2018年USAP竞赛科学主题官方学习资料分析

关于USAP其他几个部分的内容,前面的分享已经说的很详细了,我就来收个尾,讲讲五项全能的最后一项,也就是科学部分。

2018年USAP的科学部分主要考查的是激光的发现,产生原理和应用。之所以会考到这个知识点,是因为激光原理是在由美国科学家Schawlow和Townes于1958年发现的,他们的实验表明,物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激发时,都会产生这种不发散的强光。

两人也因此获得了1964年诺贝尔物理学奖,而人类第一次获得激光是在1960年5月,这就与今年总的主题是“60年代,充满变革的十年”相呼应了。相比其他几部分略显难懂的内容,科学就直接多了,激光的形成原理其实是国内高中物理和化学课上都有涉及,而且只是其中一个比较小的知识点,作为一个相对容易的部分,大家只要掌握了相应内容,拿到满意的成绩还是很有可能的。

官方材料一共分为三个部分,第一章相当于一个引入,主要介绍了光的波粒二象性(wave-particle duality),简单点讲,就是光既有波的特征,比如波长,比如干涉和衍射,这些特征早在19世纪就被发现,研究和认可;但在二十世纪来临之际,爱因斯坦发现光电效应,光束照于金属表面,使其发射出电子。

为了产生光电效应,光频率必须超过金属物质的特征频率,一旦超出这个频率,就会产生光电效应,与光的强度无关,这一现象只能用光的粒子性来解释,后来的研究进一步指出,从麦克斯韦方程组无法推导出普朗克与爱因斯坦分别提出的非经典论述。物理学者被迫承认,除了波动性质以外,光也具有粒子性质。

USAP|「60年代」的科学领域,激光开始放大招

第二章主要讲的是激光的形成原理和发展史。早在1905年,爱因斯坦就发现了光电效应,并进一步解释了光的形成。按照波尔模型,原子的核外电子分布于不同的能级上,激发电子跃迁到更高能级需要吸收外部能量,这个吸收能量的过程就是原子被激发的过程,但被激发后的电子处于不稳定的激发态,会自发向低能级跃迁,两个能级之间的能量差就以光的形式释放出来。单色,单一方向而且集中的激光就这样产生了。

战后的50年代,科学家TOWNS让一束被激发的氨分子通过一个小孔,这样会产生微波,因为小孔只允许单项集中光束通过,这样就产生了激光。这种方法使工业上大量获得激光成为可能。当代,激光广泛应用于各个领域,包括激光扫描,打印机和CD的制作等,这个在第三章会详细阐述。

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第三章分别从四个方面介绍了激光的应用。科学方面,激光可以像镊子一样把像DNA那样的小分子固定,也可以形成极高的温度从而使核聚变反应发生;医疗方面,激光手术,特别是激光治疗近视(LASIK)最近被广泛应用,虽然今天早上我还看到一篇说这种手术不安全的文章,但这确实是激光在医学方面的应用之一,此外,激光祛斑在美容行业也比较常见;工业方面,激光被大量用于切割,钻孔,雕刻等;而在其他方面,激光打印机是现代生活中几乎必不可少的办公用品。

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这些都说明,发现和使用激光给我们的生产生活带来了巨大的改变。相比较于前两章抽象的物理概念,这章的内容跟现实生活联系比较紧密,也是整个学习过程中比较好掌握的一个环节,学生们可以在短期内实现突破。

综上,科学部分今年的主题主要是与激光有关的内容,除了一些知识点初中生可能没有接触过,内容比较抽象导致大家不是很容易理解;另一个是大量生词,特别是物理学专业术语的出现,也会给大家带来很多麻烦。

我们作为老师,会在上课期间把所有的难词进行总结,把抽象概念化繁为简,使看上去晦涩难懂的知识结构化具体化,再加上大量练习,科学一定会成为你最容易突破的部分。

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