International Physics Olympiad
IPhO 1983
Bucharest, Romania · 5 theory problems with complete solutions
Problem 1: Jumping particle
A particle moves along the positive axis \(Ox\) (one-dimensional situation) under a force that’s projection on \(Ox\) is \(F_x=F_0\) as represented in the figure below (as function of \(x\)). At the origin of \(Ox\) axis is placed a perfectly reflecting wall.
A friction force of constant modulus \(F_f=1{,}00\,N\) acts anywhere the particle is situated.
The particle starts from the point \(x=x_0=1{,}00\,m\) having the kinetic energy \(E_c=10{,}0\,J\).
a. Find the length of the path of the particle before it comes to a final stop
b. Sketch the potential energy \(U(x)\) of the particle in the force field \(F_x\).
c. Draw qualitatively the dependence of the particle speed as function of his coordinate \(x\).

Official English text of the problem.
Problem 2: Different kind of oscillation
Let’s consider the electric circuit in the figure, for which \(L_1=10\,mH\), \(L_2=20\,mH\), \(C_1=10\,nF\), \(C_2=5\,nF\) and \(R=100\,k\Omega\). The switch \(K\) being closed the circuit is coupled with a source of alternating current. The current furnished by the source has constant intensity while the frequency of the current may be varied.

a. Find the ratio of frequency \(f_m\) for which the active power in circuit has the maximum value \(P_m\) and the frequency difference \(\Delta f=f_+-f_-\) of the frequencies \(f_+\) and \(f_-\) for which the active power in the circuit is half of the maximum power \(P_m\).
The switch \(K\) is now open. In the moment \(t_0\) immediately after the switch is open the intensities of the currents in the coils \(L_1\) and \(L_2\) are \(i_{01}=0{,}1\,A\) and \(i_{02}=0{,}2\,A\) (the currents flow as in the figure); at the same moment, the potential difference on the capacitor with capacity \(C_1\) is \(u_0=40\,V\) :

b. Calculate the frequency of electromagnetic oscillation in \(L_1C_1C_2L_2\) circuit;
c. Determine the intensity of the electric current in the \(AB\) conductor;
d. Calculate the amplitude of the oscillation of the intensity of electric current in the coil \(L_1\).
Neglect the mutual induction of the coils, and the electric resistance of the conductors. Neglect the fast transition phenomena occurring when the switch is closed or opened.
Official English text of the problem.
Problem 3: Prisms
Two dispersive prisms having apex angles \(\hat A_1=60^\circ\) and \(\hat A_2=30^\circ\) are glued as in the figure below \((\hat C=90^\circ)\). The dependences of refraction indexes of the prisms on the wavelength are given by the relations
\[ n_1(\lambda)=a_1+\frac{b_1}{\lambda^2}; \]
\[ n_2(\lambda)=a_2+\frac{b_2}{\lambda^2} \]
were
\[ a_1=1{,}1,\quad b_1=1\cdot10^5\,nm^2,\quad a_2=1{,}3,\quad b_2=5\cdot10^4\,nm^2. \]

a. Determine the wavelength \(\lambda_0\) of the incident radiation that pass through the prisms without refraction on \(AC\) face at any incident angle; determine the corresponding refraction indexes of the prisms.
b. Draw the ray path in the system of prisms for three different radiations \(\lambda_{red},\lambda_0,\lambda_{violet}\) incident on the system at the same angle.
c. Determine the minimum deviation angle in the system for a ray having the wavelength \(\lambda_0\).
d. Calculate the wavelength of the ray that penetrates and exits the system along directions parallel to \(DC\).
Official English text of the problem.
Problem 4: Compton scattering
A photon of wavelength \(\lambda_i\) is scattered by a moving, free electron. As a result the electron stops and the resulting photon of wavelength \(\lambda_0\) scattered at an angle \(\theta=60^\circ\) with respect to the direction of the incident photon, is again scattered by a second free electron at rest. In this second scattering process a photon with wavelength of \(\lambda_f=1{,}25\times10^{-10}\,m\) emerges at an angle \(\theta=60^\circ\) with respect to the direction of the photon of wavelength \(\lambda_0\). Find the de Broglie wavelength for the first electron before the interaction. The following constants are known:
\(h=6{,}6\times10^{-34}\,J\cdot s\) - Planck’s constant
\(m=9{,}1\times10^{-31}\,kg\) - mass oh the electron
\(c=3{,}0\times10^8\,m/s\) - speed of light in vacuumThe purpose of the problem is to calculate the values of the speed, momentum and wavelength of the first electron.
To characterize the photons the following notation are used:
Table 4.1
initial photon photon – after the first scattering final photon momentum \(\vec p_i\) \(\vec p_0\) \(\vec p_f\) energy \(E_i\) \(E_0\) \(E_f\) wavelength \(\lambda_i\) \(\lambda_i\) \(\lambda_f\) To characterize the electrons one uses
Table 4.2
first electron before collision first electron after collision second electron before collision Second electron after collision momentum \(\vec p_{1e}\) \(0\) \(0\) \(\vec p_{2e}\) energy \(E_{1e}\) \(E_{0e}\) \(E_{0e}\) \(E_{2e}\) speed \(\vec v_{1e}\) \(0\) \(0\) \(\vec v_{2e}\) Official English text of the problem.
Problem 5: IPhO's logo
The Logo of the International Physics Olympiad is represented in the figure below.
The figure presents the phenomenon of the curving of the trajectory of a jet of fluid around the shape of a cylindrical surface. The trajectory of fluid is not like the expected dashed line but as the circular solid line.
Qualitatively explain this phenomenon (first observed by Romanian engineer Henry Coanda in 1936).This problem will be not considered in the general score of the Olympiad. The best solution will be awarded a special prize.

Official English text of the problem.
Internationale Physik-Olympiade
IPhO 1983
Bukarest, Rumänien · 5 Theorieaufgaben mit vollständigen Lösungen
Aufgabe 1: Springendes Teilchen
Ein Teilchen bewegt sich entlang der positiven Achse \(Ox\) (eindimensionale Situation) unter dem Einfluss einer Kraft, deren Komponente entlang \(Ox\) \(F_x=F_0\) beträgt und in der folgenden Abbildung (als Funktion von \(x\)) dargestellt ist. Am Ursprung der Achse \(Ox\) befindet sich eine vollkommen reflektierende Wand.
Überall, wo sich das Teilchen befindet, wirkt eine Reibungskraft mit dem konstanten Betrag \(F_f=1{,}00\,N\).
Das Teilchen startet am Punkt \(x=x_0=1{,}00\,m\) mit der kinetischen Energie \(E_c=10{,}0\,J\).
a. Bestimmen Sie die Länge des Weges, den das Teilchen zurücklegt, bevor es endgültig zum Stillstand kommt
b. Skizzieren Sie die potenzielle Energie \(U(x)\) des Teilchens im Kraftfeld \(F_x\).
c. Zeichnen Sie qualitativ den Betrag der Geschwindigkeit des Teilchens als Funktion seiner Koordinate \(x\).

Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Aufgabe 2: Eine andere Art von Schwingung
Wir betrachten den elektrischen Stromkreis in der Abbildung, für den \(L_1=10\,mH\), \(L_2=20\,mH\), \(C_1=10\,nF\), \(C_2=5\,nF\) und \(R=100\,k\Omega\) gelten. Bei geschlossenem Schalter \(K\) ist der Stromkreis an eine Wechselstromquelle angeschlossen. Der von der Quelle gelieferte Strom hat eine konstante Stromstärke, während seine Frequenz verändert werden kann.

a. Bestimmen Sie das Verhältnis der Frequenz \(f_m\), bei der die Wirkleistung im Stromkreis ihren Maximalwert \(P_m\) erreicht, zur Frequenzdifferenz \(\Delta f=f_+-f_-\) der Frequenzen \(f_+\) und \(f_-\), bei denen die Wirkleistung im Stromkreis die Hälfte der maximalen Leistung \(P_m\) beträgt.
Der Schalter \(K\) wird nun geöffnet. Zum Zeitpunkt \(t_0\) unmittelbar nach dem Öffnen des Schalters sind die Stromstärken in den Spulen \(L_1\) und \(L_2\) gleich \(i_{01}=0{,}1\,A\) und \(i_{02}=0{,}2\,A\) (die Ströme fließen wie in der Abbildung angegeben); zum selben Zeitpunkt beträgt die Spannung am Kondensator mit der Kapazität \(C_1\) genau \(u_0=40\,V\):

b. Berechnen Sie die Frequenz der elektromagnetischen Schwingung im Stromkreis \(L_1C_1C_2L_2\);
c. Bestimmen Sie die elektrische Stromstärke im Leiter \(AB\);
d. Berechnen Sie die Schwingungsamplitude der elektrischen Stromstärke in der Spule \(L_1\).
Vernachlässigen Sie die gegenseitige Induktion der Spulen und den elektrischen Widerstand der Leiter. Vernachlässigen Sie die schnellen Übergangsvorgänge beim Schließen oder Öffnen des Schalters.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Aufgabe 3: Prismen
Zwei dispergierende Prismen mit den brechenden Winkeln \(\hat A_1=60^\circ\) und \(\hat A_2=30^\circ\) sind wie in der folgenden Abbildung miteinander verklebt \((\hat C=90^\circ)\). Die Abhängigkeiten der Brechungsindizes der Prismen von der Wellenlänge sind durch die Beziehungen
\[ n_1(\lambda)=a_1+\frac{b_1}{\lambda^2}; \]
\[ n_2(\lambda)=a_2+\frac{b_2}{\lambda^2} \]
gegeben, wobei
\[ a_1=1{,}1,\quad b_1=1\cdot10^5\,nm^2,\quad a_2=1{,}3,\quad b_2=5\cdot10^4\,nm^2. \]

a. Bestimmen Sie die Wellenlänge \(\lambda_0\) der einfallenden Strahlung, die bei jedem Einfallswinkel ohne Brechung an der Fläche \(AC\) durch die Prismen hindurchtritt; bestimmen Sie die zugehörigen Brechungsindizes der Prismen.
b. Zeichnen Sie den Strahlengang im Prismensystem für drei verschiedene Strahlungen \(\lambda_{red},\lambda_0,\lambda_{violet}\), die unter demselben Winkel auf das System einfallen.
c. Bestimmen Sie den minimalen Ablenkwinkel im System für einen Strahl mit der Wellenlänge \(\lambda_0\).
d. Berechnen Sie die Wellenlänge des Strahls, der in Richtungen parallel zu \(DC\) in das System eintritt und aus ihm austritt.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Aufgabe 4: Compton-Streuung
Ein Photon der Wellenlänge \(\lambda_i\) wird an einem bewegten, freien Elektron gestreut. Dabei kommt das Elektron zum Stillstand, und das entstandene Photon der Wellenlänge \(\lambda_0\), das unter einem Winkel von \(\theta=60^\circ\) zur Richtung des einfallenden Photons gestreut wurde, wird erneut an einem zweiten freien, ruhenden Elektron gestreut. Bei diesem zweiten Streuprozess tritt ein Photon mit der Wellenlänge \(\lambda_f=1{,}25\times10^{-10}\,m\) unter einem Winkel von \(\theta=60^\circ\) zur Richtung des Photons der Wellenlänge \(\lambda_0\) aus. Bestimmen Sie die De-Broglie-Wellenlänge des ersten Elektrons vor der Wechselwirkung. Die folgenden Konstanten sind bekannt:
\(h=6{,}6\times10^{-34}\,J\cdot s\) - Plancksches Wirkungsquantum
\(m=9{,}1\times10^{-31}\,kg\) - Masse des Elektrons
\(c=3{,}0\times10^8\,m/s\) - Lichtgeschwindigkeit im VakuumZiel der Aufgabe ist es, die Werte der Geschwindigkeit, des Impulses und der Wellenlänge des ersten Elektrons zu berechnen.
Zur Beschreibung der Photonen werden die folgenden Bezeichnungen verwendet:
Tabelle 4.1
einfallendes Photon Photon – nach der ersten Streuung auslaufendes Photon Impuls \(\vec p_i\) \(\vec p_0\) \(\vec p_f\) Energie \(E_i\) \(E_0\) \(E_f\) Wellenlänge \(\lambda_i\) \(\lambda_i\) \(\lambda_f\) Zur Beschreibung der Elektronen verwendet man
Tabelle 4.2
erstes Elektron vor dem Stoß erstes Elektron nach dem Stoß zweites Elektron vor dem Stoß zweites Elektron nach dem Stoß Impuls \(\vec p_{1e}\) \(0\) \(0\) \(\vec p_{2e}\) Energie \(E_{1e}\) \(E_{0e}\) \(E_{0e}\) \(E_{2e}\) Geschwindigkeit \(\vec v_{1e}\) \(0\) \(0\) \(\vec v_{2e}\) Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Aufgabe 5: Das Logo der IPhO
Das Logo der Internationalen Physik-Olympiade ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Die Abbildung zeigt das Phänomen, dass sich die Bahn eines Fluidstrahls entlang einer zylindrischen Oberfläche krümmt. Die Bahn des Fluids folgt nicht der erwarteten gestrichelten Linie, sondern der durchgezogenen Kreislinie.
Erklären Sie dieses Phänomen qualitativ (es wurde erstmals 1936 vom rumänischen Ingenieur Henry Coanda beobachtet).Diese Aufgabe wird bei der Gesamtwertung der Olympiade nicht berücksichtigt. Die beste Lösung wird mit einem Sonderpreis ausgezeichnet.

Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Uluslararası Fizik Olimpiyatı
IPhO 1983
Bükreş, Romanya · 5 teori sorusu, tam çözümleriyle
Soru 1: Sıçrayan parçacık
Bir parçacık, aşağıdaki şekilde (\(x\)'in fonksiyonu olarak) gösterildiği gibi, \(Ox\) üzerindeki bileşeni \(F_x=F_0\) olan bir kuvvetin etkisi altında pozitif \(Ox\) ekseni boyunca (tek boyutlu durumda) hareket etmektedir. \(Ox\) ekseninin başlangıç noktasına tam yansıtıcı bir duvar yerleştirilmiştir.
Parçacığa, bulunduğu her yerde, büyüklüğü sabit ve \(F_f=1{,}00\,N\) olan bir sürtünme kuvveti etki etmektedir.
Parçacık, \(x=x_0=1{,}00\,m\) noktasından \(E_c=10{,}0\,J\) kinetik enerjiyle harekete başlamaktadır.
a. Parçacığın tamamen durana kadar aldığı toplam yolun uzunluğunu bulun
b. \(F_x\) kuvvet alanındaki parçacığın \(U(x)\) potansiyel enerjisinin grafiğini kabaca çizin.
c. Parçacığın süratinin \(x\) koordinatına bağlılığını nitel olarak çizin.

Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Soru 2: Farklı bir salınım türü
Şekildeki elektrik devresini ele alalım; bu devrede \(L_1=10\,mH\), \(L_2=20\,mH\), \(C_1=10\,nF\), \(C_2=5\,nF\) ve \(R=100\,k\Omega\) değerlerindedir. \(K\) anahtarı kapalıyken devre bir alternatif akım kaynağına bağlıdır. Kaynağın sağladığı akımın şiddeti sabittir, frekansı ise değiştirilebilir.

a. Devredeki aktif gücün en büyük değeri \(P_m\)'ye ulaştığı \(f_m\) frekansının, devredeki aktif gücün en büyük güç \(P_m\)'nin yarısı olduğu \(f_+\) ve \(f_-\) frekansları arasındaki \(\Delta f=f_+-f_-\) farkına oranını bulunuz.
Şimdi \(K\) anahtarı açılıyor. Anahtarın açılmasından hemen sonraki \(t_0\) anında, \(L_1\) ve \(L_2\) bobinlerindeki akımların şiddetleri \(i_{01}=0{,}1\,A\) ve \(i_{02}=0{,}2\,A\)'dir (akımlar şekilde gösterilen yönlerde akar); aynı anda, sığası \(C_1\) olan kondansatörün uçları arasındaki potansiyel farkı \(u_0=40\,V\)'tur:

b. \(L_1C_1C_2L_2\) devresindeki elektromanyetik salınımın frekansını hesaplayınız;
c. \(AB\) iletkenindeki elektrik akımının şiddetini belirleyiniz;
d. \(L_1\) bobinindeki elektrik akımının şiddetinin salınım genliğini hesaplayınız.
Bobinlerin karşılıklı indüksiyonunu ve iletkenlerin elektriksel direncini ihmal ediniz. Anahtar kapatılırken veya açılırken meydana gelen hızlı geçiş olaylarını ihmal ediniz.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Soru 3: Prizmalar
Tepe açıları \(\hat A_1=60^\circ\) ve \(\hat A_2=30^\circ\) olan, ışığı renklerine ayıran iki prizma, aşağıdaki şekilde gösterildiği gibi birbirine yapıştırılmıştır \((\hat C=90^\circ)\). Prizmaların kırılma indislerinin dalga boyuna bağlılığı şu bağıntılarla verilmektedir:
\[ n_1(\lambda)=a_1+\frac{b_1}{\lambda^2}; \]
\[ n_2(\lambda)=a_2+\frac{b_2}{\lambda^2} \]
burada
\[ a_1=1{,}1,\quad b_1=1\cdot10^5\,nm^2,\quad a_2=1{,}3,\quad b_2=5\cdot10^4\,nm^2. \]

a. Herhangi bir gelme açısında \(AC\) yüzeyinde kırılmadan prizmalardan geçen ışınımın \(\lambda_0\) dalga boyunu belirleyiniz; prizmaların bu dalga boyuna karşılık gelen kırılma indislerini belirleyiniz.
b. Sisteme aynı açıyla gelen \(\lambda_{red},\lambda_0,\lambda_{violet}\) dalga boylarındaki üç farklı ışınım için ışınların prizma sisteminde izlediği yolları çiziniz.
c. Dalga boyu \(\lambda_0\) olan bir ışın için sistemdeki en küçük sapma açısını belirleyiniz.
d. Sisteme \(DC\)'ye paralel doğrultuda girip sistemden yine \(DC\)'ye paralel doğrultuda çıkan ışının dalga boyunu hesaplayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Soru 4: Compton saçılması
Dalga boyu \(\lambda_i\) olan bir foton, hareket hâlindeki serbest bir elektron tarafından saçılır. Bunun sonucunda elektron durur ve gelen fotonun doğrultusuna göre \(\theta=60^\circ\) açıyla saçılan, dalga boyu \(\lambda_0\) olan foton, durgun ikinci bir serbest elektron tarafından yeniden saçılır. Bu ikinci saçılma sürecinde, dalga boyu \(\lambda_f=1{,}25\times10^{-10}\,m\) olan bir foton, dalga boyu \(\lambda_0\) olan fotonun doğrultusuna göre \(\theta=60^\circ\) açıyla ortaya çıkar. İlk elektronun etkileşimden önceki de Broglie dalga boyunu bulunuz. Aşağıdaki sabitler bilinmektedir:
\(h=6{,}6\times10^{-34}\,J\cdot s\) - Planck sabiti
\(m=9{,}1\times10^{-31}\,kg\) - elektronun kütlesi
\(c=3{,}0\times10^8\,m/s\) - ışığın boşluktaki hızıSorunun amacı, ilk elektronun hız, momentum ve dalga boyu değerlerini hesaplamaktır.
Fotonları tanımlamak için aşağıdaki gösterimler kullanılmaktadır:
Tablo 4.1
başlangıçtaki foton ilk saçılmadan sonraki foton son foton momentum \(\vec p_i\) \(\vec p_0\) \(\vec p_f\) enerji \(E_i\) \(E_0\) \(E_f\) dalga boyu \(\lambda_i\) \(\lambda_i\) \(\lambda_f\) Elektronları tanımlamak için aşağıdaki gösterimler kullanılır:
Tablo 4.2
çarpışmadan önceki ilk elektron çarpışmadan sonraki ilk elektron çarpışmadan önceki ikinci elektron çarpışmadan sonraki ikinci elektron momentum \(\vec p_{1e}\) \(0\) \(0\) \(\vec p_{2e}\) enerji \(E_{1e}\) \(E_{0e}\) \(E_{0e}\) \(E_{2e}\) hız \(\vec v_{1e}\) \(0\) \(0\) \(\vec v_{2e}\) Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Soru 5: IPhO'nun logosu
Uluslararası Fizik Olimpiyatı'nın logosu aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Şekil, bir akışkan jetinin yörüngesinin silindirik bir yüzeyin biçimini izleyerek bükülmesi olgusunu göstermektedir. Akışkanın yörüngesi, beklenen kesikli çizgi gibi değil, dairesel sürekli çizgi gibidir.
Bu olguyu (ilk kez Rumen mühendis Henry Coanda tarafından 1936 yılında gözlemlenmiştir) nitel olarak açıklayınız.Bu soru Olimpiyat'ın genel puanlamasına dahil edilmeyecektir. En iyi çözüme özel bir ödül verilecektir.

Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Olimpiada Internacional de Física
IPhO 1983
Bucarest, Rumanía · 5 problemas teóricos con soluciones completas
Problema 1: Partícula saltarina
Una partícula se mueve a lo largo del semieje positivo \(Ox\) (situación unidimensional) bajo la acción de una fuerza cuya proyección sobre \(Ox\) es \(F_x=F_0\), tal como se representa en la figura siguiente (en función de \(x\)). En el origen del eje \(Ox\) hay una pared perfectamente reflectante.
Una fuerza de rozamiento de módulo constante \(F_f=1{,}00\,N\) actúa en cualquier posición en la que se encuentre la partícula.
La partícula parte del punto \(x=x_0=1{,}00\,m\) con una energía cinética \(E_c=10{,}0\,J\).
a. Halle la longitud del recorrido de la partícula antes de que se detenga definitivamente
b. Esboce la energía potencial \(U(x)\) de la partícula en el campo de fuerzas \(F_x\).
c. Represente cualitativamente la rapidez de la partícula en función de su coordenada \(x\).

Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Problema 2: Un tipo diferente de oscilación
Consideremos el circuito eléctrico de la figura, para el cual \(L_1=10\,mH\), \(L_2=20\,mH\), \(C_1=10\,nF\), \(C_2=5\,nF\) y \(R=100\,k\Omega\). Con el interruptor \(K\) cerrado, el circuito está conectado a una fuente de corriente alterna. La corriente suministrada por la fuente tiene una intensidad constante, mientras que su frecuencia puede variarse.

a. Halle el cociente entre la frecuencia \(f_m\) para la cual la potencia activa en el circuito alcanza su valor máximo \(P_m\) y la diferencia de frecuencias \(\Delta f=f_+-f_-\), donde \(f_+\) y \(f_-\) son las frecuencias para las cuales la potencia activa en el circuito es la mitad de la potencia máxima \(P_m\).
Ahora se abre el interruptor \(K\). En el instante \(t_0\), inmediatamente después de abrir el interruptor, las intensidades de las corrientes en las bobinas \(L_1\) y \(L_2\) son \(i_{01}=0{,}1\,A\) e \(i_{02}=0{,}2\,A\) (las corrientes circulan como se indica en la figura); en ese mismo instante, la diferencia de potencial en el condensador de capacidad \(C_1\) es \(u_0=40\,V\):

b. Calcule la frecuencia de oscilación electromagnética en el circuito \(L_1C_1C_2L_2\);
c. Determine la intensidad de la corriente eléctrica en el conductor \(AB\);
d. Calcule la amplitud de la oscilación de la intensidad de la corriente eléctrica en la bobina \(L_1\).
Desprecie la inducción mutua entre las bobinas y la resistencia eléctrica de los conductores. Desprecie los fenómenos transitorios rápidos que se producen al cerrar o abrir el interruptor.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Problema 3: Prismas
Dos prismas dispersivos con ángulos de vértice \(\hat A_1=60^\circ\) y \(\hat A_2=30^\circ\) están pegados como se muestra en la figura siguiente \((\hat C=90^\circ)\). La dependencia de los índices de refracción de los prismas con la longitud de onda viene dada por las relaciones
\[ n_1(\lambda)=a_1+\frac{b_1}{\lambda^2}; \]
\[ n_2(\lambda)=a_2+\frac{b_2}{\lambda^2} \]
donde
\[ a_1=1{,}1,\quad b_1=1\cdot10^5\,nm^2,\quad a_2=1{,}3,\quad b_2=5\cdot10^4\,nm^2. \]

a. Determine la longitud de onda \(\lambda_0\) de la radiación incidente que atraviesa los prismas sin refractarse en la cara \(AC\) para cualquier ángulo de incidencia; determine los índices de refracción correspondientes de los prismas.
b. Dibuje la trayectoria de los rayos en el sistema de prismas para tres radiaciones distintas \(\lambda_{red},\lambda_0,\lambda_{violet}\) que inciden sobre el sistema con el mismo ángulo.
c. Determine el ángulo de desviación mínima en el sistema para un rayo de longitud de onda \(\lambda_0\).
d. Calcule la longitud de onda del rayo que entra en el sistema y sale de él en direcciones paralelas a \(DC\).
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Problema 4: Dispersión Compton
Un fotón de longitud de onda \(\lambda_i\) es dispersado por un electrón libre en movimiento. Como resultado, el electrón se detiene y el fotón resultante, de longitud de onda \(\lambda_0\), dispersado con un ángulo \(\theta=60^\circ\) respecto a la dirección del fotón incidente, vuelve a ser dispersado por un segundo electrón libre en reposo. En este segundo proceso de dispersión, emerge un fotón de longitud de onda \(\lambda_f=1{,}25\times10^{-10}\,m\) con un ángulo \(\theta=60^\circ\) respecto a la dirección del fotón de longitud de onda \(\lambda_0\). Halle la longitud de onda de de Broglie del primer electrón antes de la interacción. Se conocen las siguientes constantes:
\(h=6{,}6\times10^{-34}\,J\cdot s\) - constante de Planck
\(m=9{,}1\times10^{-31}\,kg\) - masa del electrón
\(c=3{,}0\times10^8\,m/s\) - velocidad de la luz en el vacíoEl objetivo del problema es calcular los valores de la rapidez, la cantidad de movimiento y la longitud de onda del primer electrón.
Para caracterizar los fotones se utiliza la siguiente notación:
Tabla 4.1
fotón inicial fotón después de la primera dispersión fotón final cantidad de movimiento \(\vec p_i\) \(\vec p_0\) \(\vec p_f\) energía \(E_i\) \(E_0\) \(E_f\) longitud de onda \(\lambda_i\) \(\lambda_i\) \(\lambda_f\) Para caracterizar los electrones se utiliza
Tabla 4.2
primer electrón antes de la colisión primer electrón después de la colisión segundo electrón antes de la colisión segundo electrón después de la colisión cantidad de movimiento \(\vec p_{1e}\) \(0\) \(0\) \(\vec p_{2e}\) energía \(E_{1e}\) \(E_{0e}\) \(E_{0e}\) \(E_{2e}\) velocidad \(\vec v_{1e}\) \(0\) \(0\) \(\vec v_{2e}\) Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Problema 5: El logotipo de la IPhO
El logotipo de la Olimpiada Internacional de Física se representa en la figura siguiente.
La figura muestra el fenómeno de la curvatura de la trayectoria de un chorro de fluido alrededor de una superficie cilíndrica. La trayectoria del fluido no sigue la línea discontinua esperada, sino la línea continua circular.
Explique cualitativamente este fenómeno (observado por primera vez por el ingeniero rumano Henry Coanda en 1936).Este problema no se tendrá en cuenta en la puntuación general de la Olimpiada. La mejor solución recibirá un premio especial.

Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
国际物理奥林匹克
IPhO 1983
罗马尼亚布加勒斯特 · 5 道理论题及完整解答
题目 1:跳跃的粒子
一个粒子在一个力的作用下沿正半轴 \(Ox\) 运动(一维情形),该力在 \(Ox\) 轴上的投影为 \(F_x=F_0\),如下图所示(表示为 \(x\) 的函数)。在 \(Ox\) 轴的原点处放置了一面完全反射壁。
无论粒子位于何处,都受到大小恒为 \(F_f=1{,}00\,N\) 的摩擦力作用。
粒子从 \(x=x_0=1{,}00\,m\) 处出发,初动能为 \(E_c=10{,}0\,J\)。
a. 求粒子最终停止前所经过的路程
b. 画出粒子在力场 \(F_x\) 中的势能 \(U(x)\) 的示意图。
c. 定性画出粒子速率随其坐标 \(x\) 变化的关系图。

题目译自官方英文原文。
题目 2:不同类型的振荡
考虑图示电路,其中 \(L_1=10\,mH\)、\(L_2=20\,mH\)、\(C_1=10\,nF\)、\(C_2=5\,nF\),且 \(R=100\,k\Omega\)。闭合开关 \(K\) 后,电路与交流电源相连接。电源提供的电流强度保持不变,而电流的频率可以改变。

a. 求使电路中的有功功率达到最大值 \(P_m\) 的频率 \(f_m\) 与频率差 \(\Delta f=f_+-f_-\) 的比值,其中 \(f_+\) 和 \(f_-\) 为使电路中的有功功率等于最大功率 \(P_m\) 一半的两个频率。
现在断开开关 \(K\)。在开关刚断开后的瞬间 \(t_0\),线圈 \(L_1\) 和 \(L_2\) 中的电流强度分别为 \(i_{01}=0{,}1\,A\) 和 \(i_{02}=0{,}2\,A\)(电流方向如图所示);在同一瞬间,电容为 \(C_1\) 的电容器两端的电势差为 \(u_0=40\,V\):

b. 计算 \(L_1C_1C_2L_2\) 电路中电磁振荡的频率;
c. 确定导线 \(AB\) 中的电流强度;
d. 计算线圈 \(L_1\) 中电流强度的振荡振幅。
忽略线圈之间的互感和导线的电阻。忽略开关闭合或断开时发生的快速暂态过程。
题目译自官方英文原文。
题目 3:棱镜
两个色散棱镜的顶角分别为 \(\hat A_1=60^\circ\) 和 \(\hat A_2=30^\circ\),如下面的图所示胶合在一起 \((\hat C=90^\circ)\)。两棱镜的折射率随波长变化的关系为
\[ n_1(\lambda)=a_1+\frac{b_1}{\lambda^2}; \]
\[ n_2(\lambda)=a_2+\frac{b_2}{\lambda^2} \]
其中
\[ a_1=1{,}1,\quad b_1=1\cdot10^5\,nm^2,\quad a_2=1{,}3,\quad b_2=5\cdot10^4\,nm^2. \]

a. 求入射光的波长 \(\lambda_0\),使其以任意入射角通过棱镜时,在 \(AC\) 面上均不发生折射偏转;并求两棱镜对应的折射率。
b. 画出波长分别为 \(\lambda_{red},\lambda_0,\lambda_{violet}\) 的三种光以相同角度入射该棱镜系统时,在系统中的光路。
c. 求波长为 \(\lambda_0\) 的光线在该系统中的最小偏向角。
d. 计算入射方向和出射方向均平行于 \(DC\) 的光线的波长。
题目译自官方英文原文。
题目 4:康普顿散射
一个波长为 \(\lambda_i\) 的光子被一个运动的自由电子散射。散射后,该电子停止运动,产生的波长为 \(\lambda_0\) 的光子沿与入射光子方向成 \(\theta=60^\circ\) 角的方向射出,随后又被第二个静止的自由电子散射。在第二次散射过程中,产生一个波长为 \(\lambda_f=1{,}25\times10^{-10}\,m\) 的光子,其出射方向与波长为 \(\lambda_0\) 的光子的方向成 \(\theta=60^\circ\) 角。求第一个电子在相互作用前的德布罗意波长。已知下列常量:
\(h=6{,}6\times10^{-34}\,J\cdot s\) - 普朗克常量
\(m=9{,}1\times10^{-31}\,kg\) - 电子质量
\(c=3{,}0\times10^8\,m/s\) - 真空中的光速本题的目的是计算第一个电子的速率、动量和波长。
用下列符号描述各光子:
表 4.1
初始光子 第一次散射后的光子 最终光子 动量 \(\vec p_i\) \(\vec p_0\) \(\vec p_f\) 能量 \(E_i\) \(E_0\) \(E_f\) 波长 \(\lambda_i\) \(\lambda_i\) \(\lambda_f\) 用下列符号描述各电子:
表 4.2
碰撞前的第一个电子 碰撞后的第一个电子 碰撞前的第二个电子 碰撞后的第二个电子 动量 \(\vec p_{1e}\) \(0\) \(0\) \(\vec p_{2e}\) 能量 \(E_{1e}\) \(E_{0e}\) \(E_{0e}\) \(E_{2e}\) 速度 \(\vec v_{1e}\) \(0\) \(0\) \(\vec v_{2e}\) 题目译自官方英文原文。
题目 5:IPhO 的标志
国际物理奥林匹克竞赛的标志如下图所示。
图中展示了流体射流的轨迹沿圆柱面弯曲的现象。流体的轨迹并非预期的虚线,而是图中的圆弧实线。
请定性解释这一现象(该现象由罗马尼亚工程师亨利·科恩达于 1936 年首次观察到)。本题不计入奥林匹克竞赛的总分。最佳解答将获得特别奖。

题目译自官方英文原文。
Международная физическая олимпиада
IPhO 1983
Бухарест, Румыния · 5 теоретических задач с полными решениями
Задача 1: Прыгающая частица
Частица движется вдоль положительной полуоси \(Ox\) (одномерное движение) под действием силы, проекция которой на \(Ox\) равна \(F_x=F_0\) и показана на рисунке ниже как функция \(x\). В начале координат оси \(Ox\) расположена идеально отражающая стенка.
В любой точке, где находится частица, на неё действует сила трения постоянного модуля \(F_f=1{,}00\,N\).
Частица начинает движение из точки \(x=x_0=1{,}00\,m\), обладая кинетической энергией \(E_c=10{,}0\,J\).
a. Найдите длину пути, пройденного частицей до окончательной остановки
b. Изобразите схематически график потенциальной энергии \(U(x)\) частицы в поле силы \(F_x\).
c. Постройте качественный график зависимости модуля скорости частицы от её координаты \(x\).

Условие переведено с официального английского текста.
Задача 2: Другой вид колебаний
Рассмотрим электрическую цепь, изображённую на рисунке, в которой \(L_1=10\,mH\), \(L_2=20\,mH\), \(C_1=10\,nF\), \(C_2=5\,nF\) и \(R=100\,k\Omega\). При замкнутом ключе \(K\) цепь подключена к источнику переменного тока. Сила тока, поступающего от источника, постоянна, а его частоту можно изменять.

a. Найдите отношение частоты \(f_m\), при которой активная мощность в цепи достигает максимального значения \(P_m\), к разности \(\Delta f=f_+-f_-\) частот \(f_+\) и \(f_-\), при которых активная мощность в цепи равна половине максимальной мощности \(P_m\).
Теперь ключ \(K\) разомкнут. В момент \(t_0\) непосредственно после размыкания ключа силы токов в катушках \(L_1\) и \(L_2\) равны \(i_{01}=0{,}1\,A\) и \(i_{02}=0{,}2\,A\) (направления токов показаны на рисунке); в тот же момент разность потенциалов на конденсаторе ёмкостью \(C_1\) составляет \(u_0=40\,V\):

b. Вычислите частоту электромагнитных колебаний в контуре \(L_1C_1C_2L_2\);
c. Определите силу электрического тока в проводнике \(AB\);
d. Вычислите амплитуду колебаний силы электрического тока в катушке \(L_1\).
Пренебрегите взаимной индукцией катушек и электрическим сопротивлением проводников. Пренебрегите быстрыми переходными процессами, возникающими при замыкании или размыкании ключа.
Условие переведено с официального английского текста.
Задача 3: Призмы
Две призмы, обладающие дисперсией и имеющие преломляющие углы \(\hat A_1=60^\circ\) и \(\hat A_2=30^\circ\), склеены, как показано на рисунке ниже \((\hat C=90^\circ)\). Зависимости показателей преломления призм от длины волны задаются соотношениями
\[ n_1(\lambda)=a_1+\frac{b_1}{\lambda^2}; \]
\[ n_2(\lambda)=a_2+\frac{b_2}{\lambda^2} \]
где
\[ a_1=1{,}1,\quad b_1=1\cdot10^5\,nm^2,\quad a_2=1{,}3,\quad b_2=5\cdot10^4\,nm^2. \]

a. Определите длину волны \(\lambda_0\) падающего излучения, которое проходит через призмы без преломления на грани \(AC\) при любом угле падения; определите соответствующие показатели преломления призм.
b. Постройте ход лучей в системе призм для трёх различных излучений \(\lambda_{red},\lambda_0,\lambda_{violet}\), падающих на систему под одним и тем же углом.
c. Определите угол наименьшего отклонения в системе для луча с длиной волны \(\lambda_0\).
d. Вычислите длину волны луча, который входит в систему и выходит из неё по направлениям, параллельным \(DC\).
Условие переведено с официального английского текста.
Задача 4: Комптоновское рассеяние
Фотон с длиной волны \(\lambda_i\) рассеивается на движущемся свободном электроне. В результате электрон останавливается, а образовавшийся фотон с длиной волны \(\lambda_0\), рассеянный под углом \(\theta=60^\circ\) к направлению падающего фотона, вновь рассеивается на втором свободном электроне, находящемся в покое. При этом втором рассеянии фотон с длиной волны \(\lambda_f=1{,}25\times10^{-10}\,m\) вылетает под углом \(\theta=60^\circ\) к направлению фотона с длиной волны \(\lambda_0\). Найдите длину волны де Бройля первого электрона до взаимодействия. Известны следующие постоянные:
\(h=6{,}6\times10^{-34}\,J\cdot s\) - постоянная Планка
\(m=9{,}1\times10^{-31}\,kg\) - масса электрона
\(c=3{,}0\times10^8\,m/s\) - скорость света в вакуумеЦель задачи — вычислить скорость, импульс и длину волны первого электрона.
Для описания фотонов используются следующие обозначения:
Таблица 4.1
начальный фотон фотон после первого рассеяния конечный фотон импульс \(\vec p_i\) \(\vec p_0\) \(\vec p_f\) энергия \(E_i\) \(E_0\) \(E_f\) длина волны \(\lambda_i\) \(\lambda_i\) \(\lambda_f\) Для описания электронов используются следующие обозначения
Таблица 4.2
первый электрон до столкновения первый электрон после столкновения второй электрон до столкновения второй электрон после столкновения импульс \(\vec p_{1e}\) \(0\) \(0\) \(\vec p_{2e}\) энергия \(E_{1e}\) \(E_{0e}\) \(E_{0e}\) \(E_{2e}\) скорость \(\vec v_{1e}\) \(0\) \(0\) \(\vec v_{2e}\) Условие переведено с официального английского текста.
Задача 5: Логотип IPhO
Логотип Международной физической олимпиады представлен на рисунке ниже.
На рисунке показано явление искривления траектории струи текучей среды при обтекании цилиндрической поверхности. Траектория струи проходит не по ожидаемой штриховой линии, а по сплошной линии в виде дуги окружности.
Дайте качественное объяснение этого явления (впервые наблюдавшегося румынским инженером Анри Коандэ в 1936 году).Эта задача не будет учитываться в общем зачёте олимпиады. Лучшее решение будет отмечено специальным призом.

Условие переведено с официального английского текста.
الأولمبياد الدولي للفيزياء
IPhO 1983
بوخارست، رومانيا · 5 مسائل نظرية مع حلول كاملة
المسألة 1: جسيم قافز
يتحرك جسيم على الجزء الموجب من المحور \(Ox\) (حالة أحادية البعد) تحت تأثير قوة مركبتها على \(Ox\) هي \(F_x=F_0\)، كما هو مبين في الشكل أدناه (بدلالة \(x\)). ويوجد عند مبدأ المحور \(Ox\) جدار عاكس تمامًا.
تؤثر قوة احتكاك ذات مقدار ثابت \(F_f=1{,}00\,N\) في الجسيم أينما كان موضعه.
ينطلق الجسيم من النقطة \(x=x_0=1{,}00\,m\) بطاقة حركية \(E_c=10{,}0\,J\).
a. أوجد طول المسار الذي يقطعه الجسيم قبل أن يتوقف نهائيًا
b. ارسم رسمًا تخطيطيًا لطاقة الوضع \(U(x)\) للجسيم في مجال القوة \(F_x\).
c. ارسم رسمًا نوعيًا يبين اعتماد مقدار سرعة الجسيم على إحداثيه \(x\).

نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
المسألة 2: نوع مختلف من الاهتزاز
لننظر في الدارة الكهربائية المبينة في الشكل، حيث \(L_1=10\,mH\)، و\(L_2=20\,mH\)، و\(C_1=10\,nF\)، و\(C_2=5\,nF\)، و\(R=100\,k\Omega\). عند إغلاق المفتاح \(K\)، تُوصَل الدارة بمصدر تيار متناوب. تكون شدة التيار الذي يزوده المصدر ثابتة، في حين يمكن تغيير تردد التيار.

a. أوجد النسبة بين التردد \(f_m\)، الذي تبلغ عنده القدرة الفعالة في الدارة قيمتها العظمى \(P_m\)، وفرق الترددين \(\Delta f=f_+-f_-\)، حيث \(f_+\) و\(f_-\) هما الترددان اللذان تكون عندهما القدرة الفعالة في الدارة نصف القدرة العظمى \(P_m\).
يُفتح الآن المفتاح \(K\). عند اللحظة \(t_0\) التي تلي فتح المفتاح مباشرة، تكون شدتا التيارين في الملفين \(L_1\) و\(L_2\) هما \(i_{01}=0{,}1\,A\) و\(i_{02}=0{,}2\,A\) على الترتيب (يسري التياران كما هو مبين في الشكل)؛ وعند اللحظة نفسها، يكون فرق الجهد بين طرفي المكثف ذي السعة \(C_1\) هو \(u_0=40\,V\):

b. احسب تردد الاهتزاز الكهرومغناطيسي في الدارة \(L_1C_1C_2L_2\)؛
c. حدد شدة التيار الكهربائي في الموصل \(AB\)؛
d. احسب سعة اهتزاز شدة التيار الكهربائي في الملف \(L_1\).
أهمل الحث المتبادل بين الملفين والمقاومة الكهربائية للموصلات. وأهمل الظواهر العابرة السريعة التي تحدث عند إغلاق المفتاح أو فتحه.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
المسألة 3: الموشورات
أُلصق موشوران مشتِّتان للضوء، زاويتا رأسيهما \(\hat A_1=60^\circ\) و\(\hat A_2=30^\circ\)، كما في الشكل أدناه \((\hat C=90^\circ)\). يُعطى اعتماد معاملي انكسار الموشورين على الطول الموجي بالعلاقتين
\[ n_1(\lambda)=a_1+\frac{b_1}{\lambda^2}; \]
\[ n_2(\lambda)=a_2+\frac{b_2}{\lambda^2} \]
حيث
\[ a_1=1{,}1,\quad b_1=1\cdot10^5\,nm^2,\quad a_2=1{,}3,\quad b_2=5\cdot10^4\,nm^2. \]

a. حدِّد الطول الموجي \(\lambda_0\) للإشعاع الساقط الذي يمر عبر الموشورين دون انكسار عند الوجه \(AC\)، مهما كانت زاوية السقوط؛ وحدِّد معاملي انكسار الموشورين الموافقين له.
b. ارسم مسار الأشعة في منظومة الموشورين لثلاثة إشعاعات مختلفة \(\lambda_{red},\lambda_0,\lambda_{violet}\) تسقط على المنظومة بالزاوية نفسها.
c. حدِّد زاوية الانحراف الدنيا في المنظومة لشعاع ذي طول موجي \(\lambda_0\).
d. احسب الطول الموجي للشعاع الذي يدخل المنظومة ويخرج منها في اتجاهين موازيين لـ\(DC\).
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
المسألة 4: تشتت كومبتون
يتشتت فوتون ذو طول موجي \(\lambda_i\) بفعل إلكترون حر متحرك. ونتيجة لذلك يتوقف الإلكترون، ويتشتت الفوتون الناتج، ذو الطول الموجي \(\lambda_0\)، بزاوية \(\theta=60^\circ\) بالنسبة إلى اتجاه الفوتون الساقط، ثم يتشتت مرة أخرى بفعل إلكترون حر ثانٍ ساكن. في عملية التشتت الثانية هذه، يخرج فوتون ذو طول موجي \(\lambda_f=1{,}25\times10^{-10}\,m\) بزاوية \(\theta=60^\circ\) بالنسبة إلى اتجاه الفوتون ذي الطول الموجي \(\lambda_0\). أوجد طول موجة دي برولي للإلكترون الأول قبل التفاعل. الثوابت الآتية معلومة:
\(h=6{,}6\times10^{-34}\,J\cdot s\) - ثابت بلانك
\(m=9{,}1\times10^{-31}\,kg\) - كتلة الإلكترون
\(c=3{,}0\times10^8\,m/s\) - سرعة الضوء في الفراغالهدف من المسألة هو حساب قيم سرعة الإلكترون الأول وزخمه وطوله الموجي.
تُستخدم الرموز الآتية لوصف الفوتونات:
الجدول 4.1
الفوتون الابتدائي الفوتون – بعد التشتت الأول الفوتون النهائي الزخم \(\vec p_i\) \(\vec p_0\) \(\vec p_f\) الطاقة \(E_i\) \(E_0\) \(E_f\) الطول الموجي \(\lambda_i\) \(\lambda_i\) \(\lambda_f\) ولوصف الإلكترونات تُستخدم الرموز الآتية
الجدول 4.2
الإلكترون الأول قبل التصادم الإلكترون الأول بعد التصادم الإلكترون الثاني قبل التصادم الإلكترون الثاني بعد التصادم الزخم \(\vec p_{1e}\) \(0\) \(0\) \(\vec p_{2e}\) الطاقة \(E_{1e}\) \(E_{0e}\) \(E_{0e}\) \(E_{2e}\) السرعة \(\vec v_{1e}\) \(0\) \(0\) \(\vec v_{2e}\) نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
المسألة 5: شعار IPhO
يُمثَّل شعار الأولمبياد الدولي للفيزياء في الشكل أدناه.
يوضح الشكل ظاهرة انحناء مسار نفاثة مائع حول سطح أسطواني. ولا يتبع مسار المائع الخط المتقطع المتوقع، بل يتبع الخط الدائري المتصل.
اشرح هذه الظاهرة شرحًا نوعيًا (وقد رصدها لأول مرة المهندس الروماني هنري كواندا عام 1936).لن تُحتسب هذه المسألة ضمن المجموع العام لدرجات الأولمبياد. وسيُمنح أفضل حل جائزة خاصة.

نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.