ASOE 2019

Question 1 A box of mass 5 kg sits at rest on a horizontal floor. What is the Newton’s third law (reaction) force to the normal force of the floor on the box (action)?

A. The weight of the box.
B. The normal force of the box on the floor.
C. The gravitational force of the Earth on the box.
D. The gravitational force of the box on the Earth.
E. There is no reaction force in this situation.

Topic: Newtonian Mechanics Metodi: Free-Body Diagram, Physical Modeling Competenze: Physical Reasoning, Diagrammatic Reasoning Objects: Block Fonte: Testo (PDF) — p.2

Domanda 1 Una scatola di 5 kg di massa si trova a riposo su un pavimento orizzontale. Qual è la terza legge di Newton (reazione) della forza la forza normale del pavimento sulla scatola (azione)?

A. Il peso della scatola.
B. La forza normale della scatola sul pavimento.
C. La forza gravitazionale della Terra sulla scatola.
D. La forza gravitazionale della scatola sulla Terra.
E. Non vi è alcuna forza di reazione in questa situazione.

Topic: Newtonian Mechanics Metodi: Free-Body Diagram, Physical Modeling Competenze: Physical Reasoning, Diagrammatic Reasoning Objects: Block Fonte: Testo (PDF) — p.2

Question 2 A box of mass 5 kg sits at rest on a horizontal floor. A vertically upwards force of 20 N is exerted on the box by someone trying to lift it. What is the magnitude of the normal force exerted by the floor on the box while the 20N upwards force is being exerted?

A. 0 N (the box is no longer in contact with the floor)
B. 20N
C. 30N
D. 50N
E. 70N

Topic: Newtonian Mechanics Metodi: Free-Body Diagram, Physical Modeling Competenze: Physical Reasoning Objects: Block Fonte: Testo (PDF) — p.2

Domanda 2 Una scatola di 5 kg di massa si trova a riposo su un pavimento orizzontale. Una forza verticale verso l’alto di 20 N è esercitata sulla

Una scatola da qualcuno che cerca di sollevarla. Qual è la magnitudine della forza normale esercitata dal pavimento sul
La scatola mentre viene esercitata la forza 20N verso l’alto?
A. 0 N (la scatola non è più in contatto con il pavimento)
B. 20N
C. 30N
D. 50N
E. 70N

Topic: Newtonian Mechanics Metodi: Free-Body Diagram, Physical Modeling Competenze: Physical Reasoning Objects: Block Fonte: Testo (PDF) — p.2

Question 3 An elevator is moving upwards with constant upwards acceleration. At some point in the elevator’s motion, a bolt breaks loose and drops from the ceiling. What is the motion of the bolt as seen by an observer standing inside the elevator? Ignore air resistance.

A. The bolt immediately moves downwards, at constant speed.
B. The bolt initially moves upwards, then slows, reverses direction and moves downwards.
C. The bolt immediately moves downwards, with acceleration less than g.
D. The bolt immediately moves downwards, with acceleration equal to g.
E. The bolt immediately moves downwards, with acceleration greater than g. Page 2 of 12 2019 Australian Science Olympiads Exam – Physics c⃝Australian Science Innovations 2019 ABN 81731558309

Topic: Newtonian Mechanics Metodi: Kinematic Equations, Physical Modeling Competenze: Physical Reasoning Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.2

Domanda 3 Un ascensore si muove verso l’alto con costante accelerazione verso l’alto. In qualche punto dell’ascensore movimento, un bullone si scatta e cade dal soffitto. Qual è il movimento del bullone visto da un osservatore che sta all’interno dell’ascensore? Ignora la resistenza dell’aria.

A. Il bullone si muove immediatamente verso il basso, a velocità costante.
B. Il bullone si muove inizialmente verso l’alto, poi rallenta, inverte la direzione e si muove verso il basso.
C. Il bullone si muove immediatamente verso il basso, con un’accelerazione inferiore a g.
D. Il bullone si muove immediatamente verso il basso, con un’accelerazione pari a g.
E. Il bullone si muove immediatamente verso il basso, con un’accelerazione superiore a g. Pagina 2 di 12 Esame delle Olimpiadi di Scienze australiane 2019 Fisica cAustralia Science Innovations 2019 ABN 81731558309

Topic: Newtonian Mechanics Metodi: Kinematic Equations, Physical Modeling Competenze: Physical Reasoning Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.2

Question 4 Trish is moving boxes of photocopy paper on a trolley. The top of the trolley is flat, and a box sits on it as shown. Trish pushes the trolley, accelerating it to the left, as shown. Which of the following diagrams correctly shows the forces acting on the box as it is accelerating to the left? The length of the force arrows is proportional to the size of the force. Ignore air resistance. a. Fgravitational Fnormal b. Fgravitational Fnormal Ffriction c. Fgravitational Fnormal Ffriction d. Fgravitational Fnormal Ffriction Fapplied e. Fgravitational Fnormal Ffriction Fapplied

Trolley con scatola su rampa

Cinque diagrammi forze sulla scatola Q4

Topic: Newtonian Mechanics Metodi: Free-Body Diagram, Vector Decomposition Competenze: Diagrammatic Reasoning, Physical Reasoning Objects: Cart, Block Fonte: Testo (PDF) — p.3

Domanda 4 Trish sta spostando scatole di carta fotocopiata su un carrello. La parte superiore del il carrello è piatto e su di esso si trova una scatola come mostrato. Trish spinge il carrello, Accelerando verso sinistra, come mostrato. Qual è il diagramma di cui sopra? indica correttamente le forze che agiscono sulla scatola mentre si accelera verso il

A sinistra? La lunghezza delle frecce di forza è proporzionale alla dimensione della
La forza. Ignora la resistenza dell’aria. a. Fgravitazione Fnormale b. Fgravitazione Fnormale Friczione c. Fgravitazione Fnormale Friczione d. Fgravitazione Fnormale Friczione Fappellato e. Fgravitazione Fnormale Friczione Fappellato

Trolley con scatola su rampa

5 diagrammi forze sulla scatola Q4

Topic: Newtonian Mechanics Metodi: Free-Body Diagram, Vector Decomposition Competenze: Diagrammatic Reasoning, Physical Reasoning Objects: Cart, Block Fonte: Testo (PDF) — p.3

Question 5 Once the trolley is at the desired speed, Trish keeps it at that constant speed. Which of the following diagrams correctly shows the forces acting on the box as it moves at constant speed to the left? The length of the force arrows is proportional to the size of the force. Ignore air resistance. a. Fgravitational Fnormal b. Fgravitational Fnormal Ffriction c. Fgravitational Fnormal Ffriction d. Fgravitational Fnormal Ffriction Fapplied e. Fgravitational Fnormal Ffriction Fapplied Page 3 of 12 2019 Australian Science Olympiads Exam – Physics c⃝Australian Science Innovations 2019 ABN 81731558309

Cinque diagrammi forze sulla scatola Q5

Topic: Newtonian Mechanics Metodi: Free-Body Diagram, Vector Decomposition Competenze: Diagrammatic Reasoning, Physical Reasoning Objects: Cart, Block Fonte: Testo (PDF) — p.3

Domanda 5 Una volta che il carrello è alla velocità desiderata, Trish lo tiene a quella velocità costante. Qual è di seguito indicato: I diagrammi mostrano correttamente le forze che agiscono sulla scatola mentre si muove a velocità costante verso sinistra? Il la lunghezza delle frecce di forza è proporzionale alla dimensione della forza. Ignora la resistenza dell’aria. a. Fgravitazione Fnormale b. Fgravitazione Fnormale Friczione c. Fgravitazione Fnormale Friczione d. Fgravitazione Fnormale Friczione Fappellato e. Fgravitazione Fnormale Friczione Fappellato Pagina 3 di 12 Esame delle Olimpiadi di Scienze australiane 2019 Fisica cAustralia Science Innovations 2019 ABN 81731558309

5 diagrammi forze sulla scatola Q5

Topic: Newtonian Mechanics Metodi: Free-Body Diagram, Vector Decomposition Competenze: Diagrammatic Reasoning, Physical Reasoning Objects: Cart, Block Fonte: Testo (PDF) — p.3

Question 6 Ali and Beatrice are doing an experiment to measure the spring constant, k, of a spring. The spring constant is a measure of how stiff or stretchy a spring is. Ali is going to use a static method, using the equation k = Fapplied s = mg s , where m is the mass of a weight attached to the hanging spring, and s is the distance that the spring stretches by. Which method will give Ali the most accurate and precise result for k? a. Hang one weight on the spring, and measure how far the spring stretches. Put this pair of values into the equation. b. Hang two different weights on the spring (one at a time), and measure how far each weight stretches the spring. Put these two pairs of values into the equation and average the results. c. Hang at least three different weights on the spring (one at a time), and measure how far each weight stretches the spring. Put these pairs of values into the equation and average the results. d. Hang at least three different weights on the spring (one at a time), and measure how far each weight stretches the spring. Plot a graph of m vs s and find the value of k from the gradient of a line of best fit for the data. e. Hang at least three different weights on the spring (one at a time), and measure how far each weight stretches the spring. Plot a graph of m vs s and find the value of k from the gradient of a line of best fit to the data that also passes through the origin.

Topic: Oscillations & Waves, Newtonian Mechanics Metodi: Hooke’s Law, Experimental Data Analysis, Graph Linearization Competenze: Experimental Data Analysis, Graph Linearization, Physical Reasoning Objects: Spring Fonte: Testo (PDF) — p.4

Domanda 6 Ali e Beatrice stanno facendo un esperimento per misurare la costante di primavera, k, di una primavera. La primavera costante è una misura di quanto rigido o allungato sia una sorgente. Ali sta per usare un metodo statico, usando il equazione k = applicata s = mg S , dove m è la massa di un peso attaccato alla sorgente appesa, e s è la massa di un peso attaccato alla sorgente appesa. la distanza che la sorgente si estende. Quale metodo darà a Ali il risultato più preciso e preciso per k? a. Appendici un peso sulla sorgente e misura quanto la sorgente si estende. Metti questo paio di valori

nella equazione. b. Appendiciate due pesi diversi sulla molla (uno alla volta) e misurate la distanza di ciascun peso allunga la primavera. Metti queste due coppie di valori nell’equazione e media i risultati. c. Appendiciate almeno tre pesi diversi sulla molla (una alla volta) e misurate la distanza di ciascuna Il peso allunga la primavera. Metti queste coppie di valori nell’equazione e media i risultati. d. Appendiciate almeno tre pesi diversi sulla molla (una alla volta) e misurate la distanza di ciascuna Il peso allunga la primavera. Tracciare un grafico di m vs s e trovare il valore di k dal gradiente di a linea che si adatta meglio ai dati. e. Appendiciate almeno tre pesi diversi sulla molla (una alla volta) e misurate la distanza di ciascuna Il peso allunga la primavera. Tracciare un grafico di m vs s e trovare il valore di k dal gradiente di a la linea che si adatta meglio ai dati che passa anche attraverso l’origine.

Question 7 Ali has spent too much time deciding what to do, and only takes one pair of measurements. He measures the mass of the weight to be $(100 \pm 5$ ) g and the stretch, s, when he hangs it on the spring to be $(5.0 \pm 0.5$ ) cm. Based on these data, the spring constant is:

A. $(20.0 \pm 0.2$ ) N/m
B. $(20 \pm 3$ ) N/m
C. $(20 \pm 6$ ) N/m
D. $(200 \pm 20$ ) N/m
E. $(200 \pm 30$ ) N/m Page 4 of 12 2019 Australian Science Olympiads Exam – Physics c⃝Australian Science Innovations 2019 ABN 81731558309

Topic: Oscillations & Waves, Newtonian Mechanics Metodi: Hooke’s Law, Error Propagation Competenze: Error Propagation, Physical Reasoning Objects: Spring Fonte: Testo (PDF) — p.4

Domanda 7 Ali ha passato troppo tempo a decidere cosa fare, e prende solo un paio di misure. Misura la massa del peso deve essere $(100 \pm 5$ ) g e il tratto, s, quando viene appeso alla molla $(5.0 \pm 0.5$ ) cm. Sulla base di questi dati, la costante di primavera è:

A. $(20.0 \pm 0.2$ ) N/m
B. $(20 \pm 3$ ) N/m
C. $(20 \pm 6$ ) N/m
D. $(200 \pm 20$ ) N/m
E. $(200 \pm 30$ ) N/m Pagina 4 di 12 Esame delle Olimpiadi di Scienze australiane 2019 Fisica cAustralia Science Innovations 2019 ABN 81731558309

Question 8 Beatrice has decided to use a dynamic method to find k for her spring. She measures the period, T, of oscillation for a mass, m, on a spring for a series of different masses. The equation that relates period to mass is: T = $2 π$ ! m k . If Beatrice plots a graph of T vs m, which of the following graphs will her plot look like? a. T m b. T m c. T m d. T m e. T m

Topic: Oscillations & Waves Metodi: Simple Harmonic Motion Analysis, Graph Linearization Competenze: Mathematical Modeling, Graph Linearization Objects: Spring Fonte: Testo (PDF) — p.5

Domanda 8 Beatrice ha deciso di usare un metodo dinamico per trovare K per la sua primavera. Essa misura il periodo, T, di oscillazione per una massa, m, su una molla per una serie di masse diverse. L’equazione che riguarda il periodo massa è: T = $2 π$ ! m k . Se Beatrice traccia un grafico di T vs m, quale dei seguenti grafici traccia il suo grafico

Come? a. T m b. T m c. T m d. T m e. T m

Question 9 Beatrice wants to plot a straight line graph and find the value of k from the gradient of the graph. To do this, she should: a. Plot T vs m, and then the gradient is 1 k. b. Plot T vs m, and then the gradient is $2 π$ k. c. Plot T 2 vs m, and then the gradient is $2 π$ k. d. Plot T 2 vs m, and then the gradient is $2 π$ k . e. Plot T 2 vs m, and then the gradient is $4 π 2$ k .

Topic: Oscillations & Waves Metodi: Simple Harmonic Motion Analysis, Graph Linearization Competenze: Graph Linearization, Mathematical Modeling Objects: Spring Fonte: Testo (PDF) — p.5

Domanda 9 Beatrice vuole tracciare un grafico di linea retta e trovare il valore di k dal gradiente del grafico. To do Questo, dovrebbe: a. Il plot T vs m, e poi il gradiente è 1 k. b. Il plot T vs m, e poi il gradiente è $2 π$ k. c. Il plot T 2 vs m, e poi il gradiente è $2 π$ k. d. Il plot T 2 vs m, e poi il gradiente è $2 π$ k . e. Il plot T 2 vs m, e poi il gradiente è $4 π 2$ k .

Question 10 An elevator is moving upwards a constant speed. Ignoring any friction, which statement is correct?

A. The kinetic energy of the elevator is constant.
B. The gravitational potential energy of the Earth-Elevator system is constant.
C. The mechanical energy of the Earth-Elevator system is constant.
D. a and c are both correct, but b is not correct.
E. a, b and c are all correct. Page 5 of 12 2019 Australian Science Olympiads Exam – Physics c⃝Australian Science Innovations 2019 ABN 81731558309 SECTION B: WRITTEN ANSWER QUESTIONS USE THE ANSWER BOOKLET PROVIDED Throughout, take the acceleration due to gravity to be 9.8 $m s - 2$ .

Topic: Newtonian Mechanics, Conservation of Energy Metodi: Energy Conservation Method, Kinematic Equations Competenze: Physical Reasoning, Mathematical Modeling Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.5

Domanda 10 Un ascensore si muove verso l’alto a una velocità costante. Ignorando qualsiasi attrito, quale affermazione è corretta?

A. L’energia cinetica dell’ascensore è costante.
B. L’energia potenziale gravitazionale del sistema Terra-ascensore è costante.
C. L’energia meccanica del sistema Terra-ascensore è costante.
D. a e c sono entrambe corrette, ma b non è corretta.
E. a, b e c sono tutti corretti. Pagina 5 di 12 Esame delle Olimpiadi di Scienze australiane 2019 Fisica cAustralia Science Innovations 2019 ABN 81731558309 PARTE B: Risposte scritte Utilizzate il volantino di risposta fornito Per tutto il periodo, si deve considerare che l’accelerazione dovuta alla gravità sia di 9,8 $m s - 2$ .

Question 11 Zara and Jackie are excited about their new desk chairs. Zara plans to sit and do physics in comfort. Jackie plans to move around on a chair without touching the ground or anything else. “But that’s physically impossible!”, says Zara. Jackie replies, “No! I’ve done it before. I lean forward really slowly, and then lean back as fast as I can.” Jackie shows Zara how to do it, and she wants to understand it. Zara calls Jackie’s body from the waist up Object 1, and Jackie’s legs, from the waist down, and the chair combined Object 2. Zara models the fast part of Jackie’s motion using the principle of conservation of momentum. In other words, she thinks that the total momentum of Jackie and the chair (Object 1 + Object 2) remains unchanged while Jackie leans backwards. (Hint: momentum p = mv) Zara identifies three important times in her model • t1 when Jackie is stationary just before leaning back, • t2 when Jackie is in the process of leaning back, and • t3 when Jackie’s back hits the back of the chair. Zara’s model at t1 Jackie at t3 M m Zara’s model at t2 M m v V Zara’s model at t3 M m Jackie at t1 Object Mass momentum at t1 velocity at t2 velocity after t3 displacement from t1 to t3 1 m = 25 kg pm1 = vm2 = $- 0.5 m s - 1$ vm3 = sm = $- 30$ cm 2 M = 35 kg pM1 = vM2 = vM3 = sM = 1+2 m+M = ptot1 = vcm2 = vcm3 = scm = scm is the position of the centre of mass, which is the average position of all the mass, and vcm2 and vcm3 are the velocities of this point at times t2 and t3 respectively. a) (i) By applying the principle of conservation of momentum, complete the copy of the table above which is on p. 2 of the Answer Booklet. Show your reasoning below the table. (ii) Explain why, in Zara’s model, the position of the centre of mass of Jackie and the chair never changes, regardless of how far or fast Jackie moves. Page 6 of 12 2019 Australian Science Olympiads Exam – Physics c⃝Australian Science Innovations 2019 ABN 81731558309 b) (i) Describe the motion of Objects 1 and 2 as Jackie leans forward very slowly. (ii) Give an explanation of Jackie’s motion while leaning very slowly, using ideas from physics. c) Identify any additional physical effects Zara should include in her model and how these affect the predicted motion. If there are none, state effects you considered and why they may be neglected. d) Sketch the positions of Object 1, Object 2, and also the centre of mass position of Jackie and the chair through one cycle of leaning forward very slowly and then leaning back rapidly. Use the axes on p. 3 of the Answer Booklet. Page 7 of 12 2019 Australian Science Olympiads Exam – Physics c⃝Australian Science Innovations 2019 ABN 81731558309

Topic: Conservation of Momentum, Newtonian Mechanics Metodi: Conservation of Momentum, Conservation Laws, Free-Body Diagram Competenze: Physical Reasoning, Mathematical Modeling, Diagrammatic Reasoning Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.6

Domanda 11 Zara e Jackie sono entusiaste delle loro nuove sedie da scrivania. Zara sta pensando di sedersi e fare fisica confortevolmente. Jackie sta pensando di muoversi su una sedia senza toccare il terreno o altro. Ma questo è

Non è fisicamente possibile! Jackie risponde: “No! L’ho gia’ fatto. Mi appoggio in avanti molto lentamente, Jackie mostra a Zara come farlo, e lei vuole capirlo. Zara chiama il corpo di Jackie dalla vita verso l’alto, l’oggetto 1, e le gambe di Jackie, dalla vita verso il basso, e la Cittura combinata Object 2. Zara modella la parte veloce del movimento di Jackie usando il principio della conservazione di impulso. In altre parole, pensa che la dinamica totale di Jackie e della sedia (oggetto 1 + L’oggetto 2 rimane invariato mentre Jackie si inclina indietro. (Signore: impulso p = mv) Zara identifica tre momenti importanti nel suo modello • t1 quando Jackie è fermo poco prima di appoggiarsi, • t2 quando Jackie sta reclinando, e • t3 quando la schiena di Jackie colpisce la schiena della sedia. Modello Zara a t1 Jackie al T3 M m Modello Zara a t2 M m v V Modello Zara a t3 M m Jackie al T1 Oggetto Mass impulso a t1 velocità a t2 velocità dopo t3 spostamento da t1 a t3 1 m = 25 kg pm1 = vm2 = $- 0.5 m s - 1$ vm3 = sm = $- 30$ cm 2 M = 35 kg pM1 = vM2 = vM3 = sM = 1+2 m+M = Ptot1 = Vcm2 = Vcm3 = scm = scm è la posizione del centro di massa, che è la posizione media di tutta la massa, e vcm2 e vcm3 sono le velocità di questo punto rispettivamente a volte t2 e t3. a)
Applicando il principio di conservazione dell’impulso, completare la copia della tabella sopra di cui è su p. 2 del libro di risposte. Mostrate il vostro ragionamento sotto il tavolo.
spiegare perché, nel modello di Zara, la posizione del centro di massa di Jackie e della sedia Non cambia mai, indipendentemente da quanto lontano o veloce Jackie si muova. Pagina 6 di 12 Esame delle Olimpiadi di Scienze australiane 2019 Fisica cAustralia Science Innovations 2019 ABN 81731558309 b)
Descrivere la mozione degli obiettivi 1 e 2 mentre Jackie si inclina molto lentamente. (ii) Spiega il movimento di Jackie, appoggiandosi molto lentamente, utilizzando idee della fisica. c) Identificare eventuali effetti fisici aggiuntivi che Zara dovrebbe includere nel suo modello e come questi influenzano il movimento previsto. Se non vi sono, state gli effetti che avete considerato e perché possono essere trascurati. d) Segnare le posizioni dell’oggetto 1, dell’oggetto 2, nonché il centro di posizione di massa di Jackie e del la sedia attraverso un ciclo di pensione verso l’avanguardia molto lentamente e poi di pensione verso l’indietro rapidamente. Utilizzare assi su p. 3 del libro di risposte. Pagina 7 di 12 Esame delle Olimpiadi di Scienze australiane 2019 Fisica cAustralia Science Innovations 2019 ABN 81731558309

Question 12 Daphne the Diving Bell Spider is on an excursion to the surface of her pool in the forest. The water of the pool is very clear. Sitting high on a rock on a sunny morning, Daphne can observe many bright lines separated by darker regions moving around the flat bottom of the pool. The bright lines, shown below, are known as caustics and can be explained by the refraction of light rays at the irregular surface of the pool. When a light ray travels from air into water it refracts, bending so that the angle between the ray and a line perpendicular to the surface (called the normal) is smaller in the water. Air Water Normal to surface $\thetaa$ $\thetaw$ Caustics at the bottom of the pool Light refracting at an air-water interface. a) A ‘slice’ of the forest pool at one instant is shown below. A series of parallel light rays is shown being refracted at the uneven surface of the pool. (i) Complete the diagram by drawing in the missing rays on p. 4 of the Answer Booklet. (ii) Sketch the intensity of the light on the bottom of the pool. Use the axes supplied on p. 4 of the Answer Booklet. surface of pool Page 8 of 12 2019 Australian Science Olympiads Exam – Physics c⃝Australian Science Innovations 2019 ABN 81731558309 At midday with the sun directly above the pool, Daphne ventures out onto the now calm, flat surface of the pool. While near the shallow edge of the pool, where the bottom is flat, she asks her mate Mavis the moth to fly overhead and observe. Mavis reports that Daphne’s shadow on the bottom of the pool is very large. b) Based on this observation, select whether Daphne makes either Profile 1 or Profile 2 when she is on the surface of the pool, and explain your choice using words and diagrams. Both surface profiles are drawn on p. 4 of the Answer Booklet for you to use. Profile 1 Profile 2 c) Mavis can also see a bright ring around Daphne’s shadow on the bottom of the puddle. A schematic diagram of the brightly-rimmed shadow is shown to the right. Explain the origin of this bright ring. Daphne decides to dive back to the bottom of the pool, taking a bubble of air with her. Archimedes’ Principle states that the buoyant force on an object is equal to the weight of the volume of fluid displaced by that object. Daphne’s bubble can be modelled as 0.9 of a sphere with radius rB and no mass, while Daphne is hemispherical in shape with a radius rs and mass ms (see right). The water has density $ρ$ . d) Find the largest rB such that Daphne can sink to the bottom of the pool. Page 9 of 12 2019 Australian Science Olympiads Exam – Physics c⃝Australian Science Innovations 2019 ABN 81731558309

Foto caustiche fondo piscina

Rifrazione luce all’interfaccia aria-acqua

Raggi luce nella fetta di piscina

Profilo 1 e Profilo 2 superficie spider

Schema alone luminoso ombra Daphne

Geometria bolla emisferica raggio rB

Topic: Geometric Optics, Fluid Mechanics Metodi: Snell’s Law, Ray Tracing, Hydrostatic Equilibrium Competenze: Physical Reasoning, Mathematical Modeling, Diagrammatic Reasoning Objects: Bubble, Sphere Fonte: Testo (PDF) — p.8

Domanda 12 Daphne, la Ragna della Campana subacquea, è in escursione alla superficie della sua piscina nella foresta. L’acqua di La piscina è molto limpida. Sediata in alto su una roccia in una mattinata sole, Daphne può osservare molte linee luminose separati da regioni più scure che si muovono intorno al fondo piatto della piscina. Le linee luminose, mostrate di seguito, sono conosciute come caustiche e possono essere spiegate dalla rifrazione dei raggi luminosi sulla superficie irregolare della

La piscina. Quando un raggio di luce viaggia dall’aria all’acqua si rifracta, piegando così che l’angolo tra il raggio e una linea perpendicolare alla superficie (chiamata normale) è più piccola nell’acqua. Aereo Acqua Normalmente superficie $\thetaa$ $\thetaw$ Caustica al fondo della piscina Rifrazione della luce in un’interfaccia aria-acqua. a) Un’originaria parte della piscina forestale è riportata di seguito. Una serie di raggi di luce parallele è mostrata essere rifractata sulla superficie diseguale della piscina. (i) Completa il diagramma disegnando i raggi mancanti su p. 4 del libro di risposte.
Segnare l’intensità della luce sul fondo della piscina. Utilizzare gli assi forniti su p. 4 of il libretto delle risposte. superficie di piscina Pagina 8 di 12 Esame delle Olimpiadi di Scienze australiane 2019 Fisica cAustralia Science Innovations 2019 ABN 81731558309 A mezzogiorno, con il sole proprio sopra la piscina, Daphne si avventura sulla superficie tranquilla e piatta di
La piscina. Mentre si trova vicino al bordo superficiale della piscina, dove il fondo è piatto, chiede al suo compagno Mavis di la morsa volerà sopra di noi e osserverà. Mavis riferisce che l’ombra di Daphne sul fondo della piscina è molto grande. b) Sulla base di questa osservazione, selezionare se Daphne fa il Profile 1 o il Profile 2 quando è sulla superficie della piscina, e spiegare la vostra scelta utilizzando parole e diagrammi. Entrambe le superfici i profili sono disegnati su p. 4 del Libro delle risposte per l’ uso. Profile 1 Profile 2 c) Mavis può anche vedere un anello luminoso attorno all’ombra di Daphne sul fondo della laguna. Un diagramma schematico del l’ombra a bordo luminoso è indicata a destra. Spiegare l’origine di questo anello luminoso. Daphne decide di tornare al fondo della piscina, prendendo una bolla dell’aria con lei. Il principio di Archimede afferma che la forza galleggiante un oggetto è uguale al peso del volume di fluido spostato da tale
Oggetto. La bolla di Daphne può essere modellata come 0,9 di una sfera con raggio rB e nessuna massa, mentre Daphne è emisferica con un raggio di rs e massa ms (vedere a destra). L’acqua ha una densità $ρ$ . d) Trova il più grande rB tale che Daphne possa affondare al fondo del
La piscina. Pagina 9 di 12 Esame delle Olimpiadi di Scienze australiane 2019 Fisica cAustralia Science Innovations 2019 ABN 81731558309

Foto caustiche fondo piscina

Rifrazione luce interfaccia aria-acqua

Raggi luce nella fetta di piscina

Profilo 1 e Profilo 2 superficie ragno

Schema sola ombra luminosa Daphne

Geometria bolla emisferica raggio rB

Question 13 Maggie has two identical fridge magnets. The magnetism of the fridge magnets can be thought of as due to many tiny bar magnets. A bar magnet has a north pole and a south pole, and magnetic field surrounding it as shown to the right. Field lines closer together indicate a stronger magnetic field, while the arrows indicate the direction of the magnetic field. Like poles repel, and opposite poles attract. The magnetic field of two magnets is the superposition of the individual magnets, becoming stronger where the two contributions are in the same direction and weaker where they are in opposite directions. a) Apply the principle of superposition to sketch magnetic field line diagrams for the two arrangements of bar magnets shown on p. 6 of the Answer Booklet. Maggie’s fridge magnets will only stick to the fridge on one side – the black side – and the two fridge magnets stick to each other most strongly when the black sides are touching. They won’t stick to each other at all if the two picture sides are touching. This leads Maggie to believe that on the black side of a fridge magnet the magnetic field is very strong, and on the other side it is very weak. N S b) Show how bar magnets could be arranged to make a very strong field on one side, and a weak field on the other. You do not need to include a full magnetic field line diagram with your arrangement, but you should indicate where superposition of the fields results in a stronger or weaker field, and the approximate direction of the field. When Maggie’s two fridge magnets are stuck together with their black sides touching, they are more easily slid apart vertically compared to horizontally. Maggie also notices that sliding apart in the horizontal direction feels bumpy, with the magnets alternating between slightly attracting and repelling each other. Slides smoothly and easily Harder to slide, with bumps and points where the magnets feel stuck c) On the diagram on p. 7 of the Answer Booklet, draw how small bar magnets might be arranged, either as a grid, rows or columns, in one of Maggie’s fridge magnets. You may use as many, or as few, of the diagrams as you need to describe the arrangement. You may draw the bar magnets as arrows to simplify your diagrams. Page 10 of 12 2019 Australian Science Olympiads Exam – Physics c⃝Australian Science Innovations 2019 ABN 81731558309

Foto calamite da frigo

Linee campo magnetico NS configurazione

Calamite che scorrono una sull’altra

Topic: Magnetism Metodi: Superposition Principle, Physical Modeling Competenze: Physical Reasoning, Diagrammatic Reasoning Objects: Magnet Fonte: Testo (PDF) — p.10

Domanda 13 Maggie ha due magneti identici. Il magnetismo del frigorifero Magnete possono essere considerati come dovuti a molti piccoli magneti di barre. Un magnete a barre ha un polo nord e un polo sud, e un campo magnetico che circonda come mostrato a destra. Le linee di campo più vicine indicano un forte campo magnetico, mentre le frecce indicano la direzione del campo. Come i poli respingono e i poli opposti attirano. Il campo magnetico di due magneti è la sovrapposizione dell’individuo Magnete, diventando più forti quando i due contributi sono nello stesso direzioni e più deboli dove sono in direzioni opposte. a) Applicare il principio della sovrapposizione al disegno diagrammi di linea del campo magnetico per le due disposizione di magneti a barre mostrati a p. 6 of il libretto delle risposte. I magneti del frigorifero di Maggie si attacceranno solo al frigorifero Da un lato il lato nero e i due frigoriferi i magneti si attaccano più fortemente quando il I lati neri si toccano. Non si attacceranno a ognuno di loro. Altri, se i due lati della foto si toccano. Questo che porta Maggie a credere che sul lato nero di un Magnete frigorifero il campo magnetico è molto forte, e Dall’altra parte è molto debole. N S b) Mostra come i magneti a barre possano essere disposti per creare un campo molto forte su un lato e un campo debole

Dall’altra parte. Non è necessario includere un diagramma completo di linea del campo magnetico con la vostra disposizione, ma deve indicare dove la sovrapposizione dei campi produce un campo più forte o più debole, e la direzione approssimativa del campo. Quando i due magneti del frigorifero di Maggie sono bloccati insieme con i loro lati neri che si toccano, sono più facilmente scivolate a distanza verticalmente rispetto a
per orizzontalmente. Maggie nota anche che scivolare a pezzi nella direzione orizzontale si sente con i magneti alternati tra attraendo e respingendo l’un l’altro. Scorreggiano senza problemi e facilmente Più difficile da scivolare, con scosse e punti in cui i magneti si sentono bloccati c) sul diagramma di p. 7 del libro di risposte, disegnare come piccoli magneti a barre potrebbero essere disposti, Come griglia, righe o colonne, in uno dei magneti frigoriferi di Maggie. Potete usare quanti, o pochi, dei diagrammi come hai bisogno di descrivere l’arrangimento. Puoi disegnare i magneti a barre come frecce per semplificare i tuoi diagrammi. Pagina 10 di 12 Esame delle Olimpiadi di Scienze australiane 2019 Fisica cAustralia Science Innovations 2019 ABN 81731558309

Foto calamita da frigorifero

Linee campo magnetico NS configurazione

Calamite che scorrono su un’altra parte *

Topic: Magnetism Metodi: Superposition Principle, Physical Modeling Competenze: Physical Reasoning, Diagrammatic Reasoning Objects: Magnet Fonte: Testo (PDF) — p.10

Question 14 Air applies a force due to its pressure uniformly across any surface it contacts. A stretching wall requires a certain amount of force to expand, and applies a force on the air inside, increasing the inside pressure needed to keep the air contained. This is why a balloon stretches and if you untie it, the air is pushed out. A large firm ball is full of air. The ball has a small bubble made of a stretching wall attached to it that starts out empty. ball ball stretchy patch bubble (inflated stretchy patch) Someone squeezes the ball such that they apply a steadily increasing additional pressure to the ball and hence the air inside it. After a short time the bubble begins to inflate. Once it starts inflating, it rapidly increases in size. The firm ball’s size hardly changes throughout. a) (i) Sketch the pressure inside the ball versus time since the squeezing began. (ii) Sketch, roughly, the volume of the bubble versus time since the squeezing began. (iii) Sketch, roughly, the force applied per area of the small bubble versus its volume. (iv) Sketch, roughly, the force applied per area of the small bubble versus the amount of gas in the small bubble. b) If instead of squeezing the ball, it is heated at a constant rate, explain whether or not you would expect your sketches to change. You might find the following relationship between temperature T, pressure p and volume V for an ideal gas to be useful: pV = AT where A is a constant depending only on the amount of gas. A is directly proportional to the amount of gas. A group of students are given the challenge of designing an experiment to measure the change in the force per area applied by the stretchy wall as a function of its size. They have at their disposal a range of common objects, including heaters, scales, air pumps, and basic measuring tools, but do not have a large budget or any purpose-built lab spaces. c) Design an experiment to perform that the students could use. Include what you would need to measure and how. d) For your design, where do you think the most likely sources of uncertainty in your results will come from? Remember to think about all parts of the experiment, not just the resolution of your instruments. Page 11 of 12 2019 Australian Science Olympiads Exam – Physics c⃝Australian Science Innovations 2019 ABN 81731558309 Integrity of Competition If there is evidence of collusion or other academic dishonesty, students will be disqualified. Markers’ decisions are final. Page 12 of 12 2019 Australian Science Olympiads Exam – Physics c⃝Australian Science Innovations 2019 ABN 81731558309

Topic: Thermodynamics, Fluid Mechanics Metodi: Ideal Gas Law, First Law of Thermodynamics, Physical Modeling Competenze: Physical Reasoning, Experimental Data Analysis, Mathematical Modeling Objects: Ball, Bubble, Gas Fonte: Testo (PDF) — p.11

Domanda 14 L’aria applica una forza a causa della sua pressione uniformemente su qualsiasi superficie che essa contatta. Un muro allungato richiede una certa quantità di forza per espandersi, e applica una forza all’aria all’interno, aumentando la pressione interna

E’ necessario mantenere l’aria contenuta. Ecco perché un palloncino si allunga e se lo si sgancia, l’aria viene spinta fuori. Una grande palla ferma è piena di aria. La palla ha una piccola bolla fatta di un muro allungato che inizia vuoto. palla palla allungato patch bolla (inflata) patto allungato) Qualcuno stringe la palla in modo tale che applicano una pressione aggiuntiva costante e crescente sulla palla e di conseguenza l’aria che ne è all’interno. Dopo poco tempo la bolla inizia a gonfiarsi. Una volta che inizia a gonfiarsi, rapidamente
aumentano le dimensioni. La dimensione della palla ferma non cambia quasi per tutto. a) (i) Segnare la pressione all’interno della palla rispetto al tempo trascorso dall’inizio della compressione. (ii) Sketta, approssimativamente, il volume della bolla rispetto al tempo che è passato dall’inizio della compressione.
Sketta, approssimativamente, la forza applicata per superficie della piccola bolla rispetto al suo volume.
Sfoglio, approssimativamente, della forza applicata per superficie della piccola bolla rispetto alla quantità di gas in la piccola bolla. b) Se invece di spremere la palla, viene riscaldata a velocità costante, spiegare se si desidera o meno
Si aspettano che i tuoi schizzi cambiino. Potresti trovare la seguente relazione tra temperatura T, pressione p e volume V per un gas ideale utile: pV = AT dove A è una costante dipendente solo sulla quantità di gas. A è direttamente proporzionale alla quantità di gas. Un gruppo di studenti è stato incaricato di progettare un esperimento per misurare il cambiamento la forza applicata per superficie da una parete allungante in funzione della sua dimensione. Hanno a loro disposizione una serie di oggetti comuni, compresi riscaldatori, scale, pompe d’aria e strumenti di misurazione di base, ma non dotati di un grande budget o spazi di laboratorio appositamente costruiti. c) Progettare un esperimento da eseguire che gli studenti possano utilizzare. Include ciò di cui avresti bisogno misura e come. d) Per il vostro progetto, quali sono le fonti di incertezza più probabili nei vostri risultati?
Da dove viene? Ricordate di pensare a tutte le parti dell’esperimento, non solo alla risoluzione della vostra strumenti. Pagina 11 di 12 Esame delle Olimpiadi di Scienze australiane 2019 Fisica cAustralia Science Innovations 2019 ABN 81731558309 Integrità della concorrenza Se ci sono prove di collusione o di altre disonestà accademiche, gli studenti saranno Disqualificato. Le decisioni sui marcatori sono definitive. Pagina 12 di 12 Esame delle Olimpiadi di Scienze australiane 2019 Fisica cAustralia Science Innovations 2019 ABN 81731558309

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