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 T(x)T(x) 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!

Гидравлический черный ящик с динамометром

Можно ли по измеренной зависимости T(x)T(x) 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 r(z)r(z).

Осесимметричное тело с координатами r z

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: R1=10,0 см,R2=5,0 см,h1=15 см,h2=10 смR_1=10{,}0\,\text{см},R_2=5{,}0\,\text{см},h_1=15\,\text{см},h_2=10\,\text{см}. Измеряет массу m=20 кгm=20\,\text{кг}. Далее рассчитывает (естественно полагая, что g=10 м/с2g=10\,\text{м/с}^2, а плотность воды равна ρ=1,0⋅103 кг/м3\rho=1{,}0\cdot10^3\,\text{кг/м}^3) и строит график зависимости силы натяжения веревки от координаты верхней точки веревки.

Два соединенных цилиндра с размерами R1 R2 h1 h2

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 x0=5,0 смx_0=5{,}0\,\text{см}.

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 h=17 смh=17\,\text{см} с углом полураствора α=20∘\alpha=20^\circ, измеренная масса конуса равна m=7,5 кгm=7{,}5\,\text{кг}. Постройте график зависимости силы натяжения нити T(x)T(x) от координаты xx для этого эксперимента.

Конус с углом полураствора alpha и высотой h

3 И этот эксперимент подтвердил проведенные расчеты. Вдохновленный успехом, Федор решил разработать общую теорию решения обратной задачи — как по измеренной зависимости T(x)T(x) восстановить форму тела r(z)r(z)? Оказалось, что задача имеет решение в общем виде! Допустим, что вам известен точный вид зависимости силы натяжения веревки T(x)T(x). Выразите в общем виде функцию, описывающую форму тела r(z)r(z).

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.

Измеренные графики T(x) при опускании и подъеме

Решение

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 F0L=mghF_0L=mgh теряет деление на gg. В решении домкрата знак линейного члена в (2) расходится с (1), а переход (3) меняет отношение x/yx/y на y/xy/x. 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 — (x1,y1)(x_1,y_1), хотя текст использует (x1,z1)(x_1,z_1); в рисунке ключа вертикальная ось подписана yy. В первом произведении (12) ключа отсутствует деление на gg, 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 4,2⋅1034{,}2\cdot10^3, а в первом расчете ключа 4,21⋅1034{,}21\cdot10^3; 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 2,7⋅103 Вт2{,}7\cdot10^3\,\text{Вт}. Это исходное расхождение, а не исправленный расчет.

Примечание читателя: 10.1. Лихач (не задирай носа)

В ключе используется g=9,81 м/с2g=9{,}81\,\text{м/с}^2. Формула (16) не содержит множителя ll в знаменателе, а следующая численная подстановка содержит. В обсуждении старта с пробуксовкой единица ускорения буквально м/с\text{м/с}; 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 5,6 кПа5{,}6\,\text{кПа} напечатаны вместе; в (8) стоит p2+Δpp_2+\Delta p, в (10) V/V1V/V_1. Число 4,5 кг4{,}5\,\text{кг} в (13) расходится с формулой и исходными данными. Во второй части сохраняются та же положительная сила TT и знаки сил, но текст называет стержень растянутым, тогда как первая часть — сжатым. Нумерация формул и замена заданной массы mm на MM 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 ε\varepsilon и δ\delta. В таблице клетка u5u_5 буквально имеет показатель −5-5 и дополнительный конечный штрих, сохраненный как тире; эта клетка расходится с формулой коэффициента. В дополнительном выводе буквально δ=nr0\delta=nr_0, суммирование «от нуля», а положительный линейный член квадратичной энергии расходится с указанным положительным положением минимума. В (12) стоит F23F_{23}, на рисунке F13F_{13}. В (15) вместо табличного s2s_2 подставлено 2,66⋅10−22{,}66\cdot10^{-2}, равное табличному c2c_2. 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 T0T_0, тогда как график непрерывен после завершения погружения нижнего цилиндра и предыдущее значение — T1T_1. В конусе ключ использует θ\theta, условие α\alpha; начало отсчета в формуле конуса отдельно не поясняется. Вопрос требует r(z)r(z), ключ печатает r(x)r(x) 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 kk. 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