2018年USAP競賽科學主題官方學習資料分析

關(guan) 於(yu) USAP其他幾個(ge) 部分的內(nei) 容，前麵的分享已經說的很詳細了，我就來收個(ge) 尾，講講五項全能的最後一項，也就是科學部分。

2018年USAP的科學部分主要考查的是激光的發現，產(chan) 生原理和應用。之所以會(hui) 考到這個(ge) 知識點，是因為(wei) 激光原理是在由美國科學家Schawlow和Townes於(yu) 1958年發現的，他們(men) 的實驗表明，物質在受到與(yu) 其分子固有振蕩頻率相同的能量激發時，都會(hui) 產(chan) 生這種不發散的強光。

兩(liang) 人也因此獲得了1964年諾貝爾物理學獎，而人類第一次獲得激光是在1960年5月，這就與(yu) 今年總的主題是“60年代，充滿變革的十年”相呼應了。相比其他幾部分略顯難懂的內(nei) 容，科學就直接多了，激光的形成原理其實是國內(nei) 高中物理和化學課上都有涉及，而且隻是其中一個(ge) 比較小的知識點，作為(wei) 一個(ge) 相對容易的部分，大家隻要掌握了相應內(nei) 容，拿到滿意的成績還是很有可能的。

官方材料一共分為(wei) 三個(ge) 部分，第一章相當於(yu) 一個(ge) 引入，主要介紹了光的波粒二象性（wave-particle duality），簡單點講，就是光既有波的特征，比如波長，比如幹涉和衍射，這些特征早在19世紀就被發現，研究和認可；但在二十世紀來臨(lin) 之際，愛因斯坦發現光電效應，光束照於(yu) 金屬表麵，使其發射出電子。

為(wei) 了產(chan) 生光電效應，光頻率必須超過金屬物質的特征頻率，一旦超出這個(ge) 頻率，就會(hui) 產(chan) 生光電效應，與(yu) 光的強度無關(guan) ，這一現象隻能用光的粒子性來解釋，後來的研究進一步指出，從(cong) 麥克斯韋方程組無法推導出普朗克與(yu) 愛因斯坦分別提出的非經典論述。物理學者被迫承認，除了波動性質以外，光也具有粒子性質。

第二章主要講的是激光的形成原理和發展史。早在1905年，愛因斯坦就發現了光電效應，並進一步解釋了光的形成。按照波爾模型，原子的核外電子分布於(yu) 不同的能級上，激發電子躍遷到更高能級需要吸收外部能量，這個(ge) 吸收能量的過程就是原子被激發的過程，但被激發後的電子處於(yu) 不穩定的激發態，會(hui) 自發向低能級躍遷，兩(liang) 個(ge) 能級之間的能量差就以光的形式釋放出來。單色，單一方向而且集中的激光就這樣產(chan) 生了。

戰後的50年代，科學家TOWNS讓一束被激發的氨分子通過一個(ge) 小孔，這樣會(hui) 產(chan) 生微波，因為(wei) 小孔隻允許單項集中光束通過，這樣就產(chan) 生了激光。這種方法使工業(ye) 上大量獲得激光成為(wei) 可能。當代，激光廣泛應用於(yu) 各個(ge) 領域，包括激光掃描，打印機和CD的製作等，這個(ge) 在第三章會(hui) 詳細闡述。

第三章分別從(cong) 四個(ge) 方麵介紹了激光的應用。科學方麵，激光可以像鑷子一樣把像DNA那樣的小分子固定，也可以形成極高的溫度從(cong) 而使核聚變反應發生；醫療方麵，激光手術，特別是激光治療近視（LASIK）最近被廣泛應用，雖然今天早上我還看到一篇說這種手術不安全的文章，但這確實是激光在醫學方麵的應用之一，此外，激光祛斑在美容行業(ye) 也比較常見；工業(ye) 方麵，激光被大量用於(yu) 切割，鑽孔，雕刻等；而在其他方麵，激光打印機是現代生活中幾乎必不可少的辦公用品。

這些都說明，發現和使用激光給我們(men) 的生產(chan) 生活帶來了巨大的改變。相比較於(yu) 前兩(liang) 章抽象的物理概念，這章的內(nei) 容跟現實生活聯係比較緊密，也是整個(ge) 學習(xi) 過程中比較好掌握的一個(ge) 環節，學生們(men) 可以在短期內(nei) 實現突破。

綜上，科學部分今年的主題主要是與(yu) 激光有關(guan) 的內(nei) 容，除了一些知識點初中生可能沒有接觸過，內(nei) 容比較抽象導致大家不是很容易理解；另一個(ge) 是大量生詞，特別是物理學專(zhuan) 業(ye) 術語的出現，也會(hui) 給大家帶來很多麻煩。

我們(men) 作為(wei) 老師，會(hui) 在上課期間把所有的難詞進行總結，把抽象概念化繁為(wei) 簡，使看上去晦澀難懂的知識結構化具體(ti) 化，再加上大量練習(xi) ，科學一定會(hui) 成為(wei) 你最容易突破的部分。