The 37 th International Physics Olympiad Singapore Theory Competition Monday, 10 July 2006

Transcript

1 Σελ 1 από 10 The 37 th International Physics Olympiad Singapore Theory Competition Monday, 10 July 2006 Παρακαλώ διαβάστε προσεκτικά τις πιο κάτω οδηγίες: 1 Η εξέταση διαρκεί 5 h (πέντε ώρες) Υπάρχουν τρεις ερωτήσεις και κάθε μια από αυτές βαθμολογείται με 10 βαθμούς 2 Χρησιμοποιήσετε μόνο το στυλό που υπάρχει στο τραπέζι σας 3 Χρησιμοποιήστε μόνο το μπροστινό μέρος των φύλλων χαρτιού που σας δόθηκαν 4 Κάθε ερώτηση πρέπει να απαντηθεί σε ξεχωριστά φύλλα χαρτιού 5 Παρακαλώ χρησιμοποιήστε το Φύλλο Απαντήσεων (Answer Sheet) που σας δόθηκε για να γράψετε τις απαντήσεις σας Σας δίνονται επίσης Φύλλα Γραψίματος (Writing Sheets) για να δείξετε τον τρόπο με τον οποίο εργαστήκατε Τα αριθμητικά αποτελέσματα πρέπει να γράφονται με τον κατάλληλο αριθμό ψηφίων ανάλογα με τα δεδομένα Μην ξεχνάτε να γράφετε τις μονάδες μέτρησης 6 Γράψτε στα κενά Φύλλα Γραψίματος (Writing Sheets) οτιδήποτε θεωρείτε ότι χρειάζεται για τη λύση των ζητημάτων και ότι θέλετε να βαθμολογηθεί Γράψετε όσο το δυνατό λιγότερο κείμενο και περιοριστείτε σε εξισώσεις, αριθμούς, σύμβολα και διαγράμματα 7 Είναι πολύ σημαντικό να συμπληρώσετε τον κωδικό της χώρας σας (Country Code) και τον κωδικό σας (Student Code) στα κουτάκια που βρίσκονται στο πάνω μέρος κάθε φύλλου χαρτιού που θα χρησιμοποιήσετε Επιπλέον στα κενά φύλλα γραψίματος που θα χρησιμοποιήσετε για κάθε ερώτηση θα πρέπει να γράψετε τον αριθμό της ερώτησης (Question No), τον αύξοντα αριθμό κάθε φύλλου χαρτιού (Page No) και το συνολικό αριθμό των φύλλων γραψίματος που έχετε χρησιμοποιήσει (Total No of pages) για κάθε ερώτηση και θα θέλατε να βαθμολογηθείτε Θα ήταν επίσης χρήσιμο να γράψετε τον αριθμό της ερώτησης και υπό-ερώτησης στην αρχή του κάθε φύλλου 8 Όταν τελειώσετε, τοποθετήστε όλα τα φύλλα με τη σωστή σειρά (για κάθε ερώτηση βάλτε πρώτα τα φύλλα απαντήσεων (Answer Sheets), μετά τα φύλλα γραψίματος (Writing Sheets) που χρησιμοποιήσατε σε σειρά και μετά τα φύλλα που δεν θέλετε να βαθμολογηθούν Βάλτε τα φύλλα που δεν χρησιμοποιήσατε και τα θέματα που σας δόθηκαν στο τέλος) Τοποθετήστε τα φύλλα κάθε ερώτησης με την σειρά των ερωτήσεων και με τον αριθμό των σελίδων Να συρράψετε όλα τα φύλλα με τον συνδετήρα που θα σας δοθεί και αφήστε τα πάντα πάνω στο τραπέζι σας Δεν επιτρέπεται να πάρετε κανένα φύλλο εκτός του δωματίου

2 Σελ 2 από 10 Θεωρητικό Ζήτημα 3 Αυτό το ζήτημα αποτελείται από πέντε ανεξάρτητα υποζητήματα Κάθε ένα από αυτά ζητά σαν απάντηση μια εκτίμηση της τάξης μεγέθους μόνο και όχι ακριβή απάντηση Να γράψετε όλες τις απαντήσεις σας στο Φυλλο Απαντήσεων Ψηφιακή Φωτογραφική Μηχανή Θεωρείστε πως έχετε μια ψηφιακή φωτογραφική μηχανή με ένα τετράγωνο CCD chip με πλευρά μήκους L =35 mm με αριθμό N p = 5 Mpix (1 Mpix = 10 6 pixels) O φακός αυτής της μηχανής έχει εστιακή απόσταση f = 38 mm Η γνωστή σειρά των αριθμών (2, 2,8, 4, 5,6, 8, 11, 16, 22), οι οποίοι εμφανίζονται στο φακό, είναι γνωστή ως σειρά-f και συμβολίζεται με F#, που δηλώνει το λόγο της εστιακής απόστασης προς τη διάμετρο D του διαφράγματος του φακού, δηλαδή F # f / D 31 (1,0) Βρείτε την καλύτερη πιθανή τιμή χωρικής ανάλυσης xmin στο chip, της φωτογραφικής μηχανής όπως περιορίζεται από το φακό Εκφράστε το αποτέλεσμα ως συνάρτηση του μήκους κύματος και της σειράς F ( F # ) και μετά δώστε την αριθμητική τιμή (του x ) όταν = 500 nm min 32 (0,5) Βρείτε τον αναγκάιο αριθμό N των Μpix που πρέπει να έχει το CCD chip για τον οποίο επιτυγχάνεται η βέλτιστη ανάλυση 33 (0,5) Μερικές φορές οι φωτογράφοι χρησιμοποιούν τη φωτογραφική μηχανή με το μικρότερο δυνατό διάφραγμα Υποθέστε ότι τώρα έχουμε μια φωτογραφική μηχανή με N 0 = 16 Mpix, chip και φακό με πλευρά μήκους και εστιακή απόσταση όπως δόθηκαν πιο πάνω Ποια τιμή του F # πρέπει να επιλεγεί ώστε η ποιότητα της φωτογραφίας να μην περιοριστεί από την οπτική 34 (0,5) Γνωρίζοντας ότι το ανθρώπινο μάτι έχει μια γωνιακή ανάλυση κατά προσέγγιση = 2 arcsec και ένας τυπικός εκτυπωτής φωτογραφιών τυπώνει κατά το ελάχιστο 300 dpi (dots per inch) σε ποια ελάχιστη απόσταση z από τα μάτια σας πρέπει να τοποθετηθεί μια τυπωμένη σελίδα ωστέ να μην μπορείτε να δείτε τις κουκίδες της εκτύπωσης; Δεδομένα 1 inch = 25,4 mm 1 arcsec = 2, rad

3 Σελ 3 από 10 Σφιχτό Bρασμένο Aυγό Παίρνουμε ένα αυγό κατευθείαν από το ψυγείο, όπου βρίσκεται σε θερμοκρασία T 0 = 4C, και το τοποθετετούμε σε κατσαρόλα με νερό που βράζει σε θερμοκρασία T 1 35 (0,5) Βρείτε το ποσό της ενέργειας U, που απαιτείται για να αρχίσει το αυγό να πήζει 36 (0,5) Βρείτε την ένταση της θερμικής ακτινοβολίας J, που ρέει στο εσωτερικό του αυγού 37 (0,5) Βρείτε τη θερμική ισχύ P που μεταφέρεται στο αυγό 38 (0,5) Πόσο χρόνο χρειάζεται να βράσει το αυγό ώστε να πήξει καλά; Υπόδειξη Μπορείτε να χρησιμοποιήσετε την απλοποιημένη μορφή του νόμου του Fourier J T / r, όπου T είναι η διαφορά θερμοκρασίας που σχετίζεται με τη r, την κλίμακα μήκους του προβλήματος Η ένταση της θερμικής ακτινοβολίας J μετρείται σε μονάδες Wm 2 Δεδομένα Πυκνότητα μάζας του αυγού : μ = 10 3 kgm 3 Ειδική θερμοχωρητικότητα του αυγού: C = 4,2 J K 1 g 1 Ακτίνα του αυγού: R = 2,5 cm Θερμοκρασία που πήζει το ασπράδι του αυγού: T c = 65C Συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας: = 0,64 WK 1 m 1 είναι ο ίδιος και για το υγρό ασπράδι και το στερεό ασπράδι) (υποθέστε ότι

4 Σελ 4 από 10 Κεραυνός Εδώ παρουσιάζεται ένα υπεραπλουστευμένο μοντέλο του κεραυνού Ο κεραυνός προκαλείται από την συγκέντρωση στατικού ηλεκτρικού φορτίου στα σύννεφα Αυτό έχει ως συνέπεια το κάτω μέρος του σύννεφου να φορτίζεται συνήθως θετικά, το πάνω μέρος να φορτίζεται αρνητικά και το έδαφος κάτω από το νέφος να φορτίζεται θετικά Όταν το αντίστοιχο ηλεκτρικό πεδίο ξεπεράσει την τιμή της διηλεκτρικής αντοχής του αέρα, προκύπτει μια βίαιη εκφόρτιση: το φαινόμενο αυτό είναι ο κεραυνός current I max = 100 ka 0 τ =01ms time Το διάγραμμα δείχνει τον ιδεατό παλμό ηλεκτρικού ρευματος που ρέει μεταξύ του σύννεφου και του εδάφους κατά τη διάρκεια του κεραυνού Απαντήστε τις ακόλουθες ερωτήσεις με τη βοήθεια του διαγράμματος για το ρεύμα ως συνάρτηση του χρόνου και με τη βοήθεια των πιο κάτω δεδομένων: Απόσταση μεταξύ του κάτω μέρους του νέφους και του εδάφους: h = 1 km, Διηλεκτρική αντοχή του αέρα με υγρασία: E 0 = 300 kv m -1, Συνολικός αριθμός κεραυνών που χτυπούν τη Γη κάθε χρόνο: , Ανθρώπινος πληθυσμός στη Γη: 6, άνθρωποι 39 (0,5) Πόσο είναι το συνολικό φορτίο Q που απελευθερώνεται από τον κεραυνό; 310 (0,5) Πόσο είναι το μέσο ρεύμα I που ρέει μεταξύ του κάτω μέρους του νέφους και του εδάφους κατά την διάρκεια του κεραυνού; 311 (1,0) Φανταστείτε ότι η ενέργεια από όλες τις καταιγίδες κατά τη διάρκεια ενός χρόνου συσσωρεύεται και κατανέμεται ισομερώς σε όλους τους ανθρώπους Για πόσο χρονικό διάστημα θα μπορούσατε να «ανάβετε» μια λάμπα 100 W για το μερίδιο που σας αντιστοιχεί;

5 Σελ 5 από 10 Τριχοειδή Aγγεία Ας υποθέσουμε πως το αίμα είναι ένα ασυμπίεστο ιξώδες υγρό με πυκνότητα μάζας μ παρόμοια με αυτή του νερού και δυναμικό ιξώδες = 4,5 gm 1 s 1 Μοντελοποιούμε τα τριχοειδή αγγεία σαν κυκλικούς ευθύγραμμους σωλήνες με ακτίνα r και μήκος L και περιγράφουμε τη ροή του αίματος με το νόμο του Poiseuille, p RD, τo υδροδυναμικό ανάλογο του νόμου του Ohm στον ηλεκτρισμό Εδώ το p είναι η μεταβολή της πίεσης μεταξύ της εισόδου και της εξόδου του αιμοφόρου αγγείου, D S είναι ο όγκος αίματος ανά μονάδα χρόνου που ρέει κάθετα μια διατομή ενός αγγείου εμβαδού S και είναι η ταχύτητα του αίματος Η υδραυλική αντίσταση R δίνεται από τον τύπο 8L R 4 r Για την κανονική κυκλοφορία του αίματος (αυτή από την αριστερή κοιλία στο δεξιό κόλπο της καρδιάς), η ροή του αίματος είναι D 100 cm 3 s 1 σε έναν άνθρωπο σε ηρεμία Απαντήστε τις ακόλουθες ερωτήσεις υποθέτοντας ότι όλα τα τριχοειδή αγγεία είναι ενωμένα παράλληλα και ότι το κάθε ένα από αυτά έχει ακτίνα r = 4 μm και μήκος L = 1 mm και λειτουργούν κάτω από διαφορά πίεσης p = 1 kpa 312 (1,0) Πόσα τριχοειδή αγγεία υπάρχουν στο ανθρώπινο σώμα; 313 (0,5) Πόση είναι η ταχύτητα με την οποία το αίμα ρέει μέσα από ένα τριχοειδές αγγείο;

6 Σελ 6 από 10 Ουρανοξύστης Στη βάση ενός ψηλού ουρανοξύστη ύψους 1000 m, η εξωτερκή θερμοκρασία είναι Τ bot = 30 C Ο στόχος σας είναι να υπολογίσετε την εξωτερική θερμοκρασία Τ top στην κορυφή Θεωρείστε ένα λεπτό στρώμα αέρα (ιδανικό αέριο αζώτου με αδιαβατικό συντελεστή = 7/5) που ανεβαίνει αργά μέχρι το ύψος z όπου η πίεση είναι μικρότερη και υποθέστε ότι αυτό το στρώμα αέρα εκτονώνεται αδιαβατικά μέχρις ότου η θερμοκρασία πέσει στην θερμοκρασία του αέρα που το περιβάλλει 314 (0,5) Πόση είναι η κλασματική μεταβολή στην θερμοκρασία dt / T που σχετίζεται με τον λόγο dp / p την κλασματική μεταβολή στην πίεση; 315 (0,5) Εκφράστε την μεταβολή της πίεσης dp ως συνάρτηση της μεταβολής του ύψους dz 316 (1,0) Ποια είναι η τιμή της θερμοκρασίας στην κορυφή του κτιρίου; Δεδομένα Σταθερά Boltzmann: k = 1, JK 1 Μάζα μορίου αζώτου: m = 4, kg Επιτάχυνση της βαρύτητας: g = 9,80 ms 2

7 Φύλλο Απαντήσεων Θεωρητικό Ζήτημα 3 Σελ 7 από 10 Country Code Student Code Question Number 3 Φύλλο απαντήσεων 31 Η καλύτερη χωρική ανάλυση είναι (τύπος:) x min Ψηφιακή Κάμερα For Examiners Use Only 07 που δίνει (αριθμητικά:) x min 03 για = 500 nm 32 Ο αριθμός των Mpix είναι N = Η καλύτερη τιμή για τον αριθμό F είναι F # = Η ελάχιστη απόσταση είναι z = 05

8 Φύλλο Απαντήσεων Θεωρητικό Ζήτημα 3 Σελ 8 από 10 Country Code Student Code Question Number Σφιχτο-βρασμένο αυγό 3 35 Η απαιτούμενη ενέργεια είναι: U For Examiners Use Only Η ένταση της θερμικής ακτινοβολίας είναι: J Ο ρυθμός της μεταβιβαζόμενης θερμότητας P Ο χρόνος που χρειάζεται για να πήξει καλά το αυγό είναι: 05

9 Φύλλο Απαντήσεων Θεωρητικό Ζήτημα 3 Σελ 9 από 10 Country Code Student Code Question Number 3 39 Το συνολικό φορτίο είναι Q Κεραυνός For Examiners Use Only Το μέσο ρεύμα είναι: I Ο λαμπτήρας θα άναβε για χρονική διάρκεια t 10 Τριχοειδή Αγγεία 312 Υπάρχουν N 10 τριχοειδή αγγεία στο ανθρώπινο σώμα 313 Το αίμα ρέει με ταχύτητα: 05

10 Φύλλο Απαντήσεων Θεωρητικό Ζήτημα 3 Σελ 10 από 10 Country Code Student Code Question Number 3 Ουρανοξύστης 314 Η κλασματική μεταβολή της θερμοκρασίας είναι: dt T For Examiners Use Only Η διαφορά πίεσης είναι dp = Η τελική θερμοκρασία στην κορυφή είναι T top = 10