第6届全国周培源大学生力学竞赛团体赛比赛内容和规则

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. 第六届全国周培源大学生力学竞赛团体赛

比赛内容和规则

第一轮比赛：攻防对抗赛

一、内容

在一些描写古代战争的电影中，常可见到一方用抛石机抛掷石头攻击对方城堡的场面。进攻者当然希望抛石机威力巨大；而防守者自然希望城堡固若金汤。

本次竞赛各队既要做出“抛石机”，又要造出“城堡”。然后各队之间相互比较谁的“抛石机”威力大，谁的“城堡”更结实？

二、要求

 发射装置由各队事先准备好，应能由一名队员不借助工具搬动，且最大尺寸不超过2m。

 发射装置的动力方式不限，不限制初始释放的速度，但不能由人直接投掷，可以手扶发射装置以保持稳定。

 先确定一点为靶心，画一系列同心圆，每个半径增加20cm。最里面的圆标100分，向外依次为80、60、40、20、0分。

 发射装置的出口距地面不超过1m（误差不超过10cm）。

 在距离靶心2.5m（误差不超过10cm）处有一横线，发射装置出口的投影不能超过该横线，最多可后退0.5m（限制最大发射距离不超过3m以保证安全）。

 利用组委会统一发放的工具和材料（牙签、棉签、木筷、胶水、纸张），设计制造保护装置，防止鸡蛋被对方击碎。每个保护装置内部要能放置1枚生鸡蛋。保护装置加鸡蛋的质量不超过250g。每队设计制作3个保护装置用于比赛，并标明队名和号码。

 所发射重物由哑铃的圆盘组成，每次发射的重量限制在2kg至4kg之间，允许误差为0.1kg。 .

.  发射时圆盘的具体的数目可自行决定。多个圆盘可以绑在一起发生，如果发射时脱落导致多个落点，精度取成绩最差的一个，但是任意一片打碎鸡蛋均有效。

 直接击碎鸡蛋与落地后滚动击碎鸡蛋同样计分。

 障碍物基本处于保护装置与横线的中间位置，高约0.8米。

 某队发射时，操作者1－3人均可，其余人员应在发射口的后面。

图1 攻防示意图

三、比赛规则与流程（约60min）

 17日中午抽签获得比赛用的鸡蛋。准备设计制作保护装置。并可在适当地方进行发射调试。

第６期高云峰：第６届全国周培源大学生力学竞赛团体赛的出题与比赛８９

自激振动也存在于人类自身．笔者在另文中已分析了荡

秋千运动和单杠振浪运动的自激振动性质【４＇５Ｊ．将人类和动

物的声带看作与木管乐器类似的特殊簧片，我们的说话和歌唱也都是自激振动．心脏的周期性搏动、寒冷或恐惧引起的颤

抖则是自激振动在生理学中的表现．与上述工程中的自激振

动相比，生命科学中的自激振动有着更为复杂的内在机制，就不是用简单的振动理论知识可以解释的了．参考文献

１哈尔凯维奇著．司秀，刘羽译．自振．北京：科学出版社，１９５７２丁文镜．工程中的自激振动．长春：吉林教育出版社，１９８８３刘延柱，陈文良，陈立群．振动力学．北京ｔ高等教育出版社，１９９８４刘延柱，忻鼎亮．单杠振浪的力学特征．体育科学，１９８７，７（２）：５７—６０５刘延柱．再谈荡秋千——兼谈自激振动．力学与实践。２００７，２９（３）：９２，－，９３

第６届全国周培源大学生力学竞赛团体赛

的出题与比赛

‘高云峰１）

（清华大学航天航空学院，北京１０００８４）

１团体赛内容介绍

本次团体竞赛分为４个环节，每个环节都要设计制作不

同的装置，完成指定的要求，每个环节均涉及理论力学和材

料力学的一些基本知识．

在此介绍比赛内容的具体要求和规则的大概

内容（详见《力学与实践》２００７年第５期或

ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｓｔａｍ．ｏｒｇ．ｃｎ／ｚｐｙ／ｉｎｄｅｘ．ａｓｐ）．

（１）攻防对抗赛——参赛各队分别设计制作发射装置

和保护装置，抽签后相互用发射装置攻击对方的保护装置．

（２）纸条拉力赛——用Ａ４纸制作一个３ｃｍ宽试件。

上面有一个１ｃｍ长的切口．通过裁去部分材料，尽可能使

试件承受大的拉力．

（３）不倒翁的设计——设计制作一个装置，使其摆动

周期尽可能接近指定的周期．

（４）混合加载（比赛中由于时间关系删去了）——用Ａ４

纸设计制作加载装置，通过选择适当的加载位置，在给定的

变形范围内承受尽可能多的重量．

（５）姜太公钓鱼——设计制作钓鱼台和钓鱼的器具，

122力学与实践2014年第36卷第九届全国周培源大学生力学竞赛个人赛试题特点分析与建议李道奎1)黄海兵(国防科技大学航天科学与工程学院，长沙410073)摘要通过对第九届全国周培源大学生力学竞赛个人赛试题及其详细参考解答与评分标准的理解与分析，总结了本届试题注重题目原创、联系工程实际、重视基础内容、体现创新思维、突出能力考核的特点，并在问题设计、题目设计、评分标准等方面提出了一些初步的建议．关键词力学竞赛，个人赛试题，特点分析，建议doi：10.6052/1000-0879-13-309第九届全国周培源大学生力学竞赛个人赛已顺利落下帷幕，笔者作为长沙赛区的竞赛组织者、辅导老师和阅卷老师以及中国力学学会的竞赛答卷复核小组成员，对个人赛试题[1]进行了仔细研究，参与了竞赛初试的试题讨论、答案分析和阅卷评分标准解析全过程．根据自己的理解，结合命题小组的工作小结[2]，并与第六至八届全国周培源力学竞赛试题[3-5]特点进行比较的基础上，笔者认为本届竞赛个人赛试题在注重题目原创、联系工程实际、重视基础内容、体现创新思维、突出能力考核等方面的特点更为突出．本文主要对这些特点进行分析与总结，并针对某些问题提出自己的初浅建议，以期为以后的命题小组提供一定的参考．1试题特点分析(1)注重题目原创全国周培源大学生力学竞赛个人赛尽管也是一种通过笔试来确定成绩的考试，但它并不是大学生多次应试考试的又一次延伸，而是要考察他们应用所学知识分析问题和解决问题的能力，而原创的题目可以很好地体现这一目的．本届命题小组的命题思路没有受已有教材和参考书习题以及往届全国周培源大学生力学竞赛试题的影响和局限，所有题目均自行设计，但考查的内容既体现了基础力学中基本的知识、原理和方法，又体现了基础力学中的重点内容，还与往届竞赛试题有了较好的区分．这样使得参赛学生并不会因为做了多少以前的题目就会做本次竞赛的题目，而是在真正掌握了基础力学中基本的知识、原理和方法的基础上，能够灵活应用所学内容解决实际问题后，才能很好地完成本次竞赛的题目解答．如第3题中寻找变形协调条件时，有刚性内芯与常规的无内芯(各杆在中间用铰连接)的情况所得到的几何关系是一样的，体现了对学生是否掌握了变形协调条件寻找方法的考查．这正是竞赛所要达到的目的，笔者同时认为这也是解决目前我国应试教育中某些诟病的方法之一．(2)联系工程实际在本届竞赛试题中，主要考查材料力学知识的第1题、第2题和第4题分别结合工程实际中某主机旋转部件、杂技道具和吊装设备的受力与变形,主要考查理论力学知识的第3题和第5题分别为容器旋转曲面确定和杆件跌落现象．这些题目无论是从实际工程背景中提炼出来的问题，还是在有了力学模型后再找的实际背景，都让两者结合得非常紧密，没有生搬硬套之嫌，明显地提高了题目的趣味性，使得参赛学生觉得每一题目的求解均能解决某一生活或工程实际中的问题，从而大大提高了他们解决该问题的兴趣和动力．(3)重视基础内容本届竞赛试题题目总数不多，但涉及的力学知识点和力学原理以及可能使用的力学基本求解方法却有很多，例如第4题涉及的力学知识点或力学原理有：弯曲和扭转变形、组合变形、静不定问题、应力状态分析、强度校核、广义胡克定律、力学实验中的若干知识等，可能使用的解题方法有计算变形的能量方法和积分方法、计算组合变形的叠加法、求解静不定问题的力法、实验应力分析的电测法等．2013-07-29收到第1稿，2013-11-26收到修改稿.1)E-mail：lidaokui@第1期李道奎等：第九届全国周培源大学生力学竞赛个人赛试题特点分析与建议123在3个材料力学题目中，《材料力学》的三大基本问题——强度、刚度和稳定性问题均有涉及．不仅如此，有些题目还有机地结合了《理论力学》与《材料力学》内容，如本届竞赛初试第1题既涉及到《理论力学》中的惯性力计算、刚体系统受力分析与力系的平衡等内容，又涉及到《材料力学》中的梁的弯曲变形、位移的线形叠加性或能量法等内容．这些都充分体现了本届试题重视基础内容的特点．(4)体现创新思维人的思维方式有多种，从不同的角度来看，可以分为固定思维和发散思维、正向思维和逆向思维、连续性思维和跳跃性思维等．普通的教学传授给学生的大多是常规的固定向、正向和连续性思维，很少训练发散、逆向和跳跃性思维，但后面3个方面的思维方式正是体现了人们的创新思维，在培养学生的创新意识和创新能力方面具有重要的作用．本届竞赛试题中有部分题目就体现了这些创新思维方式在其中的重要作用．如第1题中计算简支梁弯曲变形时，可用常规的积分法，也可用能量法，但均较繁琐，而详细参考解答及评分标准中给出的“叠加原理与对称性相结合”的方法，简单而巧妙地计算出了结果，体现了思维的发散性和跳跃性，但阅卷中几乎没有发现学生采用此方法，说明目前高校大学生受到这方面的训练还较少．如第5题中的第(2)问，如果按固定思维，认为杆A端在碰撞后继续与地面接触，将误入题目设计的陷阱．逆向思维的例子在本届试题中也有体现，如第2题的第(3)问、第4题的第(1)问等都需要利用逆向思维来进行思考，得到解题思路．(5)突出能力考核这里说的能力，主要指总体把握与力学建模、定性分析与直观判断、定量计算与综合求解3个方面的能力．高校培养学生的一个主要目的是使其在未来工作岗位上能够解决实际问题，这里提到的3个方面的能力将在大学生未来的工作岗位上起到重要的作用．而实际生活或工程中的问题不像书本中已经给出力学模型的问题那样可以直接求解，而需要根据问题的性质、对象的特点等来分析其力学机理，从而利用力学知识建立合理的力学模型，如第1题的简支梁模型，再通过定量分析来进行综合求解，如第1题第(1)问中求解平衡问题就需要分别考虑上片(或上下片整体)和下片的平衡条件再综合求解，当然，并不是所有的问题都需要进行详细求解，而且有些详细求解还很繁琐，这是需要大学生能够通过定性分析来进行直观判断，如第4题第(1)问就需要通过定性分析来确定重物挂在B点时A截面会出现轴向最大应变，且可直观判断出DH段对整个题目是没有影响的．因此可以说本届试题特别突出了对大学生总体把握与力学建模、定性分析与直观判断、定量计算与综合求解3个方面能力的考核．2建议本届全国周培源大学生力学竞赛个人赛试题充分体现了教育部高教司的“重视基础、突出能力”的竞赛要求，联系生活或工程实际，原创性地设计了一套高水平的试题，试题解答也给出了许多巧妙或新颖的求解方法，这些好的做法对培养学生分析问题和解决问题的力学创新思维具有良好的启迪作用．笔者在这里吹毛求疵，从参赛学生和阅卷老师的角度，斗胆对试题及其解答提出几点建议．(1)在较复杂题目的提问中首先加一条相对简单、引导思路的问题从这次全国参赛学生的最终成绩来看，最高分71分，还不到及格线(总分120分)，且48分即可获得全国二等奖，因此总体上看得分较低，这固然说明学生对力学知识的掌握程度以及相关能力还不够，但也与题目的设问存在一定的联系，特别是对于创新较强、得到结果经过的步骤较多的问题，学生一般存在畏惧心理，感觉无从下手，而且觉得按照自己的想法去做时，有可能会经过大量复杂的过程也得不到正确的结果，而又花去大量的时间，因此可能会放弃对某些题目的思考．如果在问题设问时就首先增加一条相对常规、但又有利于启迪对整个题目最终目的进行思考的问题，这样既可以让学生感觉此问题可以得分，因此做下去，又可以在解决完这个问题后引导解决下一问题直至解决全部问题．我想这样一来，学生得分的可能性会大大增加．例如，在第4题现有的3个问题前，加一条类似“将重物吊挂在B点时，求整个吊装设备危险点的相当应力”这样的相对常规、且可为后面问题求解奠定基础的问题，则可使学生在解决此问题后既可以得分，又能进一步思考原题目中的3个问题，从而达到启迪思路的作用．124力学与实践2014年第36卷(2)适当考虑增加模型抽象与工程设计类的题目，或在题目中增加体现模型抽象与工程设计环节的问题本届全国周培源大学生力学竞赛个人赛试题无论是从题目的创新性、考察内容的完整性、与以往试题的差别性等方面都做到了堪称完美的程度，但如能进一步体现工程实际模型抽象和工程设计环节的话，本届试题水平将会进一步提升．以本届竞赛中的理论力学题目为例，从题目描述看，两个问题均体现了生活或工程实际，但均能直接看出对象是什么，问题是哪一类，对应的方法有什么，而无需学生进行力学模型抽象和对象选择等环节，只需正确应用相应知识，谨慎求解即可获得解答．这种类型的题目尽管能够体现对学生掌握基本知识和正确应用能力的考察，但难以体现对学生的力学模型抽象和工程设计等能力的考察．(3)解答中最好给出最常规的解法及易于操作的给分标准，避免出现某个答案处直接得4∼5分甚至更多在试题的详细参考解答及评分标准中，命题小组给出很多非常巧妙的解题方法，例如第1题的第(2)问中利用叠加法和对称性的概念求简支梁A端转角，是一种较为巧妙的解法，但参赛学生在较短的竞赛时间内，大多采用较为常规的方法，例如能量法(图乘法或单位载荷法)或积分法，步骤也千差万别，几乎没有见到学生采用此种解法．又如在第5题中的第(2)问关于判断A端将弹起的过程，实际上可以在已知质心速度和杆的角速度的基础上，通过分析A端的铅垂方向的速度，即可得到A端将弹起的结论，而无需采用动力学方程．因此，在“详细参考解答及评分标准”中，最好首先给出较为常规和简单的方法及相应的评分标准，当然，在后面也可以附上较为巧妙的一些解法供参考．另外，在“详细参考解答及评分标准”中应根据解题过程细化每一关键步骤的得分，不要出现几步合在一起得到阶段结果后给出较多的分数，如得到某个表达式得5分(某一较重要步骤应该得较多分的情况除外)，这将导致不同的阅卷老师给分的尺度将会有很大的差别，最终影响参赛学生的成绩．3小结本次竞赛试题题目均为源于生活或工程实际，经过命题小组的提炼和抽象得到的原创性题目，并且具有重视基础内容、体现创新思维、突出能力考核等特点，既能考查大学生是否掌握了基础力学的基本知识、原理和方法，又能考查他们的力学创新思维和创新能力，题目解答也给出了多种解题方法及其评分标准，尽管在问题设计、题目设计、评分标准等方面也可以进一步改进，但总体上是一届非常成功的命题，又一次为以后的全国周培源大学生力学竞赛个人赛的命题提供了很好的范例．另外，由于笔者水平有限，对试题的特点分析和建议若有不当之处，请命题小组及其他读者批评指正．参考文献1四川大学.第九届全国周培源大学生力学竞赛(个人赛)试题.力学与实践,2013,35(3):1092秦世伦,魏泳涛,李晋川.第九届全国周培源大学生力学竞赛(个人赛)命题工作小结.力学与实践,2013,35(3):111-1123《力学与实践》编辑部.第八届全国周培源大学力学竞赛试题.力学与实践,2011,33(3):102-1034《力学与实践》编辑部.第七届全国周培源大学生力学竞赛试题.力学与实践,2009,31(4):103-1035高云峰.第六届全国周培源大学力学竞赛出题思路及说明.力学与实践,2007,29(4):93-95

历届周培源力学竞赛获奖情况统计

时间 参赛人数 特等奖 一等奖 二等奖 三等奖 陕西赛区情况

第十届（2015） 21350名 5名

73-80分 48名

57-72分 117名

45-56分 1163名 二等奖2名

三等奖64名

第九届（2013） 17338名 6名

63-71分 34名

54-62分 54名

48-53分 943名 三等奖44名

第八届（2011） 17026名 5名

83-102名 15名

77-82分 35名

70-76分 915名 三等奖45名

第七届（2009） 12089名 5名95.5-106分 15名

85.5-95 33名

78-84.5分 632名 二等奖1名

三等奖18名