T1-S_Solution_marking_scheme
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T1-S_Solution_marking_scheme
IPhO 2016 Q1 Solution
Problem1:Solution/markingscheme??TwoProblemsinMechanics(10points)
PartA.TheHiddenDisk(3.5points)A1(0.8pt)Findanexpressionforbasafunctionofthequantities(1),theangleφandthetiltingangleΘofthebase.SolutionA1:
Geometricsolution:usethattorquewithrespecttopointofcontactis0?cen-terofgravityhastobeverticallyabovepointofcontact.
sinφ=
sinΘ=DbD
r1[0.8]0.30.3
HereDmaybecalledanothername.Solvethis:
sinφ=r1r1sinΘsinΘ?b=bsinφ0.2
Alternative:Torqueandforceswithrespecttoanotherpoint:CorrectequationfortorqueCorrectequationforforceCorrectsolution[0.8]0.30.30.2A2(0.5pt)Findtheequationofmotionfor?.ExpressthemomentofinertiaISofthecylinderarounditssymmetryaxisSintermsofT,bandtheknownquantities(1).Youmayassumethatweareonlydisturbingtheequilibriumpositionbyasmallamountsothat?isalwaysverysmall.SolutionA2:
Writesomeequationoftheform?=?ω2?
Writinganequationoftheform?=Acosωtisalsocorrect.Twosolutions:
1.Kineticenergy:1˙2andpotentialenergy:?bMgcos?.Totalenergyiscon-IS?
served,anddi??erentiationw.r.t.timegivestheequationofmotion.
2.Angularequationofmotionfromtorque,τ=IS?=?Mgbsin?.
Correctequation(eitherenergyconservationortorqueequationofmotion)Finalanswer??ISMgbT2
T=2π?IS=Mgb4π[0.5]0.10.30.1
1
MasswrongFactor1/2wronginformulaformomentofinertiaofadiskCorrectanswerformomentofinertiaof`excess'disk:
14I2=πh2(ρ2?ρ1)r22
UsingSteiner'stheorem:
2IS=I1+I2+d2πr2h2(ρ2?ρ1)[0.7]0.2-0.1-0.10.20.1
correctsolution:
11b2M244IS=πh1ρ1r1+πh2(ρ2?ρ1)r2+22πr2h2(ρ2?ρ1)0.2
2
itcorrectly:2ρhM?πr111h2=πr2(ρ2?ρ1)0.2PartB.RotatingSpaceStation(6.5points)
B1(0.5pt)AtwhatangularfrequencyωssdoesthespacestationrotatesothattheastronautsexperiencethesamegravitygEasontheEarth'ssurface?
SolutionB1:
Anequationforthecentrifugalforcealongthelinesof
Fce=mω2r[0.5]0.1
3
IPhO 2016 Q1 Solution
Balancingtheforces,correctequation
2gE=ωssR0.2
0.2Correctsolutionωss??=gE/R
B2(0.2pt)AssumingthatonEarthgravityisconstantwithaccelerationgE,whatwouldbetheangularoscillationfrequencyωEthatapersononEarthwouldmeasure?SolutionB2:
RealizethatresultisindependentofgE
Correctresult:??ωE=k/m[0.2]0.10.1B3(0.6pt)WhatangularoscillationfrequencyωdoesAlicemeasureonthespacestation?SolutionB3:
someversionofthecorrectequationforforce
2F=?kxmωssx[0.6]0.2
0.2gettingthesignright2xF=?kx+mωss
Findcorrectdi??erentialequation
2mx+(k?mωss)x=00.1
0.1Derivecorrectresult??ω=k/m?ωss
http://www.wendangwang.cominggE/Rinsteadofωss
B4(0.8pt)DeriveanexpressionofthegravitygE(h)forsmallheightshabovethesurfaceoftheEarthandcomputetheoscillationfrequencyω?E(linearapproximationisenough).TheradiusoftheEarthisgivenbyRE.
4
B6(1.1pt)Calculatethehorizontalvelocityvxandthehorizontaldisplacementdx(relativetothebaseofthetower,inthedirectionperpendiculartothetower)ofthemassatthemomentithitsthe??oor.YoumayassumethattheheightHofthetowerissmall,sothattheaccelerationasmeasuredbytheastronautsisconstantduringthefall.Also,youmayassumethatdx??H.
5
IPhO 2016 Q1 Solution
SolutionB6:
Thereareseveralpossiblesolutions.Solutionone??UsingCoriolisforce
?Velocityvx
EquationforCoriolisforcewithcorrectvelocity:
23
FC(t)=2mωssRtωss=2mωssRt
[1.1]
0.10.20.20.1
Integratethis,orrealizethatitislikeuniformaccelerationforthevelocity:
3
vx(t)=ωssRt2
plugincorrectvaluefor
t=
overallcorrectresult
??
R2H/ωss
vx=2Hωss
?Thedisplacementdx:
133dx=Rωsst
3
Insteadofintegrating,studentsmaysimply`average'bytaking1ofthe??nal
1
velocity.Thisgivesafactorof1insteadof.Deductatotalof0.1ptsforthis.Pluginvaluefort
11132
dx=Rωss(2H/ωssR)3/2=23/2H3/2R?1/2=
333
??
Integratevx(t):
0.3-0.1
8H3
R
0.2
Solutiontwo??UsinginertialframeThissolutionissimilartothewaytosolveB7,butneedsmorecomplicatedapproximationsthanSolutionone.
?vx
Hereφdenotestheanglesweptbythemassandαtheangletheastronauts(andtower)hasrotatedwhenthemasslandsonthe??oor,see
Initiallythevelocityofthemassinaninertialframeisvx=ωss(R?H).
Whenthemasslands,thex-directionhasbeenrotatedbyφsothenewhorizontalvelocitycomponentisthen
ωss(R?H)cosφ
(Studentmayalsowritecosαinsteadofcosφ,sincedx??H.)
cosφ=
HR?H
=1?RR
0.10.10.10.1
Transformingtotherotatingreferenceframe,oneneedstosubtractωssR.Finallyinthereferenceframeoftheastronauts
?? ??
H2H
vx=ωssR1??ωssR≈ωssR1?2?ωssR=?2ωssH
RR
Thesignofthevelocitydependonthechoiceofreferencedirection,soapositive
signisalsocorrect.
6
0.2
Themasstravelsthedistancel,andduringthefallthespacestationrotatesbyφ,seeFigure2.Accordingtotheintersectingchordtheorem,
l2=H(2R?H)
Therotatedangleisφ=ωsstwhere
t=
isthefalltime.Thus
φ=??lR?H0.10.1-0.10.10.10.3R?H0.1
0.1????dl=φ?arcsin=?arcsinx(2?x)RRR?H
7
IPhO 2016 Q1 Solution
Figure1:Notationforsolution
two
Figure2:Notationforsolutionthree.Denotex≡H/Randy≡Since
y3
arcsiny≈y+6
onegetsd2≈y(1+x)?y?y3/6=y(x?y2/6)≈2xy/3≈2x3=R3
Finalanswer√??2HR0.1B7(1.3pt)Findalowerboundfortheheightofthetowerforwhichitcanhappenthatdx=0.
SolutionB7:
Thekeyistouseanon-rotatingframeofreference.Ifthemassisreleasedcloseenough[1.3]
8
IPhO 2016 Q1 Solution
tothecenter,itslinearvelocitywillbesmallenoughforthespacestationtorotatemorethan2πbeforeithitstheground.Thevelocityisgivenby
v=ωss(R?H)
distancedthatthemass??iesbeforehittingthespacestation
d2=R2?(R?H)2
usenon-rotatingframeofreferencetoobtaintimetuntilimpact??t=d/v=ωss(R?H)
NowthereareseveralpossiblewaystorelateHandtherotatedangleφofthespacestation:Solutionone
Rsinφ
ωssRcosφ
Thistimemustmatcht=φ/ωss.Obtaintheequationt=
φ=tanφ
Realizingthatthereisanin??nitenumberofsolutions.Thisequationhasonetrivialsolutionφ=0,nextsolutionisslightlylessthan3π/2whichcorrespondstothecaseHR(andisthusnotcorrect).TheonethatgivesalowerboundforHisthethirdsolution
φ≈5π/2
Theequationφ=tanφcanbesolvedgraphicallyornumericallytoobtainaclosevalue(φ=7.725rad)whichmeans
H/R=(1?cosφ)≈0.871
Givepointsifthemethodiscorrect,dependingonthevalueofH/Rfound,accordingtotheseintervals:
0.85≤H/R≤0.88:0.4pts
0.5≤H/R0.85:0.3pts
00.5orH0.88:0.2pts
H=0ormethodisincorrect:0pts
SolutiontworelationbetweenHandrotatedangleφ
R?H=cosφR
??????H=1?cosR1?H/R
√??1?(1?x)Figure3givesaplotoff(x)=1?cos.Thegoalisto??ndanapproximatesolutionforthesecondintersection.The??rstintersectionisdiscarded??itisintroducedbecauseofcosφ=cos(?φ)andcorrespondstoasituationwithHR.Realizingthatthereisanin??nitenumberofsolutions.obtainequationoftheform0.10.10.10.20.20.20.40.20.20.2
9
Usethesamepointsforthenumericalansweraswasmentionedinsolutionone.Ifthestudentplotsfratherthang,??ndsolutiontof=1:isequivalenttothesolutionabove.Givesamenumberofpoints.????√Itisalsopossibletousecos=sin(1/x).0.4
B8(1.7pt)Alicepullsthemassadistanceddownwardsfromtheequilibriumpointx=0,y=0,andthenletsitgo(see??gure4).
10
IPhO 2016 Q1 Solution
[1.7]
-0.1-0.1
0.1
0.20.1
0.20.10.10.1
0.2
11
IPhO 2016 Q1 Solution
Correctqualitativesketch:periodicmotion
overallconstantmovement
B):cusps0.10.10.1
Andadditionallycorrectquantitativesketch:
A)+B):peaksandcuspsareaty=d
C):cuspsareatdistance?x=4πωssdfromeachotherω0.10.2
12
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