International Physics Olympiad
IPhO 1986
London (Harrow), United Kingdom · 3 theory problems with complete solutions
Problem 1: Two slits and a diffraction grating: vector addition of amplitudes

Figure 1.1
A plane monochromatic light wave, wavelength \(\lambda\) and frequency \(f\), is incident normally on two identical narrow slits, separated by a distance \(d\), as indicated in Figure 1.1. The light wave emerging at each slit is given, at a distance \(x\) in a direction \(\theta\) at time \(t\), by
\[ y=a\cos[2\pi(ft-x/\lambda)] \]
where the amplitude \(a\) is the same for both waves. (Assume \(x\) is much larger than \(d\)).
(i) Show that the two waves observed at an angle \(\theta\) to a normal to the slits, have a resultant amplitude \(A\) which can be obtained by adding two vectors, each having magnitude \(a\), and each with an associated direction determined by the phase of the light wave.
Verify geometrically, from the vector diagram, that
\[ A=2a\cos\theta \]
where
\[ \beta=\frac{\pi}{\lambda}d\sin\theta \]
(ii) The double slit is replaced by a diffraction grating with \(N\) equally spaced slits, adjacent slits being separated by a distance \(d\). Use the vector method of adding amplitudes to show that the vector amplitudes, each of magnitude \(a\), form a part of a regular polygon with vertices on a circle of radius \(R\) given by
\[ R=\frac{a}{2\sin\beta}, \]
Deduce that the resultant amplitude is
\[ \frac{a\sin N\beta}{\sin\beta} \]
and obtain the resultant phase difference relative to that of the light from the slit at the edge of the grating.
(iii) Sketch, in the same graph, \(\sin N\beta\) and \((1/\sin\beta)\) as a function of \(\beta\). On a separate graph show how the intensity of the resultant wave varies as a function of \(\beta\).
(iv) Determine the intensities of the principal intensity maxima.
(v) Show that the number of principal maxima cannot exceed
\[ \left(\frac{2d}{\lambda}+1\right) \]
(vi) Show that two wavelengths \(\lambda\) and \(\lambda+\delta\lambda\), where \(\delta\lambda\ll\lambda\), produce principal maxima with an angular separation given by
\[ \Delta\theta=\frac{n\Delta\lambda}{d\cos\theta} \qquad\text{where }n=0,\ \pm1,\ \pm2\ldots\text{etc} \]
Calculate this angular separation for the sodium D lines for which
\[ \lambda=589.0\,\mathrm{nm},\quad \lambda+\Delta\lambda=589.6\,\mathrm{nm},\quad n=2,\quad\text{and }d=1.2\times10^{-6}\,\mathrm{m}. \]
\[ \left[ \text{reminder:}\quad \cos A+\cos B = 2\cos\left(\frac{A+B}{2}\right)\cdot \cos\left(\frac{A-B}{2}\right) \right] \]
Official English text of the problem.
Problem 2: Seismic waves and the Earth's liquid core
- Early this century a model of the earth was proposed in which it was assumed to be a sphere of radius \(R\) consisting of a homogeneous isotropic solid mantle down to radius \(R_c\). The core region within radius \(R_c\) contained a liquid.

Figure 2.1
The velocities of longitudinal and transverse seismic waves P and S waves respectively, are constant, \(V_P\), and \(V_S\) within the mantle. In the core, longitudinal waves have a constant velocity \(V_{CP}, < V_P\), and transverse waves are not propagated.
An earthquake at E on the surface of the Earth produces seismic waves that travel through the Earth and are observed by a surface observer who can set up his seismometer at any point X on the Earth’s surface. The angular separation between E and X, \(2\theta\) given by
\[ 2\theta=\text{Angle }EOX \]
where O is the centre of the Earth.
(i) Show that the seismic waves that travel through the mantle in a straight line will arrive at X at a time \(t\) (the travel time after the earthquake), is given by
\[ t=\frac{2R\sin\theta}{v}, \qquad \text{for }\theta>\arccos\left[\frac{R_c}{R}\right], \]
where \(v=v_P\) for the P waves and \(v=v_S\) for the S waves.
(ii) For some of the positions of X such that the seismic P waves arrive to the observer after two refractions at the mantle-core interface. Draw the path of such a seismic P wave. Obtain a relation between \(\theta\) and \(i\), the angle of incidence of the seismic P wave at the mantle-core interface, for P waves.
(iii) Using the data
\(R\) \(=\) \(6370\ \mathrm{km}\) \(R_C\) \(=\) \(3470\ \mathrm{km}\) \(v_{CP}\) \(=\) \(10.85\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) \(v_S\) \(=\) \(6.31\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) \(v_{CP}\) \(=\) \(9.02\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) and the result obtained in (ii),draw a graph of \(\theta\) against \(i\). Comment on the physical consequences of the form of this graph for observers stationed at different points on the Earth's surface. Sketch the variation of the travel time taken by the P and S waves as a function of \(\theta\) for \(0\leq\theta\leq90\) degrees.
(iv) After an earthquake an observer measures the time delay between the arrival of the S wave, following the P wave, as 2 minutes 11 seconds. Deduce the angular separation of the earthquake from the observer using the data given in Section (iii).
(v) The observer in the previous measurement notices that some time after the arrival of the P and S waves there are two further recordings on the seismometer separated by a time interval of 6 minutes 37 seconds. Explain this result and verify that it is indeed associated with the angular separation determined in the previous section.
Official English text of the problem.
Problem 3: Normal modes of masses joined by springs (ring and chain)
Three particles, each of mass \(m\), are in equilibrium and joined by unstretched massless springs, each with Hooke’s Law spring constant \(k\). They are constrained to move in a circular path as indicated in Figure 3.1.

Figure 3.1
(i) If each mass is displaced from equilibrium by small displacements \(u_1\), \(u_2\) and \(u_3\) respectively, write down the equation of motion for each mass.
(ii) Verify that the system has simple harmonic solutions of the form
\[ u_n=a_n\cos\omega t, \]
with accelerations, \((-\omega^2u_n)\) where \(a_n\) \((n=1,2,3)\) are constant amplitudes, and \(\omega\), the angular frequency, can have 3 possible values,
\[ \omega_o\sqrt{3},\ \omega_o\sqrt{3}\text{ and }0. \quad\text{where }\omega_o^2=\frac{k}{m}. \]
(iii) The system of alternate springs and masses is extended to \(N\) particles, each mass \(m\) is joined by springs to its neighbouring masses. Initially the springs are unstretched and in equilibrium. Write down the equation of motion of the \(n\)th mass \((n=1,2...N)\) in terms of its displacement and those of the adjacent masses when the particles are displaced from equilibrium.
\[ u_n(t)=a_s\sin\left(\frac{2ns\pi}{N}+\phi\right)\cos\omega_s t, \]
are oscillatory solutions where \(s=1,2,\ldots N\), \(n=1,2,\ldots N\) and where \(\phi\) is an arbitrary phase, providing the angular frequencies are given by
\[ \omega_s=2\omega_o\sin\left(\frac{s\pi}{N}\right), \]
where \(a_s\ (s=1,......N)\) are constant amplitudes independent of \(n\).
State the range of possible frequencies for a chain containing an infinite number of masses.
(iv) Determine the ratio
\[ u_n/u_{n+1} \]
for large \(N\), in the two cases:
(a) low frequency solutions
(b) \(\omega=\omega_{\max}\), where \(\omega_{\max}\) is the maximum frequency solution.
Sketch typical graphs indicating the displacements of the particles against particle number along the chain at time \(t\) for cases (a) and (b).
(v) If one of the masses is replaced by a mass \(m'\ll m\) estimate any major change one would expect to occur to the angular frequency distribution.
Describe qualitatively the form of the frequency spectrum one would predict for a diatomic chain with alternate masses \(m\) and \(m'\) on the basis of the previous result.
Reminder
\[ \sin(A+B)=\sin A\cos B+\cos A\sin B \]
\[ \sin A+\sin B =2\sin\left(\frac{A+B}{2}\right) \cos\left(\frac{A-B}{2}\right) \]
\[ 2\sin^2A=1-\cos2A \]
Official English text of the problem.
Internationale Physik-Olympiade
IPhO 1986
London (Harrow), Vereinigtes Königreich · 3 Theorieaufgaben mit vollständigen Lösungen
Aufgabe 1: Zwei Spalte und ein Beugungsgitter: Vektoraddition von Amplituden

Abbildung 1.1
Eine ebene monochromatische Lichtwelle mit der Wellenlänge \(\lambda\) und der Frequenz \(f\) fällt senkrecht auf zwei identische schmale Spalte, deren Abstand \(d\) beträgt, wie in Abbildung 1.1 dargestellt. Die an jedem Spalt austretende Lichtwelle ist im Abstand \(x\) in einer Richtung \(\theta\) zum Zeitpunkt \(t\) gegeben durch
\[ y=a\cos[2\pi(ft-x/\lambda)] \]
wobei die Amplitude \(a\) für beide Wellen gleich ist. (Es sei angenommen, dass \(x\) viel größer als \(d\) ist.)
(i) Zeigen Sie, dass die beiden Wellen, die unter einem Winkel \(\theta\) zur Normalen auf die Spalte beobachtet werden, eine resultierende Amplitude \(A\) haben, die durch Addition zweier Vektoren ermittelt werden kann, deren Betrag jeweils \(a\) ist und deren jeweilige Richtung durch die Phase der Lichtwelle bestimmt wird.
Bestätigen Sie anhand des Vektordiagramms geometrisch, dass
\[ A=2a\cos\theta \]
wobei
\[ \beta=\frac{\pi}{\lambda}d\sin\theta \]
(ii) Der Doppelspalt wird durch ein Beugungsgitter mit \(N\) äquidistanten Spalten ersetzt, wobei benachbarte Spalte den Abstand \(d\) haben. Zeigen Sie mithilfe der Vektormethode zur Addition von Amplituden, dass die Amplitudenvektoren, deren Betrag jeweils \(a\) ist, einen Teil eines regelmäßigen Vielecks bilden, dessen Eckpunkte auf einem Kreis mit dem Radius \(R\) liegen, der gegeben ist durch
\[ R=\frac{a}{2\sin\beta}, \]
Leiten Sie daraus ab, dass die resultierende Amplitude
\[ \frac{a\sin N\beta}{\sin\beta} \]
beträgt, und bestimmen Sie die resultierende Phasendifferenz gegenüber dem Licht aus dem Spalt am Rand des Gitters.
(iii) Skizzieren Sie in demselben Diagramm \(\sin N\beta\) und \((1/\sin\beta)\) als Funktionen von \(\beta\). Zeigen Sie in einem gesonderten Diagramm, wie die Intensität der resultierenden Welle von \(\beta\) abhängt.
(iv) Bestimmen Sie die Intensitäten der Hauptmaxima.
(v) Zeigen Sie, dass die Anzahl der Hauptmaxima nicht größer sein kann als
\[ \left(\frac{2d}{\lambda}+1\right) \]
(vi) Zeigen Sie, dass zwei Wellenlängen \(\lambda\) und \(\lambda+\delta\lambda\), wobei \(\delta\lambda\ll\lambda\), Hauptmaxima mit einem Winkelabstand erzeugen, der gegeben ist durch
\[ \Delta\theta=\frac{n\Delta\lambda}{d\cos\theta} \qquad\text{wobei }n=0,\ \pm1,\ \pm2\ldots\text{usw.} \]
Berechnen Sie diesen Winkelabstand für die Natrium-D-Linien, für die gilt:
\[ \lambda=589.0\,\mathrm{nm},\quad \lambda+\Delta\lambda=589.6\,\mathrm{nm},\quad n=2,\quad\text{und }d=1.2\times10^{-6}\,\mathrm{m}. \]
\[ \left[ \text{Zur Erinnerung:}\quad \cos A+\cos B = 2\cos\left(\frac{A+B}{2}\right)\cdot \cos\left(\frac{A-B}{2}\right) \right] \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Aufgabe 2: Seismische Wellen und der flüssige Erdkern
- Zu Beginn dieses Jahrhunderts wurde ein Erdmodell vorgeschlagen, in dem die Erde als Kugel mit dem Radius \(R\) angenommen wurde, deren homogener, isotroper, fester Mantel bis zum Radius \(R_c\) reicht. Der Kernbereich innerhalb des Radius \(R_c\) enthielt eine Flüssigkeit.

Abbildung 2.1
Die Geschwindigkeiten der longitudinalen und transversalen seismischen Wellen, der P- bzw. S-Wellen, sind innerhalb des Mantels konstant und betragen \(V_P\) bzw. \(V_S\). Im Kern haben Longitudinalwellen eine konstante Geschwindigkeit \(V_{CP}, < V_P\), und Transversalwellen breiten sich dort nicht aus.
Ein Erdbeben bei E an der Erdoberfläche erzeugt seismische Wellen, die sich durch die Erde ausbreiten und von einem Beobachter an der Oberfläche registriert werden, der sein Seismometer an einem beliebigen Punkt X der Erdoberfläche aufstellen kann. Der Winkelabstand zwischen E und X, \(2\theta\), ist gegeben durch
\[ 2\theta=\text{Winkel }EOX \]
wobei O der Erdmittelpunkt ist.
(i) Zeigen Sie, dass die seismischen Wellen, die sich geradlinig durch den Mantel ausbreiten, bei X zu einer Zeit \(t\) eintreffen (der Laufzeit seit dem Erdbeben), die gegeben ist durch
\[ t=\frac{2R\sin\theta}{v}, \qquad \text{für }\theta>\arccos\left[\frac{R_c}{R}\right], \]
wobei \(v=v_P\) für die P-Wellen und \(v=v_S\) für die S-Wellen gilt.
(ii) Für einige Positionen von X erreichen die seismischen P-Wellen den Beobachter nach zweimaliger Brechung an der Mantel-Kern-Grenze. Zeichnen Sie den Weg einer solchen seismischen P-Welle. Leiten Sie für P-Wellen eine Beziehung zwischen \(\theta\) und \(i\), dem Einfallswinkel der seismischen P-Welle an der Mantel-Kern-Grenze, her.
(iii) Zeichnen Sie mithilfe der Daten
\(R\) \(=\) \(6370\ \mathrm{km}\) \(R_C\) \(=\) \(3470\ \mathrm{km}\) \(v_{CP}\) \(=\) \(10.85\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) \(v_S\) \(=\) \(6.31\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) \(v_{CP}\) \(=\) \(9.02\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) und des in (ii) erhaltenen Ergebnisses einen Graphen von \(\theta\) in Abhängigkeit von \(i\). Erläutern Sie die physikalischen Folgen der Form dieses Graphen für Beobachter an verschiedenen Punkten der Erdoberfläche. Skizzieren Sie den Verlauf der Laufzeiten der P- und S-Wellen als Funktion von \(\theta\) für \(0\leq\theta\leq90\) Grad.
(iv) Nach einem Erdbeben misst ein Beobachter zwischen der Ankunft der P-Welle und der nachfolgenden S-Welle eine Zeitdifferenz von 2 Minuten 11 Sekunden. Bestimmen Sie mithilfe der in Abschnitt (iii) angegebenen Daten den Winkelabstand zwischen dem Erdbeben und dem Beobachter.
(v) Der Beobachter aus der vorherigen Messung stellt fest, dass einige Zeit nach der Ankunft der P- und S-Wellen zwei weitere Signale auf dem Seismometer registriert werden, zwischen denen ein Zeitintervall von 6 Minuten 37 Sekunden liegt. Erklären Sie dieses Ergebnis und überprüfen Sie, dass es tatsächlich dem im vorherigen Abschnitt bestimmten Winkelabstand entspricht.
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Aufgabe 3: Eigenschwingungen von durch Federn verbundenen Massen (Ring und Kette)
Drei Teilchen mit jeweils der Masse \(m\) befinden sich im Gleichgewicht und sind durch ungedehnte, masselose Federn verbunden, die jeweils die Federkonstante \(k\) gemäß dem Hooke’schen Gesetz haben. Sie können sich nur auf einer Kreisbahn bewegen, wie in Abbildung 3.1 dargestellt.

Abbildung 3.1
(i) Wenn die Massen jeweils um die kleinen Auslenkungen \(u_1\), \(u_2\) bzw. \(u_3\) aus ihrer Gleichgewichtslage verschoben werden, geben Sie die Bewegungsgleichung für jede Masse an.
(ii) Zeigen Sie, dass das System harmonische Lösungen der Form
\[ u_n=a_n\cos\omega t, \]
mit den Beschleunigungen \((-\omega^2u_n)\) besitzt, wobei \(a_n\) \((n=1,2,3)\) konstante Amplituden sind und die Kreisfrequenz \(\omega\) drei mögliche Werte annehmen kann:
\[ \omega_o\sqrt{3},\ \omega_o\sqrt{3}\text{ und }0. \quad\text{wobei }\omega_o^2=\frac{k}{m}. \]
(iii) Das System aus abwechselnd angeordneten Federn und Massen wird auf \(N\) Teilchen erweitert; jede Masse \(m\) ist durch Federn mit ihren benachbarten Massen verbunden. Anfangs sind die Federn ungedehnt und im Gleichgewicht. Geben Sie die Bewegungsgleichung der \(n\)-ten Masse \((n=1,2...N)\) in Abhängigkeit von ihrer Auslenkung und den Auslenkungen der benachbarten Massen an, wenn die Teilchen aus ihrer Gleichgewichtslage verschoben werden.
\[ u_n(t)=a_s\sin\left(\frac{2ns\pi}{N}+\phi\right)\cos\omega_s t, \]
sind Schwingungslösungen, wobei \(s=1,2,\ldots N\), \(n=1,2,\ldots N\) und \(\phi\) eine beliebige Phase ist, sofern die Kreisfrequenzen durch
\[ \omega_s=2\omega_o\sin\left(\frac{s\pi}{N}\right), \]
gegeben sind, wobei \(a_s\ (s=1,......N)\) konstante, von \(n\) unabhängige Amplituden sind.
Geben Sie den Bereich der möglichen Frequenzen für eine Kette mit unendlich vielen Massen an.
(iv) Bestimmen Sie das Verhältnis
\[ u_n/u_{n+1} \]
für große \(N\) in den beiden Fällen:
(a) Lösungen mit niedriger Frequenz
(b) \(\omega=\omega_{\max}\), wobei \(\omega_{\max}\) die maximale Frequenz einer Lösung ist.
Skizzieren Sie für die Fälle (a) und (b) typische Diagramme, in denen die Auslenkungen der Teilchen zum Zeitpunkt \(t\) gegen die Teilchennummer entlang der Kette aufgetragen sind.
(v) Wenn eine der Massen durch eine Masse \(m'\ll m\) ersetzt wird, schätzen Sie ab, welche wesentliche Änderung der Kreisfrequenzverteilung zu erwarten ist.
Beschreiben Sie auf der Grundlage des vorherigen Ergebnisses qualitativ die Form des Frequenzspektrums, das Sie für eine zweiatomige Kette mit abwechselnden Massen \(m\) und \(m'\) vorhersagen würden.
Zur Erinnerung
\[ \sin(A+B)=\sin A\cos B+\cos A\sin B \]
\[ \sin A+\sin B =2\sin\left(\frac{A+B}{2}\right) \cos\left(\frac{A-B}{2}\right) \]
\[ 2\sin^2A=1-\cos2A \]
Aufgabentext aus dem offiziellen englischen Text übersetzt.
Uluslararası Fizik Olimpiyatı
IPhO 1986
Londra (Harrow), Birleşik Krallık · 3 teori sorusu, tam çözümleriyle
Soru 1: İki yarık ve bir kırınım ağı: genliklerin vektörel toplamı

Şekil 1.1
Dalga boyu \(\lambda\) ve frekansı \(f\) olan düzlem, tek renkli bir ışık dalgası, Şekil 1.1'de gösterildiği gibi aralarında \(d\) uzaklığı bulunan özdeş iki dar yarığa dik olarak gelmektedir. Her bir yarıktan çıkan ışık dalgası, \(\theta\) doğrultusunda \(x\) uzaklıkta ve \(t\) anında
\[ y=a\cos[2\pi(ft-x/\lambda)] \]
ile verilir; burada \(a\) genliği her iki dalga için aynıdır. (\(x\)'in \(d\)'den çok daha büyük olduğunu varsayın.)
(i) Yarıklara dik doğrultuyla \(\theta\) açısı yapan bir doğrultuda gözlenen iki dalganın bileşke genliği \(A\)'nın, her birinin büyüklüğü \(a\) olan ve doğrultusu ilgili ışık dalgasının fazıyla belirlenen iki vektörün toplanmasıyla elde edilebileceğini gösterin.
Vektör diyagramından geometrik olarak
\[ A=2a\cos\theta \]
olduğunu doğrulayın; burada
\[ \beta=\frac{\pi}{\lambda}d\sin\theta \]
(ii) Çift yarığın yerine, komşu yarıkları arasındaki uzaklık \(d\) olan, eşit aralıklarla yerleştirilmiş \(N\) yarıktan oluşan bir kırınım ağı konuluyor. Genlikleri vektörel olarak toplama yöntemini kullanarak, her birinin büyüklüğü \(a\) olan genlik vektörlerinin, köşeleri yarıçapı \(R\)
\[ R=\frac{a}{2\sin\beta}, \]
ile verilen bir çember üzerinde bulunan düzgün bir çokgenin bir parçasını oluşturduğunu gösterin. Bileşke genliğin
\[ \frac{a\sin N\beta}{\sin\beta} \]
olduğunu çıkarın ve bileşkenin, ağın kenarındaki yarıktan gelen ışığa göre faz farkını elde edin.
(iii) Aynı grafikte \(\sin N\beta\) ve \((1/\sin\beta)\) fonksiyonlarının \(\beta\)'ya bağlı değişimini kabaca çizin. Ayrı bir grafikte bileşke dalganın şiddetinin \(\beta\)'ya bağlı olarak nasıl değiştiğini gösterin.
(iv) Ana şiddet maksimumlarının şiddetlerini belirleyin.
(v) Ana maksimumların sayısının
\[ \left(\frac{2d}{\lambda}+1\right) \]
değerini aşamayacağını gösterin.
(vi) \(\delta\lambda\ll\lambda\) olmak üzere, \(\lambda\) ve \(\lambda+\delta\lambda\) dalga boylarının oluşturduğu ana maksimumlar arasındaki açısal ayrımın
\[ \Delta\theta=\frac{n\Delta\lambda}{d\cos\theta} \qquad\text{burada }n=0,\ \pm1,\ \pm2\ldots\text{vb.} \]
ile verildiğini gösterin. Aşağıdaki değerler için sodyum D çizgilerinin bu açısal ayrımını hesaplayın:
\[ \lambda=589.0\,\mathrm{nm},\quad \lambda+\Delta\lambda=589.6\,\mathrm{nm},\quad n=2,\quad\text{ve }d=1.2\times10^{-6}\,\mathrm{m}. \]
\[ \left[ \text{hatırlatma:}\quad \cos A+\cos B = 2\cos\left(\frac{A+B}{2}\right)\cdot \cos\left(\frac{A-B}{2}\right) \right] \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Soru 2: Sismik dalgalar ve Dünya'nın sıvı çekirdeği
- Bu yüzyılın başlarında, Dünya'nın yarıçapı \(R\) olan ve \(R_c\) yarıçapına kadar homojen, izotrop katı bir mantodan oluşan bir küre olarak kabul edildiği bir model önerildi. \(R_c\) yarıçapının içinde kalan çekirdek bölgesi bir sıvı içeriyordu.

Şekil 2.1
Sırasıyla P ve S dalgaları olarak adlandırılan boyuna ve enine sismik dalgaların hızları manto içinde sabittir ve \(V_P\) ile \(V_S\)'dir. Çekirdekte boyuna dalgaların hızı sabit olup \(V_{CP}, < V_P\)'dir ve enine dalgalar yayılmaz.
Dünya yüzeyindeki E noktasında meydana gelen bir deprem, Dünya'nın içinden geçen ve sismometresini Dünya yüzeyindeki herhangi bir X noktasına yerleştirebilen bir yüzey gözlemcisi tarafından gözlenen sismik dalgalar üretir. E ile X arasındaki açısal uzaklık \(2\theta\),
\[ 2\theta=\text{Açı }EOX \]
ile verilir; burada O, Dünya'nın merkezidir.
(i) Manto içinde doğrusal bir yol boyunca ilerleyen sismik dalgaların X'e ulaşma zamanı \(t\)'nin (depremden sonraki yayılma süresinin)
\[ t=\frac{2R\sin\theta}{v}, \qquad \text{koşuluyla }\theta>\arccos\left[\frac{R_c}{R}\right], \]
ile verildiğini gösteriniz; burada P dalgaları için \(v=v_P\), S dalgaları için ise \(v=v_S\)'dir.
(ii) X'in bazı konumlarında sismik P dalgaları, manto–çekirdek ara yüzünde iki kez kırıldıktan sonra gözlemciye ulaşır. Böyle bir sismik P dalgasının izlediği yolu çiziniz. P dalgaları için \(\theta\) ile sismik P dalgasının manto–çekirdek ara yüzüne gelme açısı \(i\) arasında bir bağıntı elde ediniz.
(iii) Aşağıdaki verileri
\(R\) \(=\) \(6370\ \mathrm{km}\) \(R_C\) \(=\) \(3470\ \mathrm{km}\) \(v_{CP}\) \(=\) \(10.85\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) \(v_S\) \(=\) \(6.31\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) \(v_{CP}\) \(=\) \(9.02\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) ve (ii)'de elde edilen sonucu kullanarak \(\theta\)'nın \(i\)'ye göre grafiğini çiziniz. Bu grafiğin biçiminin, Dünya yüzeyinin farklı noktalarında bulunan gözlemciler açısından fiziksel sonuçlarını yorumlayınız. P ve S dalgalarının yayılma sürelerinin \(\theta\)'ya bağlı değişimini \(0\leq\theta\leq90\) derece aralığında kabaca çiziniz.
(iv) Bir depremden sonra bir gözlemci, P dalgasını izleyen S dalgasının varışı arasındaki zaman farkını 2 dakika 11 saniye olarak ölçer. Bölüm (iii)'te verilen verileri kullanarak depremin gözlemciye olan açısal uzaklığını bulunuz.
(v) Önceki ölçümü yapan gözlemci, P ve S dalgalarının varışından bir süre sonra sismometrede aralarında 6 dakika 37 saniyelik zaman farkı bulunan iki kayıt daha olduğunu fark eder. Bu sonucu açıklayınız ve bunun gerçekten de önceki bölümde belirlenen açısal uzaklıkla ilişkili olduğunu doğrulayınız.
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Soru 3: Yaylarla birbirine bağlı kütlelerin normal modları (halka ve zincir)
Her biri \(m\) kütleli üç parçacık dengededir ve her birinin Hooke yasasındaki yay sabiti \(k\) olan, uzamamış, kütlesiz yaylarla birbirine bağlanmıştır. Parçacıklar, Şekil 3.1'de gösterildiği gibi çembersel bir yörüngede hareket edecek biçimde kısıtlanmıştır.

Şekil 3.1
(i) Her bir kütle denge konumundan sırasıyla \(u_1\), \(u_2\) ve \(u_3\) kadar küçük yer değiştirmeler yaparsa, her kütlenin hareket denklemini yazınız.
(ii) Sistemin
\[ u_n=a_n\cos\omega t, \]
biçiminde, ivmeleri \((-\omega^2u_n)\) olan basit harmonik çözümlere sahip olduğunu doğrulayınız. Burada \(a_n\) \((n=1,2,3)\) sabit genliklerdir ve açısal frekans \(\omega\), şu 3 değeri alabilir:
\[ \omega_o\sqrt{3},\ \omega_o\sqrt{3}\text{ ve }0. \quad\text{burada }\omega_o^2=\frac{k}{m}. \]
(iii) Dönüşümlü olarak sıralanmış yay ve kütlelerden oluşan sistem \(N\) parçacığa genişletilmiştir; her \(m\) kütlesi, komşu kütlelere yaylarla bağlıdır. Başlangıçta yaylar uzamamıştır ve dengededir. Parçacıklar denge konumlarından uzaklaştırıldığında, \(n\). kütlenin \((n=1,2...N)\) hareket denklemini, kendi yer değiştirmesi ve komşu kütlelerin yer değiştirmeleri cinsinden yazınız.
\[ u_n(t)=a_s\sin\left(\frac{2ns\pi}{N}+\phi\right)\cos\omega_s t, \]
ifadeleri, \(s=1,2,\ldots N\), \(n=1,2,\ldots N\) ve \(\phi\) keyfî bir faz olmak üzere, açısal frekansların
\[ \omega_s=2\omega_o\sin\left(\frac{s\pi}{N}\right), \]
ile verilmesi koşuluyla salınımlı çözümlerdir; burada \(a_s\ (s=1,......N)\), \(n\)'den bağımsız sabit genliklerdir.
Sonsuz sayıda kütle içeren bir zincir için mümkün frekans aralığını belirtiniz.
(iv) Büyük \(N\) için
\[ u_n/u_{n+1} \]
oranını şu iki durumda belirleyiniz:
(a) düşük frekanslı çözümler
(b) \(\omega=\omega_{\max}\); burada \(\omega_{\max}\), maksimum frekanslı çözümün frekansıdır.
(a) ve (b) durumları için, \(t\) anında parçacıkların yer değiştirmelerinin zincir boyunca parçacık numarasına göre değişimini gösteren tipik grafikler çiziniz.
(v) Kütlelerden biri \(m'\ll m\) kütlesiyle değiştirilirse, açısal frekans dağılımında ortaya çıkması beklenen herhangi bir önemli değişikliği tahmin ediniz.
Önceki sonuca dayanarak, \(m\) ve \(m'\) kütlelerinin dönüşümlü olarak sıralandığı iki atomlu bir zincir için öngöreceğiniz frekans spektrumunun biçimini nitel olarak açıklayınız.
Hatırlatma
\[ \sin(A+B)=\sin A\cos B+\cos A\sin B \]
\[ \sin A+\sin B =2\sin\left(\frac{A+B}{2}\right) \cos\left(\frac{A-B}{2}\right) \]
\[ 2\sin^2A=1-\cos2A \]
Soru metni resmi İngilizce metinden çevrilmiştir.
Olimpiada Internacional de Física
IPhO 1986
Londres (Harrow), Reino Unido · 3 problemas teóricos con soluciones completas
Problema 1: Dos rendijas y una red de difracción: suma vectorial de amplitudes

Figura 1.1
Una onda luminosa plana y monocromática, de longitud de onda \(\lambda\) y frecuencia \(f\), incide normalmente sobre dos rendijas estrechas idénticas, separadas por una distancia \(d\), como se indica en la Figura 1.1. La onda luminosa que emerge de cada rendija viene dada, a una distancia \(x\) en una dirección \(\theta\) en el instante \(t\), por
\[ y=a\cos[2\pi(ft-x/\lambda)] \]
donde la amplitud \(a\) es la misma para ambas ondas. (Suponga que \(x\) es mucho mayor que \(d\)).
(i) Demuestre que las dos ondas observadas formando un ángulo \(\theta\) con la normal a las rendijas tienen una amplitud resultante \(A\) que puede obtenerse sumando dos vectores, cada uno de módulo \(a\) y con una dirección asociada determinada por la fase de la onda luminosa.
Verifique geométricamente, a partir del diagrama vectorial, que
\[ A=2a\cos\theta \]
donde
\[ \beta=\frac{\pi}{\lambda}d\sin\theta \]
(ii) Se sustituye la doble rendija por una red de difracción con \(N\) rendijas equiespaciadas, cuyas rendijas adyacentes están separadas por una distancia \(d\). Utilice el método vectorial de suma de amplitudes para demostrar que los vectores de amplitud, cada uno de módulo \(a\), forman parte de un polígono regular con vértices sobre una circunferencia de radio \(R\) dado por
\[ R=\frac{a}{2\sin\beta}, \]
Deduzca que la amplitud resultante es
\[ \frac{a\sin N\beta}{\sin\beta} \]
y obtenga la diferencia de fase de la onda resultante respecto a la de la luz procedente de la rendija situada en el borde de la red.
(iii) Represente esquemáticamente, en una misma gráfica, \(\sin N\beta\) y \((1/\sin\beta)\) en función de \(\beta\). En una gráfica aparte, muestre cómo varía la intensidad de la onda resultante en función de \(\beta\).
(iv) Determine las intensidades de los máximos principales de intensidad.
(v) Demuestre que el número de máximos principales no puede superar
\[ \left(\frac{2d}{\lambda}+1\right) \]
(vi) Demuestre que dos longitudes de onda \(\lambda\) y \(\lambda+\delta\lambda\), donde \(\delta\lambda\ll\lambda\), producen máximos principales con una separación angular dada por
\[ \Delta\theta=\frac{n\Delta\lambda}{d\cos\theta} \qquad\text{donde }n=0,\ \pm1,\ \pm2\ldots\text{etc.} \]
Calcule esta separación angular para las líneas D del sodio, para las que
\[ \lambda=589.0\,\mathrm{nm},\quad \lambda+\Delta\lambda=589.6\,\mathrm{nm},\quad n=2,\quad\text{y }d=1.2\times10^{-6}\,\mathrm{m}. \]
\[ \left[ \text{recordatorio:}\quad \cos A+\cos B = 2\cos\left(\frac{A+B}{2}\right)\cdot \cos\left(\frac{A-B}{2}\right) \right] \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Problema 2: Ondas sísmicas y el núcleo líquido de la Tierra
- A principios de este siglo se propuso un modelo de la Tierra en el que se suponía que esta era una esfera de radio \(R\), constituida por un manto sólido homogéneo e isótropo que se extendía hasta el radio \(R_c\). La región del núcleo, dentro del radio \(R_c\), contenía un líquido.

Figura 2.1
Las velocidades de las ondas sísmicas longitudinales y transversales, ondas P y S respectivamente, son constantes, \(V_P\) y \(V_S\), dentro del manto. En el núcleo, las ondas longitudinales tienen una velocidad constante \(V_{CP}, < V_P\), y las ondas transversales no se propagan.
Un terremoto en E, en la superficie de la Tierra, produce ondas sísmicas que viajan por el interior de la Tierra y son observadas por un observador en la superficie que puede instalar su sismómetro en cualquier punto X de la superficie terrestre. La separación angular entre E y X, \(2\theta\), viene dada por
\[ 2\theta=\text{Ángulo }EOX \]
donde O es el centro de la Tierra.
(i) Demuestre que las ondas sísmicas que viajan por el manto en línea recta llegarán a X en un tiempo \(t\) (el tiempo de propagación desde el terremoto) dado por
\[ t=\frac{2R\sin\theta}{v}, \qquad \text{para }\theta>\arccos\left[\frac{R_c}{R}\right], \]
donde \(v=v_P\) para las ondas P y \(v=v_S\) para las ondas S.
(ii) Para algunas posiciones de X, las ondas sísmicas P llegan al observador tras dos refracciones en la interfaz entre el manto y el núcleo. Dibuje la trayectoria de una de estas ondas sísmicas P. Obtenga una relación entre \(\theta\) e \(i\), el ángulo de incidencia de la onda sísmica P en la interfaz entre el manto y el núcleo, para las ondas P.
(iii) Utilizando los datos
\(R\) \(=\) \(6370\ \mathrm{km}\) \(R_C\) \(=\) \(3470\ \mathrm{km}\) \(v_{CP}\) \(=\) \(10.85\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) \(v_S\) \(=\) \(6.31\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) \(v_{CP}\) \(=\) \(9.02\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) y el resultado obtenido en (ii), dibuje una gráfica de \(\theta\) en función de \(i\). Comente las consecuencias físicas de la forma de esta gráfica para observadores situados en distintos puntos de la superficie terrestre. Esboce la variación del tiempo de propagación de las ondas P y S en función de \(\theta\) para \(0\leq\theta\leq90\) grados.
(iv) Tras un terremoto, un observador mide un retraso de 2 minutos y 11 segundos entre la llegada de la onda P y la de la onda S, que llega después. Deduzca la separación angular entre el terremoto y el observador utilizando los datos del apartado (iii).
(v) El observador de la medición anterior advierte que, algún tiempo después de la llegada de las ondas P y S, aparecen otros dos registros en el sismómetro separados por un intervalo de tiempo de 6 minutos y 37 segundos. Explique este resultado y verifique que corresponde efectivamente a la separación angular determinada en el apartado anterior.
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
Problema 3: Modos normales de masas unidas por resortes (anillo y cadena)
Tres partículas, cada una de masa \(m\), están en equilibrio y unidas por resortes sin estirar y sin masa, cada uno con constante elástica \(k\) según la ley de Hooke. Están obligadas a moverse en una trayectoria circular, como se indica en la Figura 3.1.

Figura 3.1
(i) Si cada masa se desplaza de su posición de equilibrio una pequeña distancia \(u_1\), \(u_2\) y \(u_3\), respectivamente, escriba la ecuación de movimiento de cada masa.
(ii) Verifique que el sistema tiene soluciones armónicas simples de la forma
\[ u_n=a_n\cos\omega t, \]
con aceleraciones \((-\omega^2u_n)\), donde \(a_n\) \((n=1,2,3)\) son amplitudes constantes, y \(\omega\), la frecuencia angular, puede tomar 3 valores posibles,
\[ \omega_o\sqrt{3},\ \omega_o\sqrt{3}\text{ y }0. \quad\text{donde }\omega_o^2=\frac{k}{m}. \]
(iii) El sistema de resortes y masas alternados se amplía a \(N\) partículas; cada masa \(m\) está unida mediante resortes a sus masas vecinas. Inicialmente, los resortes están sin estirar y en equilibrio. Escriba la ecuación de movimiento de la masa \(n\)-ésima \((n=1,2...N)\) en función de su desplazamiento y de los de las masas adyacentes cuando las partículas se desplazan del equilibrio.
\[ u_n(t)=a_s\sin\left(\frac{2ns\pi}{N}+\phi\right)\cos\omega_s t, \]
son soluciones oscilatorias donde \(s=1,2,\ldots N\), \(n=1,2,\ldots N\) y donde \(\phi\) es una fase arbitraria, siempre que las frecuencias angulares estén dadas por
\[ \omega_s=2\omega_o\sin\left(\frac{s\pi}{N}\right), \]
donde \(a_s\ (s=1,......N)\) son amplitudes constantes independientes de \(n\).
Indique el intervalo de frecuencias posibles para una cadena que contiene un número infinito de masas.
(iv) Determine el cociente
\[ u_n/u_{n+1} \]
para \(N\) grande, en los dos casos:
(a) soluciones de baja frecuencia
(b) \(\omega=\omega_{\max}\), donde \(\omega_{\max}\) es la frecuencia máxima de las soluciones.
Esboce gráficas típicas que indiquen los desplazamientos de las partículas en función del número de partícula a lo largo de la cadena en el instante \(t\), para los casos (a) y (b).
(v) Si una de las masas se sustituye por una masa \(m'\ll m\), estime cualquier cambio importante que cabría esperar en la distribución de frecuencias angulares.
Describa cualitativamente la forma del espectro de frecuencias que se predeciría para una cadena diatómica con masas alternadas \(m\) y \(m'\), basándose en el resultado anterior.
Recordatorio
\[ \sin(A+B)=\sin A\cos B+\cos A\sin B \]
\[ \sin A+\sin B =2\sin\left(\frac{A+B}{2}\right) \cos\left(\frac{A-B}{2}\right) \]
\[ 2\sin^2A=1-\cos2A \]
Enunciado traducido del texto oficial en inglés.
国际物理奥林匹克
IPhO 1986
英国伦敦(哈罗) · 3 道理论题及完整解答
题目 1:双缝与衍射光栅:振幅的矢量叠加

图 1.1
一束波长为 \(\lambda\)、频率为 \(f\) 的平面单色光波垂直入射到两条相同的狭缝上,两缝间距为 \(d\),如图 1.1 所示。每条狭缝出射的光波,在沿 \(\theta\) 方向距离狭缝 \(x\) 处、时刻 \(t\) 的表达式为
\[ y=a\cos[2\pi(ft-x/\lambda)] \]
其中,两列波的振幅 \(a\) 相同。(假设 \(x\) 远大于 \(d\)。)
(i) 证明:在与狭缝法线成 \(\theta\) 角的方向上观察到的两列波,其合振幅 \(A\) 可以通过两个矢量相加得到;每个矢量的大小均为 \(a\),其方向由相应光波的相位决定。
根据矢量图,用几何方法验证
\[ A=2a\cos\theta \]
其中
\[ \beta=\frac{\pi}{\lambda}d\sin\theta \]
(ii) 将双缝替换为具有 \(N\) 条等间距狭缝的衍射光栅,相邻狭缝间距为 \(d\)。利用振幅的矢量叠加法证明:大小均为 \(a\) 的振幅矢量构成一个正多边形的一部分,其顶点位于半径为 \(R\) 的圆上,且
\[ R=\frac{a}{2\sin\beta}, \]
由此推导出合振幅为
\[ \frac{a\sin N\beta}{\sin\beta} \]
并求出合成波相对于光栅边缘狭缝出射光的相位差。
(iii) 在同一张图中画出 \(\sin N\beta\) 和 \((1/\sin\beta)\) 随 \(\beta\) 变化的示意曲线。另画一张图,表示合成波的光强随 \(\beta\) 的变化。
(iv) 求各主极大的光强。
(v) 证明主极大的数目不能超过
\[ \left(\frac{2d}{\lambda}+1\right) \]
(vi) 证明:波长分别为 \(\lambda\) 和 \(\lambda+\delta\lambda\) 的两种光,其中 \(\delta\lambda\ll\lambda\),所产生的主极大之间的角间隔为
\[ \Delta\theta=\frac{n\Delta\lambda}{d\cos\theta} \qquad\text{其中 }n=0,\ \pm1,\ \pm2\ldots\text{等} \]
计算钠 D 线的这一角间隔,已知
\[ \lambda=589.0\,\mathrm{nm},\quad \lambda+\Delta\lambda=589.6\,\mathrm{nm},\quad n=2,\quad\text{且 }d=1.2\times10^{-6}\,\mathrm{m}. \]
\[ \left[ \text{提示:}\quad \cos A+\cos B = 2\cos\left(\frac{A+B}{2}\right)\cdot \cos\left(\frac{A-B}{2}\right) \right] \]
题目译自官方英文原文。
题目 2:地震波与地球的液态地核
- 本世纪初,人们提出了一种地球模型,将地球假定为半径为 \(R\) 的球体,从表面到半径为 \(R_c\) 处为均匀、各向同性的固态地幔。半径 \(R_c\) 以内的地核区域充满液体。

图 2.1
纵向地震波和横向地震波分别称为 P 波和 S 波,它们在地幔中的传播速度分别为常量 \(V_P\) 和 \(V_S\)。在地核中,纵波以恒定速度 \(V_{CP}, < V_P\) 传播,而横波不能传播。
地球表面 E 点发生地震,产生的地震波在地球内部传播,并由地表观测者记录。观测者可将地震仪设置在地球表面的任意点 X。E 与 X 之间的角距离为 \(2\theta\),定义为
\[ 2\theta=\text{角 }EOX \]
其中 O 为地心。
(i) 证明:沿直线穿过地幔的地震波到达 X 的时刻 \(t\)(自地震发生后算起的传播时间)为
\[ t=\frac{2R\sin\theta}{v}, \qquad \text{当 }\theta>\arccos\left[\frac{R_c}{R}\right], \]
其中,对于 P 波,\(v=v_P\);对于 S 波,\(v=v_S\)。
(ii) 对于 X 的某些位置,地震 P 波在地幔与地核的界面处经过两次折射后到达观测者。画出这样的地震 P 波的传播路径。求出 P 波的 \(\theta\) 与 \(i\) 之间的关系,其中 \(i\) 为地震 P 波在地幔与地核界面处的入射角。
(iii) 利用以下数据
\(R\) \(=\) \(6370\ \mathrm{km}\) \(R_C\) \(=\) \(3470\ \mathrm{km}\) \(v_{CP}\) \(=\) \(10.85\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) \(v_S\) \(=\) \(6.31\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) \(v_{CP}\) \(=\) \(9.02\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) 以及 (ii) 中得到的结果,画出 \(\theta\) 随 \(i\) 变化的图像。说明该图像的形状对于位于地球表面不同位置的观测者有何物理意义。画出 P 波和 S 波的传播时间随 \(\theta\) 变化的示意图,范围为 \(0\leq\theta\leq90\) 度。
(iv) 一次地震后,某观测者测得 S 波比 P 波晚到达 2 分 11 秒。利用 (iii) 部分给出的数据,求出震源与观测者之间的角距离。
(v) 上述测量中的观测者注意到,在 P 波和 S 波到达一段时间之后,地震仪又记录到两个信号,两者的时间间隔为 6 分 37 秒。解释这一结果,并验证它确实与上一部分求得的角距离相符。
题目译自官方英文原文。
题目 3:弹簧连接的质点的简正模(环与链)
三个质量均为 \(m\) 的质点处于平衡状态,由未伸长的无质量弹簧连接,每根弹簧的胡克定律劲度系数均为 \(k\)。它们被约束在圆形路径上运动,如图 3.1 所示。

图 3.1
(i) 若各质点分别偏离平衡位置一个微小位移 \(u_1\)、\(u_2\) 和 \(u_3\),写出每个质点的运动方程。
(ii) 验证该系统具有如下形式的简谐解
\[ u_n=a_n\cos\omega t, \]
其加速度为 \((-\omega^2u_n)\),其中 \(a_n\) \((n=1,2,3)\) 为恒定振幅,角频率 \(\omega\) 可以取以下 3 个值,
\[ \omega_o\sqrt{3},\ \omega_o\sqrt{3}\text{ 和 }0. \quad\text{其中 }\omega_o^2=\frac{k}{m}. \]
(iii) 将弹簧与质点交替排列的系统扩展到 \(N\) 个质点,每个质量为 \(m\) 的质点都通过弹簧与其相邻质点相连。初始时,弹簧均未伸长,系统处于平衡状态。当各质点偏离平衡位置时,用第 \(n\) 个质点 \((n=1,2...N)\) 及其相邻质点的位移写出该质点的运动方程。
\[ u_n(t)=a_s\sin\left(\frac{2ns\pi}{N}+\phi\right)\cos\omega_s t, \]
是振动解,其中 \(s=1,2,\ldots N\)、\(n=1,2,\ldots N\),\(\phi\) 为任意相位,条件是角频率满足
\[ \omega_s=2\omega_o\sin\left(\frac{s\pi}{N}\right), \]
其中 \(a_s\ (s=1,......N)\) 是与 \(n\) 无关的恒定振幅。
指出包含无穷多个质点的链所允许的频率范围。
(iv) 对于较大的 \(N\),求比值
\[ u_n/u_{n+1} \]
在以下两种情况下的值:
(a) 低频解
(b) \(\omega=\omega_{\max}\),其中 \(\omega_{\max}\) 为解的最大频率。
对于情况 (a) 和 (b),画出典型示意图,表示时刻 \(t\) 各质点的位移随沿链的质点编号的变化。
(v) 若将其中一个质点替换为质量为 \(m'\ll m\) 的质点,估计角频率分布可能发生的任何重大变化。
根据上述结果,定性描述质量为 \(m\) 和 \(m'\) 的质点交替排列的双原子链预期具有的频谱形式。
提示
\[ \sin(A+B)=\sin A\cos B+\cos A\sin B \]
\[ \sin A+\sin B =2\sin\left(\frac{A+B}{2}\right) \cos\left(\frac{A-B}{2}\right) \]
\[ 2\sin^2A=1-\cos2A \]
题目译自官方英文原文。
Международная физическая олимпиада
IPhO 1986
Лондон (Хэрроу), Великобритания · 3 теоретические задачи с полными решениями
Задача 1: Две щели и дифракционная решётка: векторное сложение амплитуд

Рисунок 1.1
Плоская монохроматическая световая волна с длиной волны \(\lambda\) и частотой \(f\) падает нормально на две одинаковые узкие щели, расположенные на расстоянии \(d\) друг от друга, как показано на рисунке 1.1. Световая волна, выходящая из каждой щели, на расстоянии \(x\) в направлении \(\theta\) в момент времени \(t\) описывается выражением
\[ y=a\cos[2\pi(ft-x/\lambda)] \]
где амплитуда \(a\) одинакова для обеих волн. (Считайте, что \(x\) значительно больше \(d\)).
(i) Покажите, что результирующую амплитуду \(A\) двух волн, наблюдаемых под углом \(\theta\) к нормали к плоскости щелей, можно получить сложением двух векторов, каждый из которых имеет модуль \(a\) и направление, определяемое фазой соответствующей световой волны.
Используя векторную диаграмму, геометрически убедитесь, что
\[ A=2a\cos\theta \]
где
\[ \beta=\frac{\pi}{\lambda}d\sin\theta \]
(ii) Две щели заменяют дифракционной решёткой с \(N\) равноотстоящими щелями; расстояние между соседними щелями равно \(d\). Используя векторный метод сложения амплитуд, покажите, что векторы амплитуд, каждый из которых имеет модуль \(a\), образуют часть правильного многоугольника с вершинами на окружности радиуса \(R\), определяемого выражением
\[ R=\frac{a}{2\sin\beta}, \]
Выведите отсюда, что результирующая амплитуда равна
\[ \frac{a\sin N\beta}{\sin\beta} \]
и найдите разность фаз результирующей волны и света от щели, расположенной на краю решётки.
(iii) Изобразите схематически на одном графике \(\sin N\beta\) и \((1/\sin\beta)\) как функции \(\beta\). На отдельном графике покажите, как интенсивность результирующей волны зависит от \(\beta\).
(iv) Определите интенсивности главных максимумов.
(v) Покажите, что число главных максимумов не может превышать
\[ \left(\frac{2d}{\lambda}+1\right) \]
(vi) Покажите, что для двух длин волн \(\lambda\) и \(\lambda+\delta\lambda\), где \(\delta\lambda\ll\lambda\), угловое расстояние между главными максимумами определяется выражением
\[ \Delta\theta=\frac{n\Delta\lambda}{d\cos\theta} \qquad\text{где }n=0,\ \pm1,\ \pm2\ldots\text{и т. д.} \]
Вычислите это угловое расстояние для D-линий натрия, для которых
\[ \lambda=589.0\,\mathrm{nm},\quad \lambda+\Delta\lambda=589.6\,\mathrm{nm},\quad n=2,\quad\text{и }d=1.2\times10^{-6}\,\mathrm{m}. \]
\[ \left[ \text{напоминание:}\quad \cos A+\cos B = 2\cos\left(\frac{A+B}{2}\right)\cdot \cos\left(\frac{A-B}{2}\right) \right] \]
Условие переведено с официального английского текста.
Задача 2: Сейсмические волны и жидкое ядро Земли
- В начале этого столетия была предложена модель Земли, в которой она считалась шаром радиуса \(R\), состоящим из однородной изотропной твёрдой мантии, простирающейся вглубь до радиуса \(R_c\). Область ядра внутри радиуса \(R_c\) была заполнена жидкостью.

Рисунок 2.1
Скорости продольных и поперечных сейсмических волн, соответственно P- и S-волн, постоянны в мантии и равны \(V_P\) и \(V_S\). В ядре продольные волны имеют постоянную скорость \(V_{CP}, < V_P\), а поперечные волны не распространяются.
Землетрясение в точке E на поверхности Земли порождает сейсмические волны, которые проходят через Землю и регистрируются наблюдателем на поверхности, способным установить свой сейсмометр в любой точке X земной поверхности. Угловое расстояние между E и X, \(2\theta\), задаётся выражением
\[ 2\theta=\text{Угол }EOX \]
где O — центр Земли.
(i) Покажите, что сейсмические волны, распространяющиеся через мантию по прямой, достигают X за время \(t\) (время распространения после землетрясения), которое определяется выражением
\[ t=\frac{2R\sin\theta}{v}, \qquad \text{при }\theta>\arccos\left[\frac{R_c}{R}\right], \]
где \(v=v_P\) для P-волн и \(v=v_S\) для S-волн.
(ii) При некоторых положениях X сейсмические P-волны достигают наблюдателя после двух преломлений на границе мантии и ядра. Изобразите путь такой сейсмической P-волны. Получите соотношение между \(\theta\) и \(i\), углом падения сейсмической P-волны на границу мантии и ядра, для P-волн.
(iii) Используя данные
\(R\) \(=\) \(6370\ \mathrm{km}\) \(R_C\) \(=\) \(3470\ \mathrm{km}\) \(v_{CP}\) \(=\) \(10.85\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) \(v_S\) \(=\) \(6.31\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) \(v_{CP}\) \(=\) \(9.02\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) и результат, полученный в (ii), постройте график зависимости \(\theta\) от \(i\). Обсудите физические следствия формы этого графика для наблюдателей, находящихся в разных точках земной поверхности. Схематически изобразите зависимость времени распространения P- и S-волн от \(\theta\) при \(0\leq\theta\leq90\) градусов.
(iv) После землетрясения наблюдатель измерил задержку прихода S-волны относительно P-волны, составившую 2 минуты 11 секунд. Определите угловое расстояние от места землетрясения до наблюдателя, используя данные из пункта (iii).
(v) Наблюдатель, выполнивший предыдущее измерение, замечает, что спустя некоторое время после прихода P- и S-волн сейсмометр регистрирует ещё два сигнала, разделённых интервалом времени 6 минут 37 секунд. Объясните этот результат и проверьте, что он действительно соответствует угловому расстоянию, определённому в предыдущем пункте.
Условие переведено с официального английского текста.
Задача 3: Нормальные моды системы грузов, соединённых пружинами (кольцо и цепочка)
Три частицы, каждая массой \(m\), находятся в равновесии и соединены нерастянутыми невесомыми пружинами, каждая из которых имеет жёсткость \(k\) и подчиняется закону Гука. Частицы могут двигаться только по окружности, как показано на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1
(i) Если каждый груз сместить из положения равновесия на малые величины \(u_1\), \(u_2\) и \(u_3\) соответственно, запишите уравнение движения для каждого груза.
(ii) Убедитесь, что система имеет решения, описывающие простые гармонические колебания вида
\[ u_n=a_n\cos\omega t, \]
с ускорениями \((-\omega^2u_n)\), где \(a_n\) \((n=1,2,3)\) — постоянные амплитуды, а \(\omega\) — угловая частота, которая может принимать 3 возможных значения:
\[ \omega_o\sqrt{3},\ \omega_o\sqrt{3}\text{ и }0. \quad\text{где }\omega_o^2=\frac{k}{m}. \]
(iii) Система чередующихся пружин и грузов расширена до \(N\) частиц; каждый груз массой \(m\) соединён пружинами с соседними грузами. Вначале пружины не растянуты и система находится в равновесии. Запишите уравнение движения \(n\)-го груза \((n=1,2...N)\) через его смещение и смещения соседних грузов при отклонении частиц от положения равновесия.
\[ u_n(t)=a_s\sin\left(\frac{2ns\pi}{N}+\phi\right)\cos\omega_s t, \]
являются колебательными решениями, где \(s=1,2,\ldots N\), \(n=1,2,\ldots N\), а \(\phi\) — произвольная фаза, при условии, что угловые частоты задаются выражением
\[ \omega_s=2\omega_o\sin\left(\frac{s\pi}{N}\right), \]
где \(a_s\ (s=1,......N)\) — постоянные амплитуды, не зависящие от \(n\).
Укажите диапазон возможных частот для цепочки, содержащей бесконечное число грузов.
(iv) Определите отношение
\[ u_n/u_{n+1} \]
при больших \(N\) в двух случаях:
(a) решения с низкой частотой
(b) \(\omega=\omega_{\max}\), где \(\omega_{\max}\) — максимальная частота решения.
Схематически изобразите характерные графики зависимости смещений частиц от номера частицы вдоль цепочки в момент времени \(t\) для случаев (a) и (b).
(v) Если один из грузов заменить грузом массой \(m'\ll m\), оцените, какое существенное изменение следует ожидать в распределении угловых частот.
На основании предыдущего результата качественно опишите вид частотного спектра, который следует ожидать для двухатомной цепочки с чередующимися массами \(m\) и \(m'\).
Напоминание
\[ \sin(A+B)=\sin A\cos B+\cos A\sin B \]
\[ \sin A+\sin B =2\sin\left(\frac{A+B}{2}\right) \cos\left(\frac{A-B}{2}\right) \]
\[ 2\sin^2A=1-\cos2A \]
Условие переведено с официального английского текста.
الأولمبياد الدولي للفيزياء
IPhO 1986
لندن (هارو)، المملكة المتحدة · 3 مسائل نظرية مع حلول كاملة
المسألة 1: شقّان ومحزوز حيود: الجمع المتجهي للسعات

الشكل 1.1
تسقط موجة ضوئية مستوية أحادية اللون، طولها الموجي \(\lambda\) وترددها \(f\)، سقوطًا عموديًا على شقّين ضيقين متماثلين، تفصل بينهما مسافة \(d\)، كما هو موضح في الشكل 1.1. وتُعطى الموجة الضوئية الخارجة من كل شق، على مسافة \(x\) في اتجاه \(\theta\) عند الزمن \(t\)، بالعلاقة
\[ y=a\cos[2\pi(ft-x/\lambda)] \]
حيث السعة \(a\) متساوية للموجتين. (افترض أن \(x\) أكبر بكثير من \(d\)).
(i) بيّن أن الموجتين المرصودتين عند زاوية \(\theta\) مع العمود على الشقّين لهما سعة محصلة \(A\) يمكن الحصول عليها بجمع متجهين، مقدار كل منهما \(a\)، ولكل منهما اتجاه يحدده طور الموجة الضوئية.
تحقق هندسيًا، باستخدام مخطط المتجهات، من أن
\[ A=2a\cos\theta \]
حيث
\[ \beta=\frac{\pi}{\lambda}d\sin\theta \]
(ii) يُستبدل بالشقّين محزوز حيود يحتوي على \(N\) شقوق متساوية التباعد، تفصل بين كل شقّين متجاورين مسافة \(d\). استخدم الطريقة المتجهية لجمع السعات لتبيّن أن متجهات السعة، ومقدار كل منها \(a\)، تشكّل جزءًا من مضلع منتظم تقع رؤوسه على دائرة نصف قطرها \(R\) يُعطى بالعلاقة
\[ R=\frac{a}{2\sin\beta}, \]
استنتج أن السعة المحصلة هي
\[ \frac{a\sin N\beta}{\sin\beta} \]
وأوجد فرق طور المحصلة بالنسبة إلى طور الضوء الصادر من الشق الواقع عند حافة المحزوز.
(iii) ارسم تخطيطيًا، في الرسم البياني نفسه، \(\sin N\beta\) و\((1/\sin\beta)\) بدلالة \(\beta\). وبيّن في رسم بياني منفصل كيف تتغير شدة الموجة المحصلة بدلالة \(\beta\).
(iv) حدّد شدات القيم العظمى الرئيسية للشدة.
(v) بيّن أن عدد القيم العظمى الرئيسية لا يمكن أن يتجاوز
\[ \left(\frac{2d}{\lambda}+1\right) \]
(vi) بيّن أن طولين موجيين \(\lambda\) و\(\lambda+\delta\lambda\)، حيث \(\delta\lambda\ll\lambda\)، ينتجان قيمًا عظمى رئيسية يُعطى الفصل الزاوي بينها بالعلاقة
\[ \Delta\theta=\frac{n\Delta\lambda}{d\cos\theta} \qquad\text{حيث }n=0,\ \pm1,\ \pm2\ldots\text{إلخ} \]
احسب هذا الفصل الزاوي لخطّي الصوديوم D اللذين تكون لهما
\[ \lambda=589.0\,\mathrm{nm},\quad \lambda+\Delta\lambda=589.6\,\mathrm{nm},\quad n=2,\quad\text{و }d=1.2\times10^{-6}\,\mathrm{m}. \]
\[ \left[ \text{تذكير:}\quad \cos A+\cos B = 2\cos\left(\frac{A+B}{2}\right)\cdot \cos\left(\frac{A-B}{2}\right) \right] \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
المسألة 2: الموجات الزلزالية ولب الأرض السائل
- في أوائل هذا القرن، اقتُرح نموذج للأرض يُفترض فيه أنها كرة نصف قطرها \(R\)، تتكون من وشاح صلب متجانس ومتساوي الخواص يمتد إلى الداخل حتى نصف القطر \(R_c\). وكانت منطقة اللب الواقعة داخل نصف القطر \(R_c\) تحتوي على سائل.

الشكل 2.1
سرعتا الموجات الزلزالية الطولية والمستعرضة، أي الموجات P والموجات S على الترتيب، ثابتتان داخل الوشاح، وتساويان \(V_P\) و\(V_S\). أما في اللب، فللموجات الطولية سرعة ثابتة \(V_{CP}, < V_P\)، ولا تنتشر فيه الموجات المستعرضة.
يُولِّد زلزال عند النقطة E على سطح الأرض موجات زلزالية تنتقل عبر الأرض ويرصدها راصد على السطح يستطيع وضع مقياس الزلازل الخاص به عند أي نقطة X على سطح الأرض. ويُعطى الفصل الزاوي بين E وX، وهو \(2\theta\)، بالعلاقة
\[ 2\theta=\text{الزاوية }EOX \]
حيث O مركز الأرض.
(i) بيّن أن الموجات الزلزالية التي تنتقل عبر الوشاح في خط مستقيم تصل إلى X عند زمن \(t\) (زمن الانتقال بعد وقوع الزلزال)، يُعطى بالعلاقة
\[ t=\frac{2R\sin\theta}{v}, \qquad \text{عندما }\theta>\arccos\left[\frac{R_c}{R}\right], \]
حيث \(v=v_P\) للموجات P و\(v=v_S\) للموجات S.
(ii) عند بعض مواضع X، تصل الموجات الزلزالية P إلى الراصد بعد انكسارين عند السطح الفاصل بين الوشاح واللب. ارسم مسار موجة زلزالية P من هذا النوع. أوجد، للموجات P، علاقة بين \(\theta\) و\(i\)، حيث \(i\) زاوية سقوط الموجة الزلزالية P على السطح الفاصل بين الوشاح واللب.
(iii) باستخدام البيانات
\(R\) \(=\) \(6370\ \mathrm{km}\) \(R_C\) \(=\) \(3470\ \mathrm{km}\) \(v_{CP}\) \(=\) \(10.85\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) \(v_S\) \(=\) \(6.31\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) \(v_{CP}\) \(=\) \(9.02\ \mathrm{km\,s^{-1}}\) والنتيجة التي حصلت عليها في (ii)، ارسم منحنى \(\theta\) بدلالة \(i\). علّق على الآثار الفيزيائية المترتبة على شكل هذا المنحنى بالنسبة إلى الراصدين الموجودين عند نقاط مختلفة على سطح الأرض. ارسم رسمًا تخطيطيًا لتغيّر زمن انتقال الموجات P والموجات S بدلالة \(\theta\) في المجال \(0\leq\theta\leq90\) درجة.
(iv) بعد زلزال، قاس راصد التأخر الزمني لوصول الموجة S التي تتبع الموجة P، فوجده دقيقتين و11 ثانية. استنتج الفصل الزاوي بين موقع الزلزال والراصد باستخدام البيانات الواردة في القسم (iii).
(v) لاحظ الراصد في القياس السابق أنه بعد مدة من وصول الموجتين P وS، ظهر تسجيلان آخران على مقياس الزلازل يفصل بينهما فاصل زمني مقداره 6 دقائق و37 ثانية. فسّر هذه النتيجة وتحقّق من أنها ترتبط بالفعل بالفصل الزاوي الذي حُدِّد في القسم السابق.
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.
المسألة 3: الأنماط الطبيعية لكتل موصولة بنوابض (حلقة وسلسلة)
ثلاثة جسيمات، كتلة كل منها \(m\)، في حالة اتزان وموصولة بنوابض عديمة الكتلة وغير مستطالة، ثابت النابض لكل منها وفق قانون هوك هو \(k\). وهي مقيدة بالحركة في مسار دائري كما هو موضح في الشكل 3.1.

الشكل 3.1
(i) إذا أُزيحت كل كتلة عن موضع اتزانها بإزاحات صغيرة \(u_1\) و\(u_2\) و\(u_3\) على الترتيب، فاكتب معادلة الحركة لكل كتلة.
(ii) تحقق من أن للنظام حلولًا توافقية بسيطة على الصورة
\[ u_n=a_n\cos\omega t, \]
بتسارعات \((-\omega^2u_n)\)، حيث \(a_n\) \((n=1,2,3)\) سعات ثابتة، ويمكن للتردد الزاوي \(\omega\) أن يأخذ 3 قيم ممكنة، هي
\[ \omega_o\sqrt{3},\ \omega_o\sqrt{3}\text{ و }0. \quad\text{حيث }\omega_o^2=\frac{k}{m}. \]
(iii) يُوسَّع نظام النوابض والكتل المتناوبة ليضم \(N\) جسيمًا، وتُوصَل كل كتلة \(m\) بالكتل المجاورة لها بواسطة نوابض. تكون النوابض في البداية غير مستطالة وفي حالة اتزان. اكتب معادلة حركة الكتلة ذات الرقم \(n\) \((n=1,2...N)\) بدلالة إزاحتها وإزاحات الكتل المجاورة عندما تُزاح الجسيمات عن مواضع اتزانها.
\[ u_n(t)=a_s\sin\left(\frac{2ns\pi}{N}+\phi\right)\cos\omega_s t, \]
هي حلول اهتزازية، حيث \(s=1,2,\ldots N\) و\(n=1,2,\ldots N\)، وحيث \(\phi\) طور اختياري، شريطة أن تكون الترددات الزاوية معطاة بالعلاقة
\[ \omega_s=2\omega_o\sin\left(\frac{s\pi}{N}\right), \]
حيث \(a_s\ (s=1,......N)\) سعات ثابتة مستقلة عن \(n\).
اذكر مجال الترددات الممكنة لسلسلة تحتوي على عدد لا نهائي من الكتل.
(iv) حدد النسبة
\[ u_n/u_{n+1} \]
عندما تكون \(N\) كبيرة، في الحالتين:
(a) الحلول ذات التردد المنخفض
(b) \(\omega=\omega_{\max}\)، حيث \(\omega_{\max}\) هو التردد الأعظمي للحلول.
ارسم رسومًا بيانية نموذجية توضح إزاحات الجسيمات بدلالة رقم الجسيم على امتداد السلسلة عند الزمن \(t\) للحالتين (a) و(b).
(v) إذا استُبدلت إحدى الكتل بكتلة \(m'\ll m\)، فقدّر أي تغير كبير يُتوقع حدوثه في توزيع الترددات الزاوية.
صف وصفًا نوعيًا شكل طيف الترددات المتوقع لسلسلة ثنائية الذرة ذات كتل متناوبة \(m\) و\(m'\)، استنادًا إلى النتيجة السابقة.
تذكير
\[ \sin(A+B)=\sin A\cos B+\cos A\sin B \]
\[ \sin A+\sin B =2\sin\left(\frac{A+B}{2}\right) \cos\left(\frac{A-B}{2}\right) \]
\[ 2\sin^2A=1-\cos2A \]
نص المسألة مترجم عن النص الإنجليزي الرسمي.