Canada 2009

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CAP High School Prize Exam 6 April 2009 9:00 – 12:00

Competitor’s Information Sheet

The following information will be used to inform competitors and schools of the exam results, to determine eligibility for some subsequent competitions, and for statistical purposes. Only the marking code, to be assigned by the local examination committee, will be used to identify papers for marking.

Marking Code:

This box must be left empty.

PLEASE PRINT CLEARLY IN BLOCK LETTERS.

Family Name:_________Given Name:

Home Address:_________________________________________________________________

_________________________________________ Postal Code:______________

Telephone: ( )____________________ E-mail: __________________________________

School: ____________________________________________________________ Grade:_____

Physics Teacher: _______________________________________________________________

Date of Birth: ___________________________ Sex: Male Female

Citizenship: ______________________________________________________ or

Immigration Status:_____________________________________________________________

For how many years have you studied in a Canadian school? ____________________________

Would you prefer the further correspondence in French or English? _______________________

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Canadian Association of Physicists Canadian Chemistry and Physics Olympiads

Canadian Association of Physicists 2009 Prize Exam

This is a three-hour exam. National ranking and prizes will be based on a student’s performance on sections A, B, and C of the exam. Performance on the questions in part A will be used to determine whose written work in parts B and C will be marked for prize consideration by the CAP Exam National Committee. The marking scheme is: 40% for part A, 10% for part B, and 50% for part C. Part A consists of twenty multiple-choice questions; part B consists of five questions that require graphic solution. The problems in part C can also require graphing. The questions in part C have a range of difficulty. Do be careful to gather as many of the easier marks as possible before venturing into more difficult territory. If an answer to part (a) of a question is needed for part (b), and you are not able to solve part (a), assume a likely solution and attempt the rest of the question anyway. No student is expected to complete this exam and parts of each problem may be very challenging.

Non-programmable calculators may be used. Please be careful to answer the multiple-choice questions on the answer card/sheet provided; most importantly, write your solutions to the three long problems on three separate sheets as they will be marked by people in different parts of Canada. Good luck.

Data

Speed of light $c = 3.00 \times 1 0^{8} m/s$ Gravitational constant $G = 6.67 \times 1 0^{- 11} N \cdot m^{2} / kg^{2}$ Acceleration due to gravity $g = 9.80 m/s^{2}$ Density of fresh water $ρ = 1.00 \times 1 0^{3} kg/m^{3}$ Specific heat capacity for water $c = 4.19 \times 1 0^{3} J/(kg \cdot K)$ The normal atmospheric pressure $P_{0} = 1.01 \times 1 0^{5} Pa$ Fundamental charge $e = 1.60 \times 1 0^{- 19} C$ Mass of electron $m_{e} = 9.11 \times 1 0^{- 31} kg$ Mass of proton $m_{p} = 1.67 \times 1 0^{- 27} kg$

Part A: Multiple Choice

Question 1 A ball falls to the earth from a height $h$ and bounces to a height $h^{'}$ . Momentum is conserved in the ball-earth system: (a) no matter what height $h^{'}$ the ball reaches. (b) only if $h^{'} < h$ . (c) only if $h^{'} = h$ . (d) only if $h^{'} > h$ . (e) only if $h^{'} \geq h$ .

Question 2 A tap water pipe is bent as shown in the diagram. Sections 1 and 2 of the pipe are horizontal but section 2 is placed higher at a height of $H$ . The diameter of the pipe of section 1 is 1.5 times larger than the diameter of section 2. Indicate which of the following is the most complete answer for the relationship between the hydrostatic pressures measured by the gauges in sections 1 and 2:

A. $P_{1} < P_{2}$ because water flows slower in section 1.
B. $P_{1} > P_{2}$ because water flows slower in section 1.
C. $P_{1} > P_{2}$ because section 1 is lower than section 2.
D. $P_{1} > P_{2}$ because water flows slower in section 1, and section 1 is lower than section 2. (e) For some value of $H$ , $P_{1} = P_{2}$ because the lower speed of the flowing water in section 1 is compensated by the hydrostatic pressure due to the difference $H$ in the height of the two sections.

Question 3 We know that a person emits about 500 W of radiation. We also know that a person sitting still uses about 100W of chemical energy. Where is the rest of the energy mainly coming from?

A. Heat conducted from the air into our body.
B. Convection of the heat.
C. Radiation from objects around us.
D. The energy, emitted by the body does not have to have a source. (e) Burning fat that we have accumulated previously.

Question 4

In the two circuits shown above, the batteries are identical and maintain constant voltage. The light bulbs A, B, C and D, are identical and have resistance $R$ . Assume that the bulbs are brighter when there is more current flowing through them. Which of the following relationships correctly describe the brightness of the bulbs?

A. A = B > C = D
B. C = D > A = B
C. A = B = C = D
D. A = C > B = D

Question 5 The figure shows an accelerometer: a device for measuring the horizontal acceleration of cars and airplanes. The device consists of a ball that is free to roll on a parabolic track. A scale along the bottom is used to measure the ball’s horizontal position $x$ . What is the acceleration of the car in $m/s^{2}$ when the displacement of the ball in the accelerometer equals 0.20 m?

A. 3.9
B. 3.6
C. 26.5
D. 24.5
E. 9.1

Question 6 Objects A and B that are initially separated from each other and well isolated from their surroundings are then brought into thermal contact. Initially $T_{A} = 0^{\circ} C$ and $T_{B} = 100^{\circ} C$ . The specific heat of A is less than the specific heat of B. After some time, the system comes to an equilibrium state. The final temperatures are:

(a) $T_{A} = T_{B} > 50^{\circ} C$ (b) $T_{A} > T_{B} > 50^{\circ} C$ (c) $T_{A} = T_{B} < 50^{\circ} C$ (d) $T_{B} > T_{A} > 50^{\circ} C$ (e) $T_{A} = T_{B} = 50^{\circ} C$

Question 7 An object is moving at a constant speed $v_{0}$ towards a source that is at rest and that is emitting sound waves of frequency $f_{0}$ . The frequency of the echo that returns to the source after being reflected from the object is given by: (a) $f_{echo} = f_{0} \frac{v}{v - v _{0}}$

(b) $f_{echo} = f_{0} \frac{v - v _{0}}{v + v _{0}}$

(d) $f_{echo} = f_{0} \frac{v + v _{0}}{v}$

Question 8 An astronaut lifts off from planet Zuton in a spaceship. The free-fall acceleration on Zuton is four times less than on the Earth. At the moment of liftoff the acceleration of the spaceship is $2.45 m/s^{2}$ (up). The weight of the astronaut at that instant is more than her weight on the surface of the earth by the factor of: (a) 4 (b) 2 (c) 1 (d) 0.5 (e) 0.25

Question 9 A 0.50-kg mass attached to the end of a string swings in a vertical circle with a radius of 2.0 m. When the string is horizontal, the speed of the mass is 8.0 m/s. What is the magnitude of the force of the string on the mass at this position? (a) 16 N

(b) 17 N (c) 21 N (d) 11 N (e) 25 N

Question 10 What is the velocity of an electron that passes without being deviated through perpendicular electric and magnetic fields if $E = 4.0 kV/m$ and $B = 8.0 mT$ ?

A. 32 m/s
B. 500 km/s
C. $2 \times 1 0^{- 6} m/s$
D. 500 m/s
E. 2 km/s

Topic: Newtonian Mechanics, Fluid Mechanics, Thermodynamics Metodi: Conservation Laws, Bernoulli’s Equation, Free-Body Diagram, Kinematic Equations, Lorentz Force Analysis Competenze: Physical Reasoning, Mathematical Modeling Objects: Ball, Tube, Battery, Resistor, Electron Fonte: Testo (PDF) — p.1

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Esame per il premio della CAP per le scuole superiori 6 aprile 2009 9:00 – 12:00

Informativa del concorrente

Le seguenti informazioni saranno utilizzate per informare i concorrenti e le scuole sui risultati degli esami, per determinare l’ammissibilità a taluni concorsi successivi e per finalità statistiche. Solo la marcatura il codice, da assegnare dal comitato di esame locale, sarà utilizzato per identificare le carte da contrassegnare.

Codice di marcatura:

Questa scatola deve essere lasciata vuota.

PRINTA CLAIRLY IN BLOCK LETTERS.

Nome di famiglia:_________Nome di origine:

Indirizzo di casa:

Codice postale:

Telefono: () _____________________ E-mail: __________________________________

Scuola: _________________________________________________ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Insegnante di fisica:

Data di nascita: ___________________________ Sexo: Maschio Femminile

Cittadinanza: ______________________________________________________ o

Statuto dell’ immigrazione:

Da quanti anni studia in una scuola canadese? ____________________________

Preferisce la corrispondenza in francese o in inglese? _______________________

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Associazione canadese di fisici Olimpiadi canadesi di chimica e fisica

Associazione canadese di fisici Esame del premio 2009

Questo è un esame di tre ore. La classifica nazionale e i premi essere basato sulle prestazioni degli studenti nelle sezioni A, B e C dell’esame. Le prestazioni sulle domande della parte A saranno: utilizzato per determinare il cui lavoro scritto nelle parti B e C sarà essere contrassegnati per il premio da parte dell’esame della PAC Comitato nazionale. Il regime di marcatura è: 40% per parte A, 10% per la parte B e 50% per la parte C. La parte A è composta da: 20 domande a scelta multipla; la parte B è composta da cinque domande che richiedono una soluzione grafica. I problemi in parte C può anche richiedere grafica. Le domande della parte C hanno un di difficoltà. Fa’ attenzione a raccogliere quanti possibili

il più facile possibile prima di intraprendere un’attività più difficile territorio. Se è necessaria una risposta alla parte (a) di una domanda per parte (b), e non sei in grado di risolvere la parte (a), supponi un E’ probabile che la soluzione sia stata trovata e che si possa provare il resto della domanda. Non si prevede che nessun studente compra questo esame e parti di ogni problema può essere molto difficile.

Si possono utilizzare calcolatori non programmabili. Per favore, siate La Commissione ha adottato una decisione che prevede che il La carta di risposta/folletto fornito; soprattutto, scrivete il vostro Le soluzioni ai tre problemi lunghi sono state Le foglie, come saranno contrassegnate da persone in diverse parti del

Canada. - Buona fortuna.

Dati

Velocità della luce $c = 3.00 \times 1 0^{8} m/s$ Costante gravitazionale $G = 6.67 \times 1 0^{- 11} N \cdot m^{2} / kg^{2}$ Accelerazione dovuta alla gravità $g = 9.80 m/s^{2}$ Densità di acqua dolce $ρ = 1.00 \times 1 0^{3} kg/m^{3}$ Capacità termica specifica per l’acqua $c = 4.19 \times 1 0^{3} J/(kg \cdot K)$ La pressione atmosferica normale $P_{0} = 1.01 \times 1 0^{5} Pa$ Importo di base $e = 1.60 \times 1 0^{- 19} C$ Massa di elettrone $m_{e} = 9.11 \times 1 0^{- 31} kg$ Massa di protone $m_{p} = 1.67 \times 1 0^{- 27} kg$

Parte A: Scelta multipla

Domanda 1 Una palla cade sulla terra da un’altezza $h$ e rimbalza a un altezza $h^{'}$ . Il momento è conservato nel sistema palla-terra: (a) non importa quale altezza $h^{'}$ raggiunga la palla. (b) solo se $h^{'} < h$ . (c) solo se $h^{'} = h$ . (d) solo se $h^{'} > h$ . (e) solo se $h^{'} \geq h$ .

Domanda 2 Un’acqua del rubinetto il tubo è piegato come indicato in il diagramma. Sezioni 1 e 2 dei Piano sono orizzontale ma sezione 2 è posto più elevati ad un’altezza di $H$ . Il diametro del tubo della sezione 1 è 1,5 volte più grande del diametro della sezione 2. Indicare quale La risposta più completa è: Relazione tra le pressioni idrostatiche misurate da i metricelli di cui alle sezioni 1 e 2:

A. $P_{1} < P_{2}$ perché il flusso d’acqua è più lento nella sezione 1.
B. $P_{1} > P_{2}$ perché il flusso d’acqua è più lento nella sezione 1.
C. $P_{1} > P_{2}$ perché la sezione 1 è inferiore alla sezione 2.
D. $P_{1} > P_{2}$ perché il flusso d’acqua è più lento nella sezione 1, e Sezione 1 è inferiore a quella di sezione 2. e) Per un certo valore di $H$ , $P_{1} = P_{2}$ perché la velocità inferiore è di acqua corrente di cui alla sezione 1 è compensata dalla pressione idrostatica dovuta alla differenza $H$ nella altezza delle due sezioni.

Domanda 3 Sappiamo che una persona emette circa 500 W di radiazioni. We Sappiate anche che una persona seduta usa ancora circa 100W di energia chimica. Dove è il resto dell’energia principalmente

Da dove viene?
A. Calore condotto dall’aria nel nostro corpo.
B. Convezione del calore.
**C.**Radiamento da oggetti intorno a noi.
D. L’energia emessa dall’organismo non deve essere una fonte. e) Bruciamento di grasso che abbiamo accumulato in precedenza.

Domanda 4

Nei due circuiti sopra illustrati, le batterie sono identiche e mantenere una tensione costante. Le lampadine A, B, C e D, sono identiche e hanno resistenza $R$ . Supponiamo che le lampadine siano più luminosi quando c’è più corrente che scorre attraverso di loro. Qual è la relazione che descrive correttamente il la luminosità delle lampadine?

A. A = B > C = D
B. C = D > A = B
C. A = B = C = D
D. A = C > B = D

Domanda 5 La figura mostra un accelerometro: a dispositivo di misurazione il orizzontale accelerazione delle auto e aerei. Il il dispositivo è costituito da un palla che può rotolare liberamente su una pista parabolica. Una scala lungo il fondo viene utilizzata per misurare le palle posizione orizzontale $x$ . Qual è l’accelerazione dell’auto in $m/s^{2}$ quando il il spostamento della palla nell’acceleratore è pari a 0,20 m?

A. 3.9
B. 3.6
C. 26.5
D. 24.5
E. 9.1

Domanda 6 oggetti A e B che sono inizialmente separati tra loro e ben isolato da il loro ambiente è poi portati in contatto termico. Inizialmente $T_{A} = 0^{\circ} C$ e $T_{B} = 100^{\circ} C$ . Il calore specifico di A è inferiore al calore specifico di B. Dopo un po’ di tempo, il sistema si raggiunge uno stato di equilibrio. Le temperature finali sono:

(a) $T_{A} = T_{B} > 50^{\circ} C$ (b) $T_{A} > T_{B} > 50^{\circ} C$ (c) $T_{A} = T_{B} < 50^{\circ} C$ (d) $T_{B} > T_{A} > 50^{\circ} C$ (e) $T_{A} = T_{B} = 50^{\circ} C$

Domanda 7 Un oggetto si muove a velocità costante $v_{0}$ verso una fonte che è in riposo e che emette onde sonore di frequenza $f_{0}$ . La frequenza dell’eco che ritorna alla fonte dopo essere riflessa dall’oggetto è data da: (a) $f_{echo} = f_{0} \frac{v}{v - v _{0}}$

(b) $f_{echo} = f_{0} \frac{v - v _{0}}{v + v _{0}}$

(d) $f_{echo} = f_{0} \frac{v + v _{0}}{v}$

Domanda 8 Un astronauta parte dal pianeta Zuton in una nave spaziale. Il L’accelerazione di caduta libera su Zuton è quattro volte inferiore a quella della La Terra. Al momento del decollo l’accelerazione della nave spaziale è $2.45 m/s^{2}$ (in alto). Il peso dell’astronauta a che l’istante è più del suo peso sulla superficie della terra per il fattore di: (a) 4 (b) 2 (c) 1 (d) 0.5 (e) 0.25

Domanda 9 Una massa di 0,50 kg attaccata alla fine di una corda oscilla in una cerchio verticale con un raggio di 2,0 m. Quando la corda è orizzontale, la velocità della massa è di 8,0 m/s. Che cos’è la grandezza della forza della corda sulla massa a questo punto

La posizione? (a) 16 N

(b) 17 N (c) 21 N (d) 11 N (e) 25 N

Domanda 10 Qual è la velocità di un elettrone che passa senza essere deviato attraverso campi elettrici e magnetici perpendicolari se $E = 4.0 kV/m$ e $B = 8.0 mT$ ?

A. 32 m/s
B. 500 km/s
C. $2 \times 1 0^{- 6} m/s$
D. 500 m/s
E. 2 km/s

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