2025國際兒童及青少年物理知識大賽2025 International Children and Youth Physics Knowledge Competition

2025國際兒童及青少年物理知識大賽題目範圍

本次大賽全面覆蓋物理核心領域，從基礎知識到前沿應用，旨在考察參賽者的物理探究能力、實驗思維與創新實踐能力，具體內容如下：

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一、物理基礎知識

（一）物理科學核心領域

力學與運動規律

1. 機械運動與參照系：掌握質點運動的描述（位移、速度、加速度）、參照系的選擇對運動描述的影響，能解釋生活中的運動現象。例如，分析汽車剎車過程中的減速運動與加速度方向的關係，或解釋乘電梯時 “超重”“失重” 現象與參照系（地面、電梯）的關係。

2. 牛頓運動定律：理解牛頓三大運動定律的內容與適用範圍，熟悉力的合成與分解（平行四邊形定則）。如用牛頓第一定律解釋 “車輛急剎時乘客向前傾” 的慣性現象，或通過力的分解計算斜面上下滑物體的重力分力（沿斜面向下、垂直斜面）。

3. 功與能：掌握功的計算（W=Fs cosθ）、動能與勢能（重力勢能、彈性勢能）的轉化規律，理解機械能守恆定律。如分析單擺擺動過程中重力勢能與動能的相互轉化（忽略空氣阻力時機械能守恆），或計算物體從某一高度自由下落過程中重力做功與動能變化的關係。

電磁學基礎

1. 靜電現象與電場：熟悉靜電產生（摩擦起電、感應起電）、電場強度的基本概念，能解釋靜電應用與防護。例如，解釋脫毛衣時產生火花的靜電放電現象，或分析平行板電容器的電容與板間距、介質的關係。

2. 電路與電流：掌握串聯、並聯電路的特點（電流、電壓、電阻關係）、歐姆定律（I=U/R）的應用，熟悉電功率的計算（P=UI）。如通過歐姆定律計算串聯電路中各電阻兩端的電壓分配，或分析家用電器（如燈泡）正常工作時的電流與電功率關係。

3. 磁現象與電磁感應：理解磁場的基本性質（磁感線、磁通量）、電流的磁效應（安培定则）、電磁感應現象的條件。如解釋電磁鐵的磁性強弱與線圈匝數、電流大小的關係，或分析發電機工作中導體切割磁感線產生感應電流的方向（右手定則）。

熱學與能量轉化

1. 溫度與熱平衡：熟悉溫度的概念、溫標（攝氏溫標、開爾文溫標）的轉換，理解熱平衡定律（熱量從高溫物體傳向低溫物體）。如解釋溫度計的測溫原理（液體熱脹冷縮）與熱平衡的關係，或計算攝氏溫度與開爾文溫度的轉換（T= t + 273.15）。

2. 熱傳遞與熱力學定律：掌握熱傳遞的三種方式（傳導、對流、輻射）、熱量的計算，理解熱力學第一定律（能量守恆與轉化定律）。如分析冬季室內暖氣片的熱傳遞方式（對流為主、輻射輔助），或用熱力學第一定律解釋 “氣體膨脹對外做功時內能減少” 的現象。

3. 物態變化：瞭解固、液、氣三態轉化的條件（溫度、壓力）與吸放熱規律，如探討水的沸騰現象與大氣壓的關係（氣壓越低，沸點越低），或分析冰熔化過程中溫度不變但吸收熱量的原因（用於破壞晶體結構）。

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（二）物理與技術應用

物理技術與工程實踐

1. 經典物理技術：瞭解光學儀器（透鏡、望遠鏡）、機械裝置（齒輪、槓桿）的基本原理，能設計簡單的物理技術實驗。例如，用凸透鏡製作簡易放大鏡並測量其焦距，或通過槓桿模型分析省力與費力的條件（動力臂與阻力臂的長短關係）。

2. 現代物理技術：掌握半導體技術、光電技術的基礎知識，如分析半導體二極管的單向導電性與其在整流電路中的應用，或探討太陽能電池的光電轉換原理（光照射半導體產生電子 - 空穴對）。

3. 物理工程基礎：理解物理原理在工程中的應用，如繪製橋樑（簡支梁）的受力分析圖並解釋其承重原理（利用力的分解分散載荷），或分析變壓器的工作原理（電磁感應中的互感現象）與電壓變換關係（U₁/U₂ = n₁/n₂）。

物理數據與計算思維

1. 物理數據分析：使用 Excel、物理模擬軟體（如 Algodoo）進行數據處理與分析，如繪製物體自由下落的位移 - 時間關係曲線並計算重力加速度，或通過電路實驗數據繪製伏安特性曲線（判斷元件是否符合歐姆定律）。

2. 物理模型構建：運用數學模型描述物理現象，如用勻變速直線運動公式（s = v₀t + ½at²）模擬汽車啟動過程的位移變化，或通過簡諧運動公式（x = A sin (ωt + φ)）描述單擺的擺動規律。

3. 物理資訊學基礎：理解物理資料庫（如物理常數庫、實驗數據庫）與計算工具的應用，如查詢標準大氣壓下不同液體的沸點數據，或用計算機程式模擬彈性碰撞過程中動量與動能的變化。

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二、物理研究方法與實踐

（一）物理實驗與數據採集

實驗設計與操作

1. 對照實驗設計：能獨立設計控制變數的物理實驗方案，如探究 “影響單擺週期的因素”，需設定擺長、擺球質量、振幅等變量，控制其他變量不變，通過反覆實驗確定擺長對週期的影響（週期與擺長的平方根成正比）。

2. 物理實驗操作：規範使用秒錶、彈簧測力計、示波器等儀器，如用彈簧測力計測量物體的重力並分析誤差來源（儀器校準、讀數視角），或用示波器觀察交流電的波形（正弦波）並測量其頻率與振幅。

3. 實驗誤差分析：識別物理實驗中的誤差來源，如分析 “用刻度尺測量物體長度” 中刻度尺分度值與讀數估計值對結果的影響，並提出減小誤差的改進方案（多次測量求平均值）。

數據處理與建模

1. 物理圖表繪製：使用 Origin、GraphPad 等工具繪製實驗數據圖表，如繪製電阻兩端電壓與電流的關係曲線（歐姆定律圖像）並計算電阻值，或用柱狀圖比較不同材料的熱傳導係數差異。

2. 統計方法應用：運用統計學工具分析物理數據，如通過標準偏差判斷多次實驗數據的分散程度（偏差越小，數據越可靠），或用線性回歸分析 “彈簧伸長量與所掛物重” 的線性關係（驗證胡克定律）。

3. 物理仿真實驗：利用模擬軟體實現物理現象的模擬，如用 PhET 模擬軟體探究平抛運動的軌跡與初速度、高度的關係，或通過電路模擬軟體模擬串並聯電路中電流的分配規律。

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（二）物理模型與問題解決

物理過程建模

1. 力學過程建模：用圖解或數學公式描述力學過程，如繪製物體沿斜面運動的受力示意圖（重力、支持力、摩擦力），或用動量守恒定律方程式描述兩球碰撞過程。

2. 電磁過程建模：構建電磁現象的動態模型，如設計 “簡單電路的能量轉化” 概念模型，需包含電源提供電能、用電器將電能轉化為其他形式能量（如燈泡轉化為光能與熱能），或用流程圖展示電磁感應現象中 “機械能→電能” 的轉化過程。

3. 熱學過程建模：通過模型分析熱學現象，如繪製水的三態變化（冰→水→水蒸氣）的能量變化示意圖（標註熔點、沸點與吸熱量），或用熱傳導方程模擬不同材料物體的溫度傳遞規律。

物理問題解決

1. 現實物理問題：運用物理知識解決實際問題，如設計 “校園運動場跑道的彎道安全方案”，需綜合考慮彎道半徑、路面傾角與最大安全速度的關係（利用向心力公式計算），或提出 “家用電器節電方案”，通過計算電功率與使用時間分析不同用電器的能耗差異。

2. 物理技術應用：結合物理技術解決產業或生活問題，如設計 “簡易防護欄的緩衝裝置”，需選擇合適的彈性材料（如彈簧）並利用彈性勢能原理減小撞擊力，或探討 “降噪耳機的隔音原理”，分析其利用聲波干涉抵消噪音的物理機制。

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三、物理與可持續發展

（一）環境保護與物理應用

能源利用與節能

1. 傳統能源利用：理解化石能源（煤、石油）的發電原理（熱能→機械能→電能），熟悉能量轉化過程中的損耗與效率計算。如分析火力發電廠的能量轉化效率（通常約 30%-40%）與熱損耗來源（煙氣排放、冷卻水），或計算家用電冰箱的製冷效率（與環境溫度的關係）。

2. 新能源開發：掌握可再生能源（太陽能、風能、水能）的物理原理，如分析太陽能熱水器的光熱轉化原理（利用黑色塗層吸收太陽輻射、保溫層減少熱損失），或探討風力發電機的葉片設計與風能捕獲效率的關係（葉片角度、轉速）。

3. 節能技術應用：瞭解物理原理在節能中的應用，如利用熱傳導係數低的材料（如隔熱棉）減少建築物的熱損失，或通過調整電器工作功率（如變頻空調）降低能耗，並計算節電量與經濟效益。

環境物理與保護

1. 聲污染控制：理解聲波的產生與傳播（需要介質）、噪聲的等級（分貝）與危害，熟悉降噪技術的物理原理。如分析隔聲牆的降噪機制（反射與吸收聲波），或解釋耳塞的降噪原理（阻礙聲波傳入耳道）。

2. 光污染防治：掌握光的反射、折射與散射規律，理解光污染（如玻璃幕牆反光、夜間燈光）的危害與防治方法。如分析城市玻璃幕牆的光反射現象（镜面反射）與光污染的關係，或探討路燈的遮光設計（減少向上散射的光線）對防治光污染的作用。

3. 氣候與物理現象：瞭解物理原理與氣候現象的關係，如用熱傳遞原理解釋溫室效應（大氣中的二氧化碳吸收地面輻射），或分析風的形成與大氣壓強差的關係（空氣從高壓區流向低壓區）。

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（二）物理科技前沿與未來挑戰

新材料與先進技術

1. 功能材料物理：掌握新型材料（如超導材料、納米材料）的物理特性，如分析超導材料的零電阻特性與其在磁懸浮列車中的應用（減小摩擦阻力），或探討納米材料的表面效應與其在催化反應中的高活性。

2. 光電技術前沿：理解激光技術、光纖通信的物理原理，如解釋激光的單色性、方向性與其在精密測量（如激光测距）中的應用，或分析光纖通信中光的全反射現象（確保光信號在纖芯中傳輸）。

3. 智能物理技術：瞭解傳感器技術、自動控制的物理基礎，如探討紅外傳感器的工作原理（檢測物體的熱輻射）與其在自動門中的應用，或分析無人駕駛汽車中超聲波雷達的測距原理（發射與接收超聲波的時間差計算距離）。

空間與極端環境物理

1. 航天物理基礎：掌握航天器運動的物理原理（萬有引力定律、軌道力學），如用萬有引力定律解釋衛星繞地球運行的向心力來源（地球對衛星的引力），或分析火箭推進的反衝運動原理（燃料燃燒噴射產生反作用力）。

2. 極端環境物理：瞭解高溫、低壓等極端環境下的物理現象，如設計航天器的防熱層（利用材料的高熔點與熱輻射散熱）抵禦大氣層再入時的高溫，或分析高海拔地區低氣壓對液體沸點的影響（氣壓越低，沸點越低）。​

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四、挑戰題與創新思維

（一）開放性物理問題

現實物理問題解決

1. 設置真實場景任務，如 “如何利用物理原理設計校園雨水回收利用系統”，要求參賽者從重力流動（水的重力勢能轉化為動能）、過濾裝置（利用重力與篩分原理）、儲水壓力（保證出水壓力）多維度提出方案，並評估系統的集水效率與節水效益。

2. 創新需求應對，如 “設計一款便攜式迷你風力發電裝置”，需綜合運用風能轉化原理（葉片捕獲風能轉為機械能）、微型發電機（電磁感應產生電能）與儲能模塊（儲存電能供小型設備使用），確保裝置的便攜性與發電效率。

未來物理科技構想

1. 前瞻性設計任務，如 “構思 2050 年的低碳智慧城市交通系統”，要求結合磁懸浮技術（減小摩擦）、可再生能源供電（太陽能、風能）與智能交通控制（優化路徑減少能耗），描繪系統的能量流動與運動控制模型，並分析其解決城市擁堵與碳排放的潛力。

（二）跨學科物理挑戰

物理與其他領域融合

1. 物理 + 工程：運用物理與工程知識解決實際問題，如設計 “仿生機器人手臂”，需綜合考慮槓桿原理（關節為支點）、彈性材料（模擬肌肉的伸縮）與動力傳動（利用齒輪或繩索傳遞力），實現手臂的靈活運動。

2. 物理 + 電腦：開發物理教育或研究工具，如用 Python 編寫 “自由落體運動模擬程式”，實現不同初始條件（高度、初速度）下物體運動軌跡與數據的實時輸出，或設計 “物理實驗數據分析軟體” 幫助自動計算實驗誤差與繪製圖表。

3. 物理 + 環保：運用物理技術與環保理念開展創意項目，如 “基於風力發電的校園綠化灌溉系統設計”，利用小型風力發電機將風能轉化為電能，儲存於蓄電池後為灌溉水泵供電，通過壓力傳感器控制水泵啟閉（土壤含水量低時自動澆水），並用流體力學原理優化水管佈局，確保水流均勻覆蓋綠化區域，實現可再生能源與環保灌溉的結合。

 

參賽者需兼具扎實的物理知識、科學探究能力與跨學科創新思維，在解決現實問題的過程中展現物理的客觀性、系統性與實用性，同時體現對能源節約、環境保護與未來科技發展的深度思考，以物理為工具推動創新實踐，展現物理學科在推動人類社會進步中的多元價值。