38. Mezinárodní fyzikální olympiáda

Zpráva o konání 38. mezinárodní fyzikální olympiády

12. – 22. července 2007, Isfahán, Írán

Vrcholovou světovou soutěž středoškolských studentů ve fyzice – Mezinárodní fyzikální olympiádu (MFO) – pořádalo v letošním roce ve dnech 12.–22. července Ministerstvo školství Iránské islámské republiky ve městě Isfahán. Byl to její 38. ročník (1. MFO se konala právě před 40 lety ve Varšavě, 3. MFO v roce 1969 v Brně a 10. MFO před 30 lety v Hradci Králové). Soutěž proběhla v prostorách Isfahánské technické univerzity (Isfahan University of Technology, IUT) pod patronací jejího rektora (prof. G. R. Ghorbani) a generálního guvernéra provincie Isfahán (S. M. Bakhtiyari). Předsedou organizačního výboru soutěže byl prof. M. S. Rad. IUT je moderní technická univerzita založená roku 1977, na jejich 13 fakultách studuje 7000 studentů bakalářského a magisterského studia a 2000 doktorandů.

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy České republiky vyslalo na soutěž sedmičlennou delegaci o tomto složení:

• Prof. Ing. Bohumil Vybíral, CSc., Univerzita Hradec Králové, vedoucí delegace,
• RNDr. Jan Kříž, Ph.D., Univerzita Hradec Králové, pedagogický vedoucí,

soutěžící – individuální členové českého družstva:

• Pavel Motloch, Gymnázium P. Bezruče, Frýdek-Místek,
• Jakub Benda, Gymnázium J. Nerudy, Praha 1,
• Marek Scholle, Gymnázium Pardubice,
• Dalimil Mazáč, Gymnázium J. Keplera, Praha 6,
• Lukáš Ledvina, První české gymnázium v Karlových Varech.

Náhradníkem soutěžících (necestujícím) byl Jan Hermann z Gymnázia v Českém Krumlově.

Uvedení členové českého družstva byli vybráni na základě výsledků celostátního kola Fyzikální olympiády (FO) kategorie A (konaném v únoru 2007 v Bílovci) s přihlédnutím k výsledkům předcházejících krajských kol české soutěže FO. Přípravu družstva a jeho náhradníků organizoval prof. RNDr. Ivo Volf, CSc., vedoucí katedry fyziky a informatiky Pedagogické fakulty Univerzity Hradec Králové. Příprava probíhala ve dvou etapách: jednak korespondenční formou, jednak na desetidenním intenzivním soustředění v prostorách katedry v Hradci Králové.

Delegace nastoupila cestu na 38. MFO v Praze dne 12. 7. 2007. Odtud v 18:20 letecky do Teheránu s přestupem ve Vídni. Po příletu do Teheránu 13. 7. 2007 ve 2:00 místního času (+1,5 h.) nás očekávali zástupci organizátorů, kteří se o nás pečlivě starali. Od 3:30 do 11:00 jsme se přesouvali autobusem na jih do 420 km vzdáleného Isfahánu. Zde byli studenti ubytováni v kolejích IUT, vedoucí v mezinárodním hotelu Kowsar (vzdálenost mezi oběma destinacemi byla asi 25 km).

Program soutěže

Pátek, 13. 7.

Uvítací večeře v parku IUT.

Sobota, 14. 7.

Slavnostní zahájení. Studenti – exkurze po Isfahánu, vedoucí – diskuse teoretických úloh soutěže a jejich překlad do národních jazyků (činnost do ranních hodin 15. 7.).

Neděle, 15. 7.

Studenti – řešení teoretických úloh (3 úlohy, 5 hodin), vedoucí – exkurze po Isfahánu. Večer recepce pořádaná pro všechny členy delegací generálním guvernérem provincie.

Pondělí, 16. 7.

Studenti – pokračování exkurze po Isfahánu a exkurze do laboratoří IUT. Vedoucí – dopoledne exkurze do laboratoří IUT a technologického města; odpoledne a večer (až do ranních hodin 16. 7.) diskuse a překlad experimentální úlohy.

Úterý, 17. 7.

Studenti – řešení experimentálního problému (5 hodin). Vedoucí – pokračování exkurze po Isfahánu. Večer – společná večeře se studenty. Oprava teoretických úloh.

Středa, 18. 7.

Studenti i vedoucí – pokračování exkurze po Isfahánu. Vedoucí – oprava experimentální úlohy.

Čtvrtek, 19. 7.

Studenti – sportovní den. Vedoucí – celodenní exkurze do historického města Natanz vzdáleného asi 120 km a do vysokohorské vesnice Abyaneh vzdálené dalších 50 km. Večer – zasedání mezinárodní jury k výsledkům soutěže.

Pátek, 20. 7.

Studenti – exkurze do industriálního centra Isfahánu a večer „astronight“. Vedoucí – moderování řešení úloh (diskuse k opravám) s komisemi opravujících; večer 2. zasedání mezinárodní jury a schválení výsledků soutěže.

Sobota, 21. 7.

Slavnostní vyhlášení výsledků 38. MFO. Závěrečný banket.

Neděle, 22. 7.

Den odjezdu. Česká delegace odjížděla v odpoledních hodinách autobusem do Teheránu. Odtud v 2:15 (dne 23. 7.) letecky přes Frankfurt do Prahy s příletem v 9:10.

Úlohy soutěže

Organizátoři připravili soutěžícím velmi pěkné moderní úlohy přiměřené náročnosti pro tuto špičkovou světovou soutěž. Z organizačních důvodů se velmi osvědčilo, že úlohy byly označeny barvami.

Růžová úloha vytýčila studentům problém rotující zákrytové dvojhvězdy. Pomocí fotometrických a spektrometrických údajů řešili charakteristiky dvojhvězdy: oběžné rychlosti, parametry trajektorie, gravitační interakci a hmotnosti hvězd a jejich zářivé výkony. Součástí úlohy byl i výpočet vzdálenosti dvojhvězdy od Země, největší úhlová vzdálenost hvězd dvojhvězdy a nejmenší potřebná apertura optického teleskopu pro rozlišení jednotlivých hvězd dvojhvězdy. Naši studenti se zhostili řešení velmi dobře, jejich průměrné bodové hodnocení bylo 9,14 z 10 možných bodů.

Oranžová úloha řešila problém aktivace bezpečnostního airbagu akcelerometrem během kolize automobilu. Studenti řešili mechanické a elektrické veličiny akcelerometru, který sestával z tělesa, pružin a soustavy kondenzátorů, při jeho činnosti. Srovnávali dobu pohybu hlavy řidiče k volantu s dobou aktivace airbagu. Úkol vyřešili čeští studenti rovněž dobře – jejich průměrné bodové hodnocení bylo 7,18 z 10 možných bodů.

Modrá úloha předložila studentům aktuální problém obecné teorie relativity – vypařování černé díry. V úvodu řešili pomocí rozměrové analýzy rozměry jednotlivých fundamentálních konstant. Předmětem druhé části byla fyzika černých děr, konkrétně určení plošného obsahu horizontu událostí černé díry využitím analogie termodynamické entropie. Třetí část se zabývala Hawkingovým vyzařováním – řešila dobu potřebnou k vypaření černé díry dané hmotnosti a určení její tepelné kapacity. Ve čtvrté části se uvažovala černá díra vystavená účinkům kosmického reliktního záření – časová změna její hmotnosti, Hawkingova teplota černé díry a stabilita její rovnováhy. Potřebné zákonitosti z fyziky černých děr byly studentům předloženy v zadání. Čeští studenti opět překvapili a předvedli řešení s průměrným bodovým hodnocením 8,82 z 10 možných bodů.

Zelená úloha byla experimentální a jejím cílem bylo určení šířky zakázaného pásu energie polovodičových tenkých vrstev na základě opakovaných měření. V úvodu byla studentům předložena potřebná teorie problému a popis přístrojů k měření. Základním přístrojem byl spektrometr s halogenovou lampou a goniometrem. Dále měli studenti k dispozici vzorek polovodičové vrstvy na sklíčku, samotné sklíčko, optickou mřížku (o dané konstantě), fotorezistor, multimetr a další drobné potřeby. Základní metodou bylo měření propustnosti tenké vrstvy v závislosti na vlnové délce pomocí fotorezistoru. Požadavkem bylo dosažení velké přesnosti, k čemuž bylo nutné provést a vyhodnotit několik pomocných měření. Bylo rovněž požadováno určení chyb měření užitím teorie chyb. Výsledkem analýzy dat měření bylo stanovení šířky zakázaného pásu energie a tloušťky polovodičové vrstvy. Organizátoři postavili pro každého soutěžícího samostatné experimentální pracoviště (pořízeno muselo tedy být asi 350 poměrně složitých aparatur). I když šlo časově o velmi náročnou úlohu s požadavkem znalosti teorie problému, grafické analýzy a laboratorní zručnosti, čeští studenti prokázali vcelku velmi dobrý výsledek: jejich průměrné hodnocení bylo 14,28 bodů z 20 možných.

Účastníci soutěže

Soutěže se zúčastnilo celkem 327 studentů ze 73 států světa. Z tradičních účastníků chyběla delegace z Austrálie, Izraele a Portugalska. Z přihlášených států se nedostavila Albánie a Srí Lanka. Některé delegace měly počet soutěžících menší než pět.

Výsledky

• min. 44,0 bodů pro zlatou medaili,
• min. 38,0 bodů pro stříbrnou medaili,
• min. 33,0 bodů pro bronzovou medaili,
• min. 22,0 bodů pro čestné uznání.

Po konečném stavu hodnocení (po provedené moderaci) zlatou medaili získalo 37 soutěžících, stříbrnou 47 soutěžících a bronzovou medaili 51 soutěžících. Čestné uznání bylo uděleno 80ti soutěžícím. K nejlepším řešitelům patří jednotlivci družstev těchto států: Čína (ČLR), Korejská republika, USA, Irán, Japonsko a Rusko. Poté následuje skupina 7 států, ve které je i Česká republika.

České družstvo dosáhlo na 38. MFO vynikajícího úspěchu – nejlepšího za dobu existence samostatné České republiky – ziskem dvou zlatých, jedné stříbrné a dvou bronzových medailí. Úspěch jednotlivých českých řešitelů je tento:

1. Pavel Motloch (celkově 19.); 45,2 bodů, zlatá medaile,
2. Dalimil Mazáč (celkově 27.); 44,4 bodů, zlatá medaile,
3. Jakub Benda (celkově 59.); 39,4 bodů, stříbrná medaile,
4. Marek Scholle (celkově 109.); 34,3 bodů, bronzová medaile,
5. Lukáš Ledvina (celkově 122.); 33,8 bodů, bronzová medaile.

Organizace a průběh soutěže

Iránští organizátoři připravili soutěž velice pečlivě, předložené úlohy byly sice náročné, ale velmi zajímavé a fyzikálně aktuální. Program celé 38. MFO byl pestrý a probíhal bez závad. Ohlášená návštěva nositele Nobelovy ceny, prof. Stephena Hawkinga, se neuskutečnila. Velkou pozornost akci věnovaly také sdělovací prostředky – po celou dobu byl přítomen minimálně osmičlenný tým regionální televize a tisku.

Organizátoři úzkostlivě dbali na bezpečnost všech účastníků. Například konvoj pěti autobusů s delegacemi doprovázela čtyři policejní auta, páté s policií v civilu a sanitní vůz. V místě každé akce byl dále připraven hasičský vůz, vojenská jednotka a ochranka pro jednotlivé skupiny. Jedinou smutnou událostí 38. MFO bylo náhlé úmrtí prezidenta MFO dr. Waldemara Gorzkowského z Polska třetí den soutěže (15. 7. 2007).

Závěr

Výsledky 38. MFO ukázaly, že byli členové českého družstva pečlivě vybráni a velmi dobře připraveni na soutěž. Příprava družstva proběhla jednak v rámci české fyzikální olympiády, individuální přípravy i kolektivní přípravy na desetidenním soustředění před vlastní soutěží. Požadavky kladené na soutěžící značně převyšují to, co jim může dát škola (zejména v situaci, kdy se hodinové dotace na výuku fyziky a matematiky stále zmenšují). Ukazuje se, že je nezbytně nutná zejména dlouhodobá příprava na experimentování ve fyzice, aby studenti získali potřebnou zručnost a zkušenosti. Některé státy věnují přípravě daleko větší pozornost, např. v Singapuru a v Hongkongu probíhá celoročně příprava vybrané skupiny studentů každou sobotu, před vlastní soutěží se koná měsíční soustředění.

V Hradci Králové 23. července 2007

Prezentace prof. B. Vybírala (pdf, 2 MB)

Členové úspěšné delegace na Mezinárodní fyzikální olympiádě – zleva doprava: RNDr. Jan Kříž, Ph.D. (pedagogický vedoucí), Marek Scholle (bronzová medaile), Pavel Motloch (zlatá medaile), Jakub Benda (stříbrná medaile), iránský průvodce delegace, Dalimil Mazáč (zlatá medaile), Lukáš Ledvina (bronzová medaile), prof. Ing. Bohumil Vybíral, CSc. (vedoucí delegace).