Наноолимпиада физика
.pdf
|
ФИЗИКА (школьники) |
|
|
Cянваря102013годаначинаетсяОТБОРОЧНыйтурдл |
|
|
|
школьников7 |
-11классоврамкахVIIИнтернет |
- олимпиадыпо |
|
нанотехн,проводимойлогиям |
МГУим. .В.Ломоносова |
и |
|
Фоинфраструктуобразовательныхдомпрог амм |
|
|
|
РОСНАНО.РешениезадачотборочноготураОБЯЗАТЕЛЬНО |
|
||
дляпрохождениянаочныйтуролимпиады,завершениетура |
|
- 30 |
|
январягода2013января( вес1 |
|
ьденьбудутприниматься |
|
оставшиесязаданияопозда, февутромляc 1шихначнется |
|
|
|
проверкаизаданиябольшезагружатьбудетнельзя). |
|
|
|
Интернет - олимпиадапонанотехнологиямтр диционновошла |
перечнеолимпиадна |
|
|
приказминистерстваобразнаукиования |
|
||
2012учебныйгод/ 2013 |
(номв3пер)покомплексуечнепредметов |
|
|
"химия,физика,математика,биология"будетдаватьсущественные |
|
|
|
льготыприпоступленабитурвВУЗы.Приентовизеры |
|
и |
|
победителибудутнаграмятнждеприза.Срокыми |
|
|
|
провеОлимпиадышкольниковенияля,участвующихиспытаниях |
|
|
|
покомплексупредметов" |
химия,физика,математика,биология |
": |
|
• Регистрацияперерегистрацияучастников |
:поянваря25 2013 |
|
|
года( ИДЕТ) |
|
|
•Отботур:с10поочный31января2013г.
•Заданиявозможностьзагрузрешенийданыпоклассам разделе" Олимпиада"
•Дополнительныебаллыможнополучитьврезулучастияв тате конкурсеид( йферат)проектныхитв работврческих.
Призерыпобедителиотбортурабудутчногобъявленына |
всехч |
етырех предметов. |
основбаллов, ниипранныхешении |
Физика7 |
-11классы |
|
|
|
|
Максимальноеколичествобаллов |
– 65 |
|
|
|
|
|
Фотоэлектроннаяспектроскопия |
(6 баллов) |
|
||
Приисследованиисоставананоматеиспользуетсяметодрентгеновскойиалов |
|
|
|
||
фотоэлектроннойспектроскопииРФЭС()Приисследовании. наобрпадаетпучокзец |
|
|
|
|
|
рентгеновскихлучей,аповерхносвыбитобразцавылетаютэлектроны, свнутренних |
|
|
|
||
орбитал.Определяяэнергиюэлектроновй,можнополучитьинфорхимическомацию |
|
|
|
||
составеобразца. |
|
|
|
|
|
Приоблученииобразцапучкомрентгеноизлучесдливолныскогоойия |
|
|
|
||
λ1 = 0.95 нмвспектреРФЭСнаблютолькодп,исоотваетсян нетствующийкоторой |
|
p = 1·10.5 |
–23 |
||
энергиисвязиэлектронов,приэтоммпувылетевшихэлектроновьсравен |
|
|
|||
|
|
|
|||
кг·м/с.Априоблучениипучкомсдлинойволныλ |
|
1 = 0.80 нмвспектренаблюдаетсятотже |
|
||
самый пик. |
p вовторомслучае. |
(3 балла) |
|
||
1. Найтиимпувылетевшихэлектроновьс |
(2 |
||||
2. Найтиотношениеимпульсафотонкимпульсуэлектрона |
|
|
pф/p вобоихслучаях. |
||
балла) |
|
|
|
(1 |
|
3. Объяснитьполученныйрезультат,используяфундаментальныефизическиеаконы. |
|
|
|||
балл) |
та c = 3·10. |
8 м/с,массаэлектрона |
me = 9·10. |
–31 кг,постояПланнкая |
|
Скоростьсве |
|
||||
h = 6,63·10 |
-34 Дж·с. |
|
|
|
|
|
|
Дифракцияэлектронов |
(4балла) |
|
|
Методдифраэлеиспктрциидолновсследованияьзуструктурытвердыхсятел. |
|
|
|
||
Вопоопределениюытепостояннойкристалличе |
|
скойрешэлектрразгткивпонлеыяют |
|
||
сразностьюпотенциа100В.Далеепучокэ еовпадаеттроннормальнонаоверхность |
|
|
|
||
образца,предсобойтонкуюавляющегофольгуизмонокристаллическоговещества.При |
|
|
|
||
этомнаэк,расположеннне |
омзаобр,назцомбл |
юдифраетсяк ,ртвкотцинаоройнная |
|
||
второйдифракцмакснахиподмумугломнныйαится=Найти30°постоянную.решетки |
|
|
|
||
исслведуемогощества. |
|
|
|
|
|
|
|
Оптичесволокноое |
(5баллов) |
|
|
Некпоторыелупровонаночаст,бупрозрачныдниковыеучивидимомцыили и блинфракржнемдиап,могутиметьазболсномвыснепеокпрелоазатий,чемльления стекло.Такиечастицы,внедрстекло,изменяютнныеэффекпоказательивный преломлесреды.Представим,чтонатакоеияцилиндрическстеклянноеволокнснаружие падаетл учсветаподугломα
Диамсечволокнаетрния |
d |
= 1 см.В естепаденияпоказательпреломленияравен |
n0 = 1.3. |
Эффепоказательпреломтивныйстекволоксеянияногоедренныминаночаст |
цами |
k = 0.5 см–1. |
|
линейнорастетвдлиныоль,начинаяотточкипадения |
|
: n(l) = n0 + kl, l – длина, |
Сколькоразлучвыйдетизволокна?Искаженпучканацилиповерхностиемндрической можнопренебречь.
|
|
|
ЗадачаоЦП |
(6баллов) |
|
СогласноизвестномузакГ Мурардонуод( изоснаогокомпаниивателейIntel) |
|
|
|||
количество транзисторов,размещаемыхнакристаллентегральнойсхемы,удваивается |
|
||||
каждыемесяца24.Приэтомпроизводителпроцесскомпоьровлжнаютерахность |
|
|
|
||
удваиватьсякаждыемесяцев18из |
|
-засочетанростаколтранзисторовчествая |
|||
быстродействиякаждого |
зних. |
|
|
||
Кувеличениюколичестваразмещнакристаллеемых |
|
|
транзисведеих торов |
||
миниатюр:внастоящеевремяприизготовленииацияпроцессоровиспользуется |
|
|
|
||
технолпронм«22цессгический»,а 2018.планиразработатьивнедритьуется |
|
|
|
||
технологиюслинейны |
|
разрешениемв10нм. |
|
|
|
Вопрос 1. Какиефундамеогразатрудниченияпроцессальминиатюризациияютые |
(3 балла) |
||||
припереходекстольмалымразэлеинтегральныхментоврамсхем? |
|
|
|||
Втожевремя,рост |
|
произвопроцессоровдпоситевремениледнегоьности |
|
||
определялсяувеличениемихтактовчаст.Однако,послейтыдостиженияпределенного |
|
|
|||
значениятактовчастоколо( ГГц4йты)дальнейшувеличпроизводительностиние |
|
|
|||
пошлоутивелчисланияяд,размещаемыхнаодномпроцескри,асорномталле |
|
|
|
||
такжеприме |
нениясхемпараллельныхвычислений. |
|
|
||
Вопрос2 |
. Чем,сфизитозренияч,ескойкиопределяетсяналичиеверхнегопредела |
|
. (3 |
||
тактовчаст?Оценитьоверхнийтыпределтактчастовдноядерногойтыпроцессора |
|
|
|||
балла) |
|
|
|
|
|
|
|
Эффект просветленияоптики |
(6 баллов) |
||
ЮныйфизикИвановрешилпронаблюдатьвэкспериментеэффектпросветления |
|
|
|||
оптики,состоящийвнанесениитончайшихтолщин( около100нм)п крытийнавнешнюю |
|
|
|
||
поверхностьобъекфо оаппардляивовуменьшенияпотеатровсажениеета |
|
|
|
||
связанныхнимнежелат |
|
ельныхбликов,повышесветорассеянияизкогоногоконтраста |
|
||
получаемыхфотографий.Отс аршихколонсл,чтоегышалпросветления( |
|
|
увеличения |
||
светопропускания)обычнодобиваютзеленойобласпектранадлинеятиволныоколо540 |
|
|
|||
нм – облнаибольшейстичу |
вствительностичеловеческогоглаза |
– длячегонеобходимо |
|||
нанобъекаестислойчетиввертьвтолщиныизфтмагниялновойфторидаилибария |
|
nф = 1.38)Од. ,занеимениемакоподрукой |
|||
(показательпреломлобоихвеществния |
|
|
|||
подобныхматеИвановриаловешил |
|
использглицерин,адлясозданияваизнеготьонкой |
|
||
пленки – достаточнопросме‘ й |
spin-coating’,опробованныйимприполучениипленокс |
||||
наночастселенидакадмия.Выборглицеринамивкачестпросветляющегоществаон |
|
|
|||
объяснилтем,чтоданнаяжид |
|
|
костьявляетсяпроз, ранектическичнойиспаряетсяпри |
|
|
комнатнойтемпераиимеет,каквслсуфторречаемагниябариядами,показатель |
|
|
|
||
преломления nг = 1близкий.44показателюпреломленияматериалаобъектива,ра ному |
|
|
|||
данномслучае |
nо = 1.Исп41. |
ользованиежидкостидляпросветляющслоясущественного |
|
||
ограничивалопракт даннческениемемет,поойдикисколькуобъективприходилось |
|
|
|||
располагатьвсевремястрогогоризо, ддлянакоабтальноюдения |
|
|
эффектапросветления |
||
этогобылод статочно.После |
|
серииэкспериментовиспользованиемпрофилометра |
|||
(приборадляизмеретолщинпленокких)Ивановясм добратьгнужноеколичество |
|
|
|||
глицерина,принанесениикоторогоповевращающегосяхностьобъективаполучался |
|
|
|
||
равномерныйслт лщиной540/4 |
|
= 135 нм.Однако,большомуудивленюногофизикаю |
просветзеленойияобластиспектранаступило,чтобылочевиднодажебез |
|
|
|
эксппеоропусканиюимсветачерезобъективнта. |
|
|
|
Вопросы. |
|
|
|
1) |
К,неанализик прошедшийчеобъекуяезсве,Ивановтпонялив,ч |
|
тодопустил |
ошибку? |
(2балла) |
|
(2балла) |
2) Вчеми состенноошибкаИвановаяла? |
|
||
3) |
Какойтолщиныдолжнабытьглицериноваяпленкадлядостижэффектания |
(2балла) |
|
просветнадлинво540нм?еныния |
|
||
|
Цветныерасертворыбра |
(8 баллов) |
СтудентыОнуфр ийАполлинаполучидваколлоидныхраствораийнаночастиц серебра.Чудеснымоб,растворызомразличалисьпоцве.Чразобратьсяобыу,чей коллоидныйрастворлучше«»,студерешилинспектятьтыпоглощениярастворовына
лаборатоспект.Ррномофотометре астворыпоказалисходныеспектрыпоглощения , имеющиепоодномупикугауссовойформы:
МаксимумыспектпоглраствоАщенияОоответствуютровдлинамволн400±10 |
I = I0e−b(λ−λmax )2 |
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||||||
620±10нм |
, аи нтенсивностимаксимумовпоглощения |
|
– 0и.350 |
.20усл.ед.соответственно, . |
|
|
||||||
|
,нм |
|
360 |
400 |
450 |
496 |
534 |
620 |
|
750 |
8 |
|
I(A) / I(О) |
260 / 1 |
150 / 2 |
45 / 4 |
4.34 / 3 |
10 / 2.1 |
1 / 813 |
1 / 6.8 10 |
|||||
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
1. |
КаокраскууюимеютколлорастворыАиО?дныеРасскажитеАполлинарию |
|
|
|
|
|
|
||||
Онуфркаквзаицветмосвязанихюколлои |
|
|
дныхрасполучтворовспектранными |
|
|
|
|
|||||
поглощения. |
(1балл) |
|
|
(1балл) |
|
|
|
|
||||
|
2. |
Чейколлоидныйраствлучшеп ?чемур |
|
|
|
|
|
|
||||
|
3. |
Изо,какбразитеудетвыглядетьспколлоидногоктрраствора,полученного |
(2балла) |
|
|
|
|
|
||||
смешениемдвухраств,равныхобъемахров? |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
4. |
ЧтонужносделарасА,чтьвприодлинебыволныомвозбуждающего |
|
|
|
|
|
|
||||
излучения534нминтенсипоглощендвколлоухностьрасталаияодинаковойдныхворов? |
|
|
|
|
|
|
|
|||||
(2балла) |
|
|
|
|
|
|
(1балл ) |
|
|
|||
|
5. |
Какрегистриспектпоглколлоидныхруютщениярастворов? |
|
|
|
|
|
|||||
|
6. |
Каксоотносятся |
разменаночастицврастворахыАО? |
|
|
(1балл ) |
|
|
|
|
|
Клатраты – застывшаянанопена |
(10 баллов) |
|
В1887годуУильямТомсонлорд(Кельвин)задалсявоп:какразбитьосомтрехмерное |
|
|
||
пространаодипонобъемуаковыествомн такгогранники,чтобыплощадьихстенокбы |
|
ла |
||
минимзад(одинаковыхчальнапузырьковпене)С.техпорданнаяпроблеманосит |
|
|
||
назадачиваниеКельвина. |
|
|
|
|
В1993годувкачрествешениязадачиК былальвинапредложенаструктураУэйра |
|
- |
||
Фела.Вееосновеа |
|
– заполнениепространства12 |
-ти14 -тигранникамирис(. |
1)Вэтой. |
структуре14 |
-тигранникисвязаныдругдругомчершестиугольныезгранивцепочки, |
|
|
|
которые,всвоюочередь,выстраиваютсятрехвзаимноперпендикунаправленияхярных |
|
, |
||
образуятрехмерныйкаркас |
с12 -тигранныпустотамимеждуними. |
|
|
а)
б)
Рис. а)СтруктураУэйра1. |
-Феланаисоставляющиееемногогранники.б)Пекинскийнациональный |
|
плавательныйкомплекс,построенныйОлимпиаде2008годавПекинаосэтойнструктурыеве.Такой |
|
|
покдизайнуходпозволилполучболеелегкуюпрочнують |
конструкцию. |
|
ПохожеенаструктуруУэйра |
-Феланарешениеиспользуеприр дойтсяроении |
|
простейшихгазовыхгидратов |
– соединенийвключения,котмолекулырыхгостя |
|
находятсявклетках |
-«нанопузырьках»,образомолекуламиводыанных( |
рис. 2.). |
Рис. Структура2. простейшегоклатрата |
- газ,огидртвечструктуреУэйрающаята |
-Фелана.Построенаиздвух |
правильныхмногогранников:додек(12,веэдней20)тетрадекаэдрашин(14граней, вершины24). |
|
|
Молекулыгостязанимаютцентрывсехячеек. |
|
|
1. Какиеещематериалыможноназватьнанопеной? ( |
1балл ) |
|
2. Струкананкоготураявляматрешенидвумтсяриалзеучарногомдачия |
1балл ) |
|
Кельвинаразбиение( плоскоравныеячейкисмтинимальнымпериметром)? ( |
|
|
3. Соответствструктурали простклейшего |
2.5балл а) |
атратногокаркасаусловиямзадачи |
Кельвина?Ответпоясните. ( |
|
|
4. Какиесвязисвязываютструктурнпростейшегоединицклатратаывкаркас? |
1балл ) |
|
Каковаприэтомвалентносигибридизацияузловогот?ьома( |
|
|
5. Атомыисоединенияатомовкакойгрупп |
|
ыПериотаблицыдолжныическойбыть |
склонныобразованиютакоготипакл,почемутратов?Принесколькоедпри. темеров( |
|
2 |
балла) |
|
|
6. Гдемогутнайтиприменениеклатратыстакойструктурой?Приведите |
три примера. |
|
(2.5балла ) |
|
|
Космические Бакиболы (11 баллов)
Впослврфулледнеемявсчащеичащеренынахвко.дятсмосе |
|
|
1. Какимобразомудаетсяразгля« »фуллеренывдалекойеть |
-предалекойгалактике? |
|
Почемудляэтогоиспотелеск,находящийсяьзуютрбитепЗемли? ( |
2 балла) |
|
Оказывается,космическиефулле |
реныможнонетолькорассмотр« »издал,но екать |
|
дажепот.Их,рогатьавкакинаноалмазы,регулярнонаходятвупавшихизк насмоса |
|
|
Земетеоритахлю. |
|
|
2. Какуюинформациюмогутнеспопавшиеукиченыхкосмическиефуллерены |
|
|
наноалмазы? ( |
1балл ) |
|
Ударбольшогоболидаастероида( иликометы) 1 |
|
.8млназадетрдсоздалвторойпо |
|
|||
величиатерударк ный |
|
-астробл,диампочтие250кммунатерриторииромсовременной |
|
|
||
КанС(ад,Онтариоыбери)В.измельчевзрывомгорпороденбылонойобнаружено |
|
|
|
|||
значительное содержаниефуллеренобразова.Возниквопр: олисэтифулволисьерены |
|
|
||||
времявзры,илижеяврассляютсявеществяннымболида,котпевзрывмежилоое? |
|
|
|
|||
Выделенныевчистомвидефуллсчи( , реныонитпредставляютайтесобойтолько |
|
|
|
|||
C60,небольшимколичес |
твом C70 пренебрегаем)принагреввакуумеыдеаниигелий, яют |
|
|
|||
которыйбылзаключенвовнутреннейполости,предположительно,моментобразования. |
|
|
|
|||
3. Объемгазаприн(.у.в,пересчетенаодинграммфуллеренов)составляет |
|
|
||||
2.09 10–4 см3.Рассреднючитайте |
юконцгемольлия(нтрацию/ |
3)вовнутреннихполостях |
||||
фуллеренов. |
(2балла )Диаметрфуллерепринятьрав0ыма |
.7нм,размерамиатомов |
||||
пренебречь. |
|
|
|
−4 |
|
|
Считгелия,чтоватмосфереЗемлисодержится5 |
.27·10 |
%пообъему,иего |
||||
|
||||||
концентрациязапрошедшеесмомент |
|
авзрывавреизмениласьнезначительноя,дайтеответ |
|
|
||
навопрос: |
|
|
|
|
|
|
4. МоглиэтифуллереныобразоватьсяЗемнойатмосфере? |
|
(1балл ) |
||||
Ввыделившемсяизфуллереновгелии |
|
* содержитсямаленькаяпр зотопамесь |
|
3He |
||
(1.15 10–7 см3). |
|
|
|
|
||
5. Подтвеилиопровергждает |
|
аетэфактотпредвы?воддущий( |
|
0.5балла ) |
||
Считаятемпеобразованфуллереновтуруравной1000°Сипредпя,чтгелийоложив |
|
|
|
|||
попалвфувмомлерихобразованияен:ыт |
|
|
|
|
6. Оцените,прикакомдавлениигелия(атм.образовались) фуллерены. ( |
|
0.5балла ) |
||
7. Как выду,моглиаетеэтифуллереныобразовкосмосеатьсязу |
|
вследза |
||
остыванием ВселеннойпослеБольшогоВзрыва? |
|
(1.5балла ) Чтодолжныпредставлятьсобой |
||
«космичесфабри»попроизводствукифуллеренов?Приведитепример. |
|
|
(2 балла) Могли |
|
лиэтифулле |
реныобразвСолнечнойсистемеваться? |
(0.5балла ) Ответыпоясните. |
||
* Соотношение 3He и 4He является« |
визитнкарточкой |
»материала.Егоизмеряютв |
||
ppm (частяхнамил)Д.Землионяатмосферыэтаойвеличинасоставляет1 |
|
.38 ppm,в |
||
горныхпородах1 |
– 12 |
ppm.Длявещества,сформировавшегоСолнечнуюсис,этему |
|
|
величинаравнапримерно100 |
ppm, в |
солнечномветре |
– 400 ppm,воколоземной |
|
космическойпыли |
– до300 |
ppm. |
|
|
|
|
|
Графеновый шар (9 баллов) |
|
|
||
Летомгода2008 |
|
|
научно -популярныхсайтахпоявилисьзамет |
|
ки |
сгромкими |
|
заголовкамитипа |
«Учёныесоздаливоздушныйшаризг афена |
|
». Этизаметки |
сообщали о |
|||
создании «самаленького |
вмире |
воздушногошара» |
– графеновогопузыряразмером9 |
|
|||
нм столщинойстеноквсегоодинатом |
|
|
|
. |
|
|
|
1. КакВыдумаете, |
|
|
верна ли формулировка,поставленная |
заголовки новостей? |
|||
Возможнолисоздать |
|
сферу изграфена? |
Ответобоснуйте. |
(1балл ) |
|
|
|
2. Опишите,каксделать |
|
изобнар.исаженный1 |
графеновыйпузырь. |
Какимобразом |
|||
егоможнонапгазом?Почемулнить |
|
|
|
пузырь удерживаетсянаподложке? ( |
2б алла) |
Рис. 1. Графеновыйпузырьнаподложке |
из SiO2/Si с квадратнымуглублением |
в SiO2: |
|
а)схематическоеизображение |
; б) изображение реальногопузыря |
, полученное припомощиАСМ. |
3. Проницаемлиграфендлягазов?Почемувысотапузыря |
современем |
медленно |
|
уменьшается (рис. 2) ? Почему высота заполненного водородомпузыряуменьшаетсябыстрее |
|
||
всего? |
Какзан«овоад»пузырьть |
? (1.5 балла) |
|
Графеновыйп |
узырькраткпоместиливатмосферуременноозонапроблучении |
|
|
|
||
ультрафиолетом. |
Доип |
осле такой обработки его заполняли различными газами |
измеряли |
|||
зависимостьвыспузыряотвремени |
|
|
(рис. 2) . |
|
|
|
4. Чтопроизошлосграфенпузыремпослевым |
|
такой обработки? |
Объясните |
|||
наблюдаемые для обработанного пузыря зависимости вслучае H2 и CO2 (рис.а)2 |
. Оцените |
|||||
размер характеособеграфеновогопузыряыхностейслебработки. |
|
|
(3 балла) |
|
||
5. Какое применение могутнайти |
упомянутыевзадаче |
графеновыепузыри |
? (1.5 балла) |
Рис. 2. а) |
Зависимвысотызап газомлненногостьграфеновпузыряотвременинавоздухе.го |
б) Зависимость |
|
средней скорости уменьшениявысотызаполненногопузыряотразмерамолекулзаполняющего.аза |
|||
Серыеметки |
– дообработки, |
расныеметки |
– послебработки. |