满了一种液体（例如水），一束水流从容器中流出来。放置一个光源，使光束水平地射入液体流。探究在何种情况下这束水流可以像光纤一样。

9.粘稠的水

当把一个竖直的圆柱体被放置在一束竖直流下的水流之中，这束水流在掉下来之前可以沿圆柱体的圆形底面流到另一端。解释这种现象并探究相关 参数。

10.平静的水面

当风吹过水面时，会产生明显的波纹，如果水面被一层油膜盖住，水面的波纹就会减小。探究这一现象。

11.沙子

相比于湿的沙子，在干燥的沙子上面行走感觉更柔软，然而，含有大量水分的沙子会重新变得柔软。探究影响沙子柔软程度的相关因素。

12.湿毛巾

如果拍动一条湿毛巾（我猜应该是用湿毛巾去抽打一个坚硬物体），会产生像用鞭子抽打一样的劈啪声。探究这一现象。为什么湿毛巾会比干毛巾发出更响亮的声音。

13.尖叫的棒子

用两个手指拿起一个铁棒，并（用某种方式）敲打它。探究手指所拿的位置和敲击的位置如何影响发出的声响。

14.磁体弹簧

两块磁体，一个放在另一个的上边。这样其中一个（下面那个）就被固定住，另一个可以竖直的移动，探究这块磁体的振动。

15.纸质风速计

当把一个薄纸条放在流动的空气中时，可能会听到一种声音。探究如何依据这种声音推断风速。

16.转动的弹簧

一个螺旋的弹簧，一端被固定着，围绕着一个竖直的轴转动，探究弹簧自由端挂重物和不挂重物时弹簧的伸长。

17.开尔文滴管

制造一个开尔文滴管，测量它能产生的最大电压，探究它所依赖 的相关因素。 1.有粘性的带子

决定将一块胶带从水平表面上拿下来需要的力。研究其中的有关参数。

2.在空气中干燥

桌上的餐具在洗完后，变干的情况不同，研究其中的有关参数。

3.跳跃的火焰

在本生灯中点燃一团火焰置于两片带电、平行的金属板。观察火焰的运动情况。

4.断开的面条

找出干燥的面条在掉落坚硬地板后不断裂的情况。

5.小车

制作一个模型车，以有弹性的充气玩具气球作为动力源。找出决定小车运动距离的相关参数并求出小车能运动的最大距离。

6.对流

在一个充满液体的容器中会发生热传递。如果容器绕垂直轴旋转，这个现象会发生什么变化呢？

7.杯制鼓

把一个塑料杯倒置并轻敲它的底部，研究当杯子的开口在水面上方和下方时的发声情况。

8.多米诺放大器

当第一块被移动时，一排多米诺骨牌按顺序倒下，这就是著名的多米诺效应。当一排骨牌被渐渐抬高，研究能量转移是如何发生的并确定骨牌的尺寸限制。

9.逃脱的粉末

当一根炙热的金属丝被插入一杯表面上漂浮着粉末的水时，粉末会迅速的移动.。研究会改变粉末移动速度的参数。

10.法拉第堆瓦解

当一个装有一些小球的的容器在1到10赫兹的频率范围内上下垂直振动，就被称为法拉第堆瓦解发生了。探究这个现象。

11.指印

在杯子中装满水并用手拿住杯子。如果你从上方看玻璃的内壁，你会发现你只能透过玻璃看到非常亮儿清晰的指纹。研究并解释这个现象。

12.旋转漂浮

一个由一个旋转的磁性顶部和一个装有磁铁的盘子构成的玩具。玩具的顶部会悬浮在磁性盘子的上方。在什么情况下你才能观察到这个现象？

13.灯泡

一个小灯泡发出的热能和光能的比例是怎样由给小灯泡的电压所决定的？

14.移动的圆柱

在水平桌面上放置一张纸并在纸上放置一个圆柱形物体，把纸拉出，观察并研究圆柱体的运动状态直到它停止运动。

15.缓慢下降

设计制作一个装置，使用每平方米80克的A4纸，使其尽可能慢地从2.5米高处掉向地面，可以使用少量胶水。研究会产生影响的相关参数。

16. 烟

现有一个盖有玻璃纸的玻璃罐。一根折得很紧的纸管（长度4-5厘米）从玻璃纸插入罐中，周围密封，管子水平向东。如果有人点燃管子的外面那头，会有浓烟进入罐子。探究这种现象。

17.海盗

传说海盗在海上即使是阴天也能用电气石导航。学习如何使用偏光材料导航，这个方法的准确的如何？ 1.高斯加农炮

相同的钢球和一个强磁铁排成一列而且位于无磁性管道中。另一个钢球向它们滚来然后和最后的球碰撞。在这一列的另一端的球被以一个惊人的高速弹出。优化磁铁的位置来获得最好的效果。

2.切割空气

当一段线绳（例如，尼龙）的自由端绑上了一个小重物然后旋转的时候，有一个独特的噪声发了出来。研究噪声的源头和有关参数。

3.一串珠子

有一长串珠子，把足够长的部分拉过烧杯边缘，释放它。由于重力，这线的速度增加。在某个特定的时刻线绳不再接触烧杯边缘（看图）。调查并研究这现象。

4.流体桥

如果一个高电压加到两个连着的烧杯中的液体，就有可能形成一个液体桥。调查这个现象（高电压必须在适当的监督下使用--检查当地法律）。

5.亮波纹

照亮一个水箱。当在水表面有波纹的时候，你可以在水箱底部看到明亮和黑暗的部分。研究波纹和明暗部分的联系。

6.啄木鸟玩具

一个啄木鸟玩具（如图）表现出一种震荡的运动。调查并解释玩具的这种运动。

7.图钉

一个图钉（大头针）漂在水表面并靠近另一个漂浮的物体，图钉受到一个引力。调查并研究这个现象。是否可能通过一个相同的机制而受到一个斥力？

8.泡沫

当有大量泡沫出现时物体是否可能漂在水上？研究一个物体受到的浮力怎样取决于泡沫的存在？

9.磁铁和硬币

在一个磁铁上竖直放置一个硬币。相对于磁铁倾斜硬币然后释放它。硬币可能会摔倒到磁铁上或者还原到它的竖直位置。研究并解释硬币的运动。

10.摇滚瓶子

把一个瓶子装上点液体。把它放倒在一个水平面上并推它一下。这个瓶子可能会首先向前移然后在它停止之前摆动。调查这个瓶子的运动。

11.平流

有两个大的水平的并排的透明平板，用液体填上它们之间的小缝隙并在一个平板的中间制造一个小洞。如果一种不同的液体通过小洞注进去的话调查在那个小区域内的液体的流动

12.灯笼

纸灯笼通过一个蜡烛飘浮。设计并制造一个仅由一个茶灯供能的灯笼，而且花最短的时间（从点燃蜡烛）飞到一个垂直的2.5米高度。调查有关参数的影响。（请小心！不要创造产生火灾的机会！）

13.有雾的玻璃

冲着一块冷玻璃表面呼吸以便水蒸气在上面冷凝。透过有雾的玻璃看一盏白灯然后你会看到在中央模糊的白点周围出现了有颜色的环。解释这个现象。

14.粒状的飞溅

如果一个钢球掉到了一个柔软的沙床上然后就可能看到一个垂直的柱状沙子“飞溅”。重现并解释这个现象。

15.令人沮丧的高尔夫球

一个高尔夫球在它被放到球洞之后马上逃脱的情况经常发生。解释这个现象并且调查在什麽情况下它能被观察到。

16.升起的泡沫

一个垂直的管子充满了一种粘性液体在管子底部有一个大气泡。研究这个气泡从底部升到表面的过程。

17.泡沫中的球

一个又小又亮的球放置在肥皂泡里。球的尺寸应该可以和肥皂泡的尺寸相比。调查球随着有关参数影响的运动。 1.自己创造

如果一张纸被“手风琴式”折叠或者被卷成筒，那么它将更加难以弯曲。使用一张单一的A4纸和少量胶水，如果需要的话，构建一座跨越280毫米间隙的桥梁。介绍相关参数，用以描述该桥梁的强度，并优化其中的部分参数或全部参数。

2.弹性空间

大球在水平拉伸膜上滚动的动态效果和它们之间明显的相互作用通常用于说明引力场。进一步探究该系统。在这样一个“引力场世界”确定和测量明显的“引力常数”是否可能？

3.弹力球

如果你站在地面上拿着乒乓球，并释放它，它会反弹。如果乒乓球内含有液体，碰撞的性质会发生变化。探究碰撞的性质如何取决于球内液体的含量和其他相关参数。

4.孤子

沿水平轴等距离安装一链相似的摆，相邻的摆用轻绳相连接。每一个摆可以绕轴旋转，但不能侧向移动（见图）。探究沿着这样一条链的一种旋转的传播。当各摆都经历360?旋转时，孤立波的速度是多少？

5.悬浮空中

一个轻球（如乒乓球），可以被向上的气流所支撑。气流的方向可以倾斜，然而它仍然可以支撑球。探究气流倾斜的影响，并优化该系统，得出在保持球处于稳定状态的情况下，气流倾斜的最大角度。

6.彩色塑料

在明亮光线的照射下，一个透明的塑料物体（如一张空白的CD外壳）有时可以呈现各种不同的颜色（见图）。研究和解释这种现象。确定一下，当使用各种不同颜色的光源时，是否也可以看到这些颜色。

7.聆听光的声音

将一个罐子内表面的一半涂一层锅灰，并在它的盖子上钻一个孔（见图）。当连接交流电的灯泡发出的光线射到罐子的黑墙（锅灰层）时，可以听到明显的声音。解释和探究这种现象。

8.喷射和薄膜

喷射的细液体流对肥皂薄膜的作用（见图）。喷射的液体流可以渗透通过薄膜或者与薄膜合并，产生有趣的形状，这取决于相关参数。解释和探究这种相互作用，以及由此产生的形状。

9.碳麦克风

一个麦克风的设计已经涉及碳颗粒的使用很多年了。入射声波在颗粒上产生的压力变化会产生电的输出信号。探究这样一个装置的组成，并确定其特性。

10.水上升

在一个装有水的碟子中间垂直放置一根蜡烛。点燃蜡烛，然后罩上一个透明的烧杯。探究并解释发生的现象。

11.滚珠轴承电机

一种被称为“滚珠轴承电机”的装置通过使用电能产生转动。该电机的效率和转速取决于哪些参数?( 高电流工作时一定要小心！)

12.亥姆霍兹旋转木马

在低摩擦的装置上(如旋转木马)系上圣诞树球,每个球都有沿切线方向的洞。如果将这个装置放在合适频率和强度的声音环境里，该装置会开始旋转。解释这一现象并研究使该装置达到最大转速的参数。

13.蜜蜂线圈

一种细的,向下流动的粘稠液体，如蜂蜜，往往会形成圆形线圈。研究和解释这一现象。

14.会飞的烟囱

用一张轻的纸(例如一个空的茶叶袋) 制成一个空心圆筒。当点燃该圆筒的上端时,它会飞起来。解释这种现象，并探究影响圆筒起飞的参数和动力的参数。

15.半月板光学

在一张薄片状的不透明材料上剪切一条狭缝。把该材料浸泡在液体（如水）中。从液体中拿出该材料后,你将看到狭缝里有液膜。照亮该狭缝并研究液膜上的图案。

16.弹性环

将一个弹性圆环压在硬表面上,然后突然释放。圆环可以跳起来。探究圆环跳起的高度如何取决于相关参数。

17.消防水带

有一根带有喷嘴的软管，水流从喷嘴射出。释放该软管并观察其后续运动。研究影响该运动的相关参数。 1.自己创造

据了解，一些电路表现出混沌行为。构建一个具有这种属性的简单电路，并研究其行为。

2.全息照片

有人认为，在一块透明塑料上划出图案可以手工制作出一张全息照片。制作一张字母“IYPT ”的全息图并研究它是如何工作的。

3.扭曲的绳

握住绳子扭它的一端。在绳索上的某一点将形成螺旋线或圆环。调查解释这样的现象。

4.球的声音

当两个硬钢球或类似的东西被轻轻带到接触到对方，一个不寻常的“鸣叫声”。调查解释的声音的性质。

5.载物的环

在一个环的里面固定一个小重物，给环一个初始推力使其运动。研究环的运动。

6.泡泡晶体

大量非常小的相似的气泡浮在肥皂水的表面上。气泡会自动按照一个规律的类似晶格的模式排列。提出一种获得大小一致的的气泡的方法，并探究这种泡泡晶体的形成。

7.“罐中罐”冰箱

这一个依据蒸发冷却的原理让食物保鲜的装置。它包括一个大容器、里面的小容器。它们之间的空间内用湿的多孔材料填充，例如沙子。问怎么能达到最佳的散热效果？

8.冻结水滴

将水滴放置在冷却到-20°C左右的板上。结冰后液滴可能会成为有锋利的顶部的圆锥状。调查这种现象。

9.水弹

有些学生不会用灌水的气球打仗，他们的水弹反弹后仍不爆裂。调查这里的运动，变形 和充满液体的气球的反弹。在什么情况下水弹会爆裂？

10.扩散系数

利用显微镜按微米大小的顺序观察微粒的布朗运动。研究扩散系数是如何取决于微粒的大小和形状的。

11.蜡烛发电厂

设计一将蜡烛的火焰的热量转化成电能的装置。调查装置的不同方面如何影响其效率。

12.冷气球

由于空气逃离橡胶气球，其表面触感变得冷。研究影响降温的参量。作为一个函数的相关参数，气球的不同部分温度是什么？

13.旋转的鞍

一个球被放在旋转的鞍上。从动力学的角度研究它，解释球不会从鞍上落下来的情形。

14.橡胶电机

扭曲的橡皮筋存储着能量，例如可用于驱动飞机模型。调查这样的能量来源的属性及其功率输出随时间的变化。

15.油星星

如果一层厚厚的粘性流体（如硅油）在一个圆形的水槽里上下振动，可以观察到对称驻波。在这样的波图案中有多少条对称的线？研究并解释图案的形状和行为。

16.磁力刹车

当一个强磁铁从非铁磁性金属管内降下来时，它会经历一个阻滞力，研究这个现象。

17.巧克力液固相变迟滞现象

巧克力于室温一般是固态，温度升至体温时则变液态，但一旦温度再次降低至室温则会 维持液态不变。请就此现象作一个调查，得出使巧克力既能以固态存在又能以液态存在的温度范围以及这个范围所依赖的相关参数。 1.堆积

被颗粒状物体占据的小部分空间取决于它们的形状。将例如米、火柴或M&M糖果的非球状物体倾倒进一个盒子里，相关参量如何影响配位数、秩序性排列和随机紧密堆积分数这样的特征？

2.羽状的烟

如果一支燃烧着的蜡烛被一块透明玻璃板覆盖，火焰会熄灭，并且产生一缕稳定的向上流动的轻烟。研究在各种放大倍数下的羽状的烟。

3.人造肌肉

将一个多聚物钓鱼线固定在电钻上并使其绷紧。当它扭转时，钓鱼线纤维会形成像弹簧一样排列的牢固的线圈。当你再次加热时，线圈会收缩。研究这个人造肌肉。

4.液体膜发动机

使一个肥皂膜在平整的边框上形成。将膜放在平行于膜面的电场中并通上贯穿膜的电流。膜会在所在平面中旋转。研究并解释这个现象。

5.双气球

两个橡胶气球被不完全充满气并被一个带阀的塑料管连接。会发现空气由于初始气球体积不同而流向不同方向这样的现象。研究这个现象。

6.马格努斯滑翔机

将两个轻质杯子的底部粘在一起来制作一个滑翔机。将一根弹性带子缠绕在滑翔机的中心并抓住余下的自由端。当握着滑翔机时，拉伸带子的自由端然后释放滑翔机。研究它的运动。

7.被覆盖的磁极

将一个非铁磁性的金属碟放在通交流电的电磁铁上，金属碟会排斥但不会旋转。但如果一块非铁磁性的金属薄片部分被部分插入两者之间，金属碟会旋转。研究这个现象。

8.糖和盐

当一个将一层糖铺在一层盐上的容器被照明，我们可能在投射的背光处看到一种独特的指纹形图案。研究这个现象和与相关参量的依赖性。

9.气垫船

将一张CD光盘和一个充满气的气球通过一根管子连接。漏气可以升起装置使其以低摩擦漂浮在一个表面上。研究相关参量如何影响低摩擦状态持续的时间。

10.振鸣的草叶

横过一片草叶吹气从而发声是可行的。研究这个现象。

11.猫须接收器

广泛运用于矿石收音机的第一半导体二极管包含一个轻触在半导体材料(例如方铅矿/加利纳)的晶体上的细导线。自制猫须接收器半导体元件并研究它的电学特性。

12.厚透镜

一个装满液体的瓶子可以用作透镜。可以认为如果将这样的瓶子在晴天落在桌子上会造成危险。可以用这样的透镜来烤焦一个表面吗？

13.磁摆

制作一个自由端有一个小磁体的轻摆。一个临近的通有频率远高于摆的固有频率交流电的电磁铁可以导致不同振幅的无阻尼振动。研究并解释这个现象。

14.环形光

当一个激光束瞄准一根金属丝，在垂直于金属丝的屏幕上可以观察到一个环形光线。解释这个现象并研究其与相关参量的依赖性。

15.移动的刷子

将刷子放置在振动的水平表面，刷子可能会开始移动。研究这一运动。

16.潮湿且黑暗

当衣服受潮时会看起来更暗或者改变颜色。研究这一现象。

17.咖啡杯

物理学家们喜欢喝咖啡，但端着一杯咖啡在实验室间行走会很麻烦。研究杯子的形状、步行速度和其他参量如何影响走路时咖啡溅出的可能性。 1.创造你自己

真实随机数是一种很有价值而且稀有资源。请设计、制造并测试一个可以产生随机数的机械设备并分析随机性抵御恶意攻击的能力。

2.滞后的摆

一根坚韧的线和重物可构成一个摆。当摆的悬挂点在水平面上作圆周运动的时候,在某些情况下重物也可开始做圆周运动，并且半径更小。研究该运动以及重物的稳定轨迹。

3.声学透镜

菲涅耳透镜在光学中很常用，而利用相同的原理可以汇聚声波。请设计并制造一个声学菲涅耳透镜并研究其性质（例如放大率）作为相关参量的函数。

4.超级球

向两个平板间的空隙扔一个弹性很好的球。球开始弹，在某些情况下甚至可以弹回到你手上。研究球的轨迹以及影响运动包括平板方向在内的参量。

5.极为不易打湿东西的水

把一个装满肥皂水的盘子放在扬声器或者震动台上，当它震动的时候，它有可能会把一小滴液滴留在上面很长时间，解释并研究这一现象。

6.电制蜂巢

将一个垂直的金属针放在一个水平的金属盘子上方，在盘子上放一些油，假如你对金属针和盘子施加恒定的高电压，可以产生格状结构。请解释并研究这一现象。

7.热水喷泉

用热水部分装填一个莫尔吸量管。用你的大拇指盖住其上端并倒置，可观察到从尖部喷出的水喷泉。请研究决定水喷泉高度的参量，并改变它们以获得喷泉最大的高度。

8.磁力小火车

两个扁圆柱形磁铁与一个柱状的电池两端相接，当这个体系放在铜线圈内部且与铜接触的时候，它会开始运动。解释这个现象并且研究相关参量怎么影响火车的速度和功率。

9.水波

用一个竖直振动的水平圆柱来产生水波，当改变激励频率和振幅的时候水波会看起来流向或背离圆柱。请研究这个现象。

10.光环

让一个液体喷向一个平面，当接触点被激光照明的时候，可观测到环绕水柱的光环。研究这个光环和相关参量对整个系统的影响。

11.在一个光盘上旋转

假如你把一个轻的旋转着的物体放在一个水平旋转的盘子上，它可以不离开盘子地开始运动。解释相关参量如何影响各种不同形式的运动。

12.范德堡方法

大家都知道材料的导电率可以独立于样品形状地被测量，只要样品没有孔。这种方法的应用条件是什么？研究并解释这种方法应用于有孔物体的行为。

13.纸钳子

拿两本类似的平装书然后互相交叉几页，将两本书推在一起。揪住两本书的书脊并尝试将它们分开。研究相关参量对分开书临界拉力大小的影响。

14.敏感的火焰

一种可燃性气体（如丙烷）从一个气嘴里垂直的流出然后穿过一个很好的金属网格（二者距离约为5cm左右）。可燃气体被点燃并在金属网格上方形成一个火焰。在某些情况下，这火焰会对声音极其灵敏。研究这个现象和相关参量的影响。

15.非接触千分尺

请利用一个激光笔发明并制造一个做的光学仪器，使其可以不接触地测量一个玻璃片的厚度、折射率以及其他属性。

16.飞盘漩涡

当一个垂直的盘子部分沉在水中并作垂直于盘面的移动时，一对水涡会在水面上出现。在一定情况下，这些水涡可以在水面上运动很长一段距离。研究相关参量对水涡运动和稳定性的影响。

17.疯狂的手提箱

当一个人拉着一个两轮的旅行箱的时候，在某些时候旅行箱会很剧烈地左右摆最终倾覆。研究这个现象。一个人可否通过不同的装箱方法来抵制或激化这种现象吗？

要形成稳定的共价键，必须尽可能使电子云重叠程度大一些，我们知道，除了s电子以外，其它电子云都是有空间取向的，在成键时，要尽可能沿着电子云密度最大的方向发生重叠，例如H2O中，氢原子的1s电子云沿着氧原子的2Px、2Py电子云的空间伸展方向的重叠，才能达到电子云重叠程度最大，形成稳定的共价键，因此共价键具有方向性。

元素的原子形成共价键时，当一个原子的所有未成对电子和另一些原子中自旋方向相反的未成对电子配对成键后，就不再跟其它原子的未成对电子配对成键，例如H2O分子中，O原子有两个未成对电子，它只能跟两个H原子的未成对电子配对，因此，共价键具有饱和性。

扩展资料：

饱和性和方向性是共价键的特征。所谓饱和性是指一个原子的几个未成对电子便可以和几个自旋相反的电子配对成键，而不能再与第三者配对成键。

方向性是指除去S轨道外其它原子轨道如P、d等轨道都有一定的伸展方向，而且形成共价键时，成键原子的电子云要求最大重叠，故就有了键角。因此共价键就有了方向性了。

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