BelPhO 2012, Областен етап — Задача 11-1. Новые Архимеды
Белорусская республиканская олимпиада по физике 2012 — III этап, теоретический тур, 9–11 классы
Внимание: Бележка към темата
9whole assignments across9/10/11cohorts and76lowest native requests. Complete available archive keys, tables, graphs, reference data and all52figures retained. Native printed signs, units, numerical/label discrepancies and source omissions preserved with separately attributed reader notes. Resonance question9 height-detuning graph absent from key; solution marked incomplete without invention. No further theoretical companion listed.
Республиканская физическая олимпиада (III этап), 2012 год — Теоретический тур
А.И. Слободянюк
А.А. Мищук
В.И. Анцулевич
Л.Г. Маркович
Условие
Молодой, но талантливый физик Федор (далее Федя), после просмотра программы «Что? Где? Когда?» решил сочинить собственный вопрос-задачу с черным ящиком — как, не заглядывая внутрь, определить что там находится. Идея пришла сразу — нужен «гидравлический черный ящик». Возьмем большую бочку, наполовину заполненную водой, и закроем ее крышкой с маленьким отверстием. Через отверстие пропустим прочную нить, к которой снизу прикрепим некоторой тело. Сверху с помощью чувствительного динамометра будем измерять силу натяжения нити, постепенно опуская и поднимая ее. Измеряя тем самым зависимость силы натяжения от координаты верхнего конца нити. Для ее измерения прикрепим к крышке бочки вертикальную линейку. Причем можно провести два измерения — при опускании и при подъеме тела!

Можно ли по измеренной зависимости восстановить форму тела? Подумавши, Федя решил, что эта задача не имеет однозначного решения. Поэтому ввел дополнительное условие — тело должно быть осесимметричным! Уж в этом случае задача должна иметь решение при условии, что ось тела все время остается вертикальной. Тем более, что форма осесиметричного тела определяется одной функцией — зависимостью радиуса от высоты над низом тела .

Решено — сделано! Федор приступает к апробации своей идеи. Соединяет два сплошных металлических цилиндра, прикрепляет сверху прочную бечевку и… решает провести сначала теоретические расчеты. Измеряет размеры: . Измеряет массу . Далее рассчитывает (естественно полагая, что , а плотность воды равна ) и строит график зависимости силы натяжения веревки от координаты верхней точки веревки.

11.1. Новые Архимеды
1 Постройте график зависимости силы натяжения веревки от координаты верхней точки веревки. Считайте, что сила натяжения стала изменяться после того, как веревка опустилась до .
2 Проведя эксперимент, Федя убедился, экспериментальные данные в пределах погрешности совпали с результатами расчетов. «Может провести эксперимент, поднимая груз со дна?» — подумал Федя и тут же отбросил эту идею — ничего нового не получится!
Далее Федор решил усложнить задачу — больно уж простой получилась зависимость. Во втором эксперименте Федя использовал сплошной конус высотой с углом полураствора , измеренная масса конуса равна . Постройте график зависимости силы натяжения нити от координаты для этого эксперимента.

3 И этот эксперимент подтвердил проведенные расчеты. Вдохновленный успехом, Федор решил разработать общую теорию решения обратной задачи — как по измеренной зависимости восстановить форму тела ? Оказалось, что задача имеет решение в общем виде! Допустим, что вам известен точный вид зависимости силы натяжения веревки . Выразите в общем виде функцию, описывающую форму тела .
4 Придя в восторг от полученных достижений, Федя решил продемонстрировать свое открытие другу Васе. Он подробно объяснил суть дела и предложил Васе самостоятельно, в тайне, изготовить любое осесимметричное тело (только такое, чтобы оно тонуло в воде), привязать его к веревке, опустить в бочку, просунув конец веревки через отверстие в крышке. Хитрый Вася согласился и всего через пять минут закончил все подготовительные работы, и предложил Феде провести свой эксперимент.
После тщательных измерений Федя построил график зависимости силы натяжения веревки от ее координаты. «Тоже мне друг называется!» — подумал Федя взглянув на график. И решил провести измерения при подъеме того же тела. Через несколько минут и второй график был готов. Полученные графики показаны на рисунке. «Эврика!» — воскликнул Федя и рассказал Васе, какое тело он изготовил и поместил в прибор. Определите форму тела, которое сделал Вася, найдите его размеры.

Решение
Вопрос1
Пока тело не начал опускаться в воду (для от нуля до5,0см), сила натяжения нити равна силе тяжести, действующей на тело:
При частичном погружении, на тело начинает действовать сила Архимеда, которая уменьшает силу натяжения веревки. Пока нижний цилиндр полностью не погрузился в воду (для от5,0см до20см) сила натяжения будет определяться формуле
При полном погружении нижнего цилиндра сила натяжения становится равной
После начала погружения верхнего цилиндра (при от20см до30см) сила натяжения будет уменьшаться медленнее, так как радиус этого цилиндра меньше:
При полном погружении тела сила натяжения уменьшиться до величины
График этой зависимости показан на рисунке.
Вопрос2
При погружении конуса сила натяжения веревки будет изменяться по закону
Для построения графика подставим численные значения:
где — в сантиметрах, — в ньютонах. График показан на рисунке.

Вопрос3
При погружении на малую величину сила Архимеда изменяется на величину
где — изменение объема погруженной части. На столько же уменьшается сила натяжения нити, поэтому
Из этого уравнения находим искомую формулу
где — производная от силы натяжения нити по координате. Заметим, что практическое применение этой формулы к экспериментальным данным затруднительно, так численный расчет производных выполняется с большими ошибками.
Часть4
Вася поместил цилиндр в легкую консервную банку, которая при опускании заполнилась водой, чем и объясняются полученные и графики и своеобразный «гистерезис» — различие между зависимостями при подъеме и опускании. Радиус банки примерно равен10см, ее высота20см, радиус вставленного цилиндра примерно5см.
Reader note: complete obtainable source packet and archive authority
Nine whole assignments belong to grades9,10,11, three in each cohort; repeated printed11.1 belongs to the distinct Railgun assignment and is retained. The52native-page pair is event-branded and retained by the archive; an independent organizer publication URL was not established, so every solution is attributed to the archive. The exact archive folder contains only this theoretical pair and the distinct experimental pair. No separate theory response form, numerical grading rubric or further theory companion is listed. Cover artwork remains in the native PDF; all52scientific/illustrative question/key crops are retained. Catalogue74parts is provisional; actual lowest native requests total76. No causal claim about the catalogue count is made.
Reader note: resonance answer gap
The native question9 asks for the maximum-height graph against detuning. The obtainable key has no such graph: its heading9 estimates the height error requested by question10. The available y(t) key graph is retained for question6. No missing height-detuning graph was invented; the resonance solution is explicitly incomplete.
Примечание читателя: 9.1. Простая задача про простые механизмы
В условии буквально напечатано «проигрываешь в работе»; это не исправлено на расстояние. Формула массы лебедки в архивном ключе после теряет деление на . В решении домкрата знак линейного члена в (2) расходится с (1), а переход (3) меняет отношение на . Все дальнейшие исходные формулы, численный результат, словесные единицы и график сохранены как напечатаны; эти замечания не являются исправленным решением.
Примечание читателя: 9.2. Убойная задача про убойные механизмы
В исходном рисунке условия подпись точки — , хотя текст использует ; в рисунке ключа вертикальная ось подписана . В первом произведении (12) ключа отсутствует деление на , которое присутствует в последующих членах. Номер (15) повторен, а ссылка (13) в обсуждении отклонения сохранена буквально.
Примечание читателя: 9.3. Большая теплая задача про тепловые большие механизмы
В справочных данных теплоемкость воды , а в первом расчете ключа ; оба значения оставлены. Исходная формула теплопроводности дана для единичного сечения, однако в ответе2.2.3 ключ не умножает ее на площадь данного стержня и печатает . Это исходное расхождение, а не исправленный расчет.
Примечание читателя: 10.1. Лихач (не задирай носа)
В ключе используется . Формула (16) не содержит множителя в знаменателе, а следующая численная подстановка содержит. В обсуждении старта с пробуксовкой единица ускорения буквально ; нумерация (13) повторяется. Эти исходные расхождения сохранены.
Примечание читателя: 10.2. Две трубы, два поршня, две части…
Первое обозначение ключа «2.1.2.2» относится к воздушным вопросам1.1/1.2. Отрицательная формула изменения давления и положительное число напечатаны вместе; в (8) стоит , в (10) . Число в (13) расходится с формулой и исходными данными. Во второй части сохраняются та же положительная сила и знаки сил, но текст называет стержень растянутым, тогда как первая часть — сжатым. Нумерация формул и замена заданной массы на в ключе оставлены. Эти замечания обозначают источник, без подмены напечатанного решения.
Примечание читателя: 10.3. В чем причина появления поверхностной энергии?
Заголовок ключа говорит о поверхностном натяжении, условие — об энергии. В (7) ключа смешаны и . В таблице клетка буквально имеет показатель и дополнительный конечный штрих, сохраненный как тире; эта клетка расходится с формулой коэффициента. В дополнительном выводе буквально , суммирование «от нуля», а положительный линейный член квадратичной энергии расходится с указанным положительным положением минимума. В (12) стоит , на рисунке . В (15) вместо табличного подставлено , равное табличному . Положительные деформации (18)–(19) сопровождаются словом «сжатие»; арифметика (21) дает знак, противоположный напечатанному. Все исходные знаки, значения, слова, добавочные выводы и заключение сохранены без исправления.
Примечание читателя: 11.1. Новые Архимеды
В формуле (4) напечатано , тогда как график непрерывен после завершения погружения нижнего цилиндра и предыдущее значение — . В конусе ключ использует , условие ; начало отсчета в формуле конуса отдельно не поясняется. Вопрос требует , ключ печатает без явного преобразования координат. Все исходные формулы и оба измеренных графика сохранены.
Примечание читателя: 11.2. Резонанс
Последний напечатанный пункт9 ключа является оценкой ошибки, запрошенной в вопросе10. Для вопроса9 отдельный график высоты от расстройки в полностью прочитанных страницах23–24 отсутствует; он не придуман. В вопросе7 напечатаны вместе количество ударов и слово «время»; ключ дает . Формулы моментов столкновений и график сохраняют исходную приблизительную нумерацию и значения.
Примечание читателя: 11.1 (третий вопрос). «Railgun»
Этот третий самостоятельный вопрос11класса исходно озаглавлен «Задача1», в ключе «11.1», как и предыдущие «Новые Архимеды»; два разных задания сохранены отдельно. В производной (5) ключ меняет степени знаменателя; в (21) второй переход вводит дополнительный множитель2, переносимый в (25). Исходные знаки силы, формулы скоростей, описание притяжения/отталкивания и объяснение энергетической оговорки сохранены буквально, без исправленного вывода.
Оригинал в Архива: 3_etap_2012_theoretical_problems.pdf · решение от архива: 3_etap_2012_theoretical_solutions.pdf