第54屆國際物理奧林匹克競賽理論試題1介紹與解答

摘 要 本文介紹第54屆國際物理奧林匹克競賽理論考試的第一題。該題以溫室效應全球變暖為背景，考查黑體輻射和熱傳導中的能量平衡。題目分成兩部分，第一部分關注黑體輻射的輻射能分布;第二部分關注反射吸收下，能量的平衡。題目涉及近代物理（黑體輻射）;熱學中的能量傳輸，以及類似光學中多光束干涉時的法布里珀羅效應。

關鍵詞 國際物理奧林匹克競賽;黑體輻射;維恩位移定律;斯蒂芬玻爾茲曼定律;Manabe氣候模型;溫室效應

第54屆國際物理奧林匹克競賽（InternationalPhysics Olympiad，IPhO）于2024年7月21日至28日在伊朗伊斯法罕舉行，由伊朗伊斯法罕理工大學（Isfahan University of Technology）承辦。清華大學物理系率中國隊參加，代表中國參賽的5名中學生，全部獲得金牌，并贏得了個人總成績第一名，個人理論成績第一名，個人實驗成績第一名和女生總成績第一名全部個人獎項，取得了優異成績[1]。

本次競賽有3道理論試題，總體而言難度平均，中規中矩，所涉及模型學生都比較熟悉。隊員每題平均得分都在9分以上。第一題是以全球變暖溫室效應為背景，利用黑體輻射和輻射能量平衡進行一系列計算，內容與瑞士2022 IPhO 第二題有部分相似，但相對簡單。第二題主要是以離子囚禁的Paul Trap為背景，利用高頻交變電場對離子施加一個有效的束縛勢能，這個模型也出現在2023全國中學生物理競賽的一道題中。第三題名稱雖是黑寡婦脈沖星，本質上是一道經典的中心力場問題。在本文中對第一題做詳細介紹，其他兩題在后文中再討論。