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T1-S_Solution_marking_scheme

上传者:刘丽华
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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

  T1-S_Solution_marking_scheme1

  Figure1:Notationforsolution

  T1-S_Solution_marking_scheme2

  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

  T1-S_Solution_marking_scheme3

  [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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