BelPhO 2016, Областен етап — Задача 11-1.1. 11 класс · Задание 1. Разминка. Как будет лучше? · Задача 1.1
Республиканская физическая олимпиада 2016 · III этап · Теоретический тур · 9–11 классы
Внимание: Бележка към темата
Полный оригинал содержит девять заданий: по три для 9, 10 и 11 классов. Каждая разминка прямо объявляет три не связанные между собой задачи; эти девять самостоятельных задач и шесть остальных связанных заданий представлены пятнадцатью отдельными задачами. Общие указания к комплекту и общее примечание к разминке сохранены на первой задаче соответствующего класса и доступны по ссылкам. В тексте сохранены печатные обозначения, все вопросы, методы решений и четыре графических бланка. На обложке 11 класса указаны семь частей, связанных общей идеей; далее напечатаны три задания, а разминка прямо названа тремя несвязанными задачами. Название «Made in Chine», ошибочные ссылки и формулы официального ключа сохранены буквально. В частности, в ключе Ф-сопротивления напечатано I_AB I_AD; в ключе накачки используется V2; в ключе газировки V0=ν0RT; в ключе цикла индексы T3/P3; в ключе газа произведение (T̄/T0)(P/P0) и положительное расширение после теплового равновесия. Это текст исходного ключа. Имена авторов и балльная рубрика в данном оригинале не напечатаны.
Условие
УТВЕРЖДАЮ
Заместитель председателя оргкомитета заключительного этапа Республиканской олимпиады Заместитель Министра образования
____________________ Р.С.Сидоренко
«___» декабря 2015 г.
Республиканская физическая олимпиада 2016 год.
(III этап)
Теоретический тур
11 класс.
Полный комплект состоит из семи частей, связанных общей идеей.
При оформлении работы каждую задачу начинайте с новой страницы. Первая половина тетради предназначена для чистовика, вторая - для черновика. При недостатке бумаги обращайтесь к оргкомитету!
Подписывать тетради и отдельные страницы запрещается.
В ходе работы можете использовать ручки, карандаши, чертежные принадлежности, калькулятор.
Со всеми вопросами, связанными с условиями задач (но не с их решениями), обращайтесь к представителям Жюри.
Постарайтесь внимательно прочитать условия задач!
Может вам покажется, что условия задач слишком длинные. Но мы сочинили их такими, чтобы Вам было легче решать. Поверьте, иногда решения короче таких условий! Не теряйте присутствия духа, смело беритесь за решение каждой задачи. Помните, оцениваются не только полные решения, но и их отдельные части и даже отдельные здравые мысли.

Это задание состоит из 3 не связанных между собой задач.
1.1
Фермер находится в колосистом поле в точке А, как показано на рисунке 1, и хочет попасть к себе домой в точку С. Известно, что при движении в любом направлении по колосистому полю скорость фермера равна , а при движении по проселочной дороге BC его скорость равна . По какой траектории фермер быстрее всего доберется домой?

Примечание
Если малые относительные изменения двух одновременно изменяющихся функций противоположны, то есть , то произведение этих функций будет сохраняться: .
Решение
11 класс
Задание 1. Разминка. Как будет лучше?
1.1.
По какой бы траектории фермер не двигался, часть пути ему будет необходимо преодолеть по полю. Достичь какой-либо точки на поле из точки быстрее всего будет, конечно же, по прямой, так как в этом случае длина пути минимальна. Далее, если в какой-то момент времени фермер оказался на проселочной дороге, то дальше ему, очевидно, выгоднее идти домой в точку именно по ней, так как скорость движения фермера по дороге выше, чем по полю. Таким образом, оптимальная траектория фермера может быть только отрезком по полю или состоять из отрезка до некоторой точки на дороге и отрезка по дороге (рисунок 1). Обе описанных траектории можно свести к движению по ломаной , точка которой находится на дороге на некотором расстоянии от точки . В предельном случае движения только по полю .

Определим, при каком расстоянии время движения будет минимально. Для этого напишем выражение для этого времени:
Здесь мы ввели обозначения , . Для определения минимального времени посчитаем производную и приравняем ее к нулю:
Отсюда:
Математически равенство нулю не гарантирует то, что полученный результат является точкой минимума функции, а лишь указывает на наличие экстремума. Впрочем, минимум функции должен явно существовать на участке из физических соображений, а формула (2) дает единственную возможную ситуацию расположения такого минимума.
Отметим, что этот же результат можно было получить, не используя аппарат вычисления производной. Для этого выражение (1) можно преобразовать к виду квадратного уравнения относительно переменной . Такое уравнение не должно иметь корней для случая , так как «быстрее минимального времени» до дома добраться нельзя. Пограничный случай тогда будет соответствовать ситуации, когда дискриминант описанного квадратного уравнения равен нулю. Выполнение этого требования путем математических преобразований приводит к тому же результату (2).
Таким образом, получаем ответ. Для наиболее быстрого пути домой фермеру необходимо двигаться вначале по полю по прямой к точке , расположенной на дороге на расстоянии от точки , а затем по проселочной дороге до дома в точке . Другими словами, фермер должен двигаться по полю под углом к дороге, а дальше продолжить движение к дому по ней.
Альтернативный способ: Согласно принципу Ферма в оптике, свет движется из начальной точки в конечную по пути, соответствующем минимальному времени движения. Данный принцип можно применить для решения данной задачи. Предположим, что дорога – это граница раздела двух сред, в которых свет распространяется со скоростями и соответственно. Тогда показатели преломления этих сред и . Мы будем пытаться определить траекторию луча, движущегося из точки в точку , которая, согласно принципу Ферма, обеспечит минимальное время движения. Логично предполагая, что фермер хотя бы в самом конце пути к дому будет двигаться по проселочной дороге, получаем, что луч света часть пути должен распространяться вдоль границы двух сред. Такая ситуация реализуется при критическом угле падения на границу сред, при превышении которого в оптике происходит явление полного внутреннего отражения. Получаем, что для достижения минимального времени фермер, как и луч света, должен двигаться под углом к прямой (нормали к дороге), который можно рассчитать, используя выражение:
Отсюда – угол между направлением движения фермера и нормалью или – угол между направлением движения фермера по полю и дорогой.
Как видно, результаты альтернативных способов решения совпадают.
Оригинал в Архива: 3_etap_2016_theoretical_problems.pdf · официални решения: 3_etap_2016_theoretical_solutions.pdf