王 槿，惠王伟，董 校，宋 峰，孔勇发

(南开大学 a.物理科学学院；b.基础物理国家级实验教学示范中心，天津 300071)

2022年7月10-17日，南开大学物理科学学院率领中国代表队参加了由瑞士主办的第52届国际物理奥林匹克竞赛(International Physics Olympiad，IPhO).比赛采取线上形式，其中实验考试采用全线上远程虚拟考试.实验试题有2道，分别为行星(Planet)和柱状二极管(Cylindrical diode)[1].实验试题总分20分，试题1计12分，试题2计8分.本文主要介绍实验试题2的命题、虚拟实验考试流程和试题解答，并且结合物理背景知识和实际应用分析命题背景、参赛选手的答题情况.

1 试 题

1.1 实验装置与任务

实验装置示意图如图1所示，柱状真空二极管由2个同轴圆柱体组成.其中，半径为Re、长度为Le的圆柱体为发射极，可以发射电子.这些电子通过真空腔体到达半径为Rc、有效长度可以视为无限长的集电极.集电极具有正电势V，发射极接地，因此电子从发射极被吸引至集电极.将发射极加热，逸出的电子因为电势差被加速运动至集电极.电子在真空中激发形成了等离子体.由于等离子体的性质，真空二极管中通过的最大电流由集电极的电势以及二极管的几何参量共同决定.

图1 实验装置示意图

在实验过程中，测量要求Rc≥5Re.当Le相对Rc足够大时，通过真空二极管的最大电流为

(1)

其中C是关于无量纲比值Rc/Re的函数.

当Le与Rc接近时，需要对式(1)进行修正.通过真空二极管的最大电流修正为

IL=I∞F(Rc,Re,Le,V),

(2)

其中F无量纲，且是关于Rc，Re，Le和V参量中部分或所有变量的函数.式(1)是式(2)中F=1的特殊情况.