Baricentro molecolare

Secondo la teoria VSEPR, che associa alle molecole una determinata geometria, l’anidride solforosa (biossido di zolfo) è costituita da molecole a forma di V, con l’atomo di zolfo nel vertice. L’angolo di legame, ossia l’angolo formato dagli assi congiungenti i nuclei degli atomi legati, vale , come mostrato in figura. La distanza di legame tra l’atomo di zolfo e ciascun atomo di ossigeno è . La massa atomica dello zolfo è , mentre quella dell’ossigeno è . Calcolare la distanza tra il centro di massa della molecola e l’atomo di zolfo.

Unità di misura: m. Precisione richiesta: 0.5%.

Molecola SO2 con angolo 119°

Topic: Newtonian Mechanics Metodi: Vector Decomposition Competenze: Mathematical Modeling, Diagrammatic Reasoning Objects: Atom Fonte: Testo (PDF) — p.3 Soluzione: Soluzioni (PDF)

The following table shows the results of the test:

According to the VSEPR theory, which associates a certain geometry with molecules, sulphur dioxide (sulphur dioxide) is composed of V-shaped molecules with the sulphur atom at the top. The bond angle, i.e. the angle formed by the axes joining the nuclei of the bound atoms, is , as shown in Figure 1. The bond distance between the sulphur atom and each oxygen atom is . The atomic mass of sulphur is , while that of oxygen is . Calculate the distance between the molecular center of mass and the sulfur atom.

The following is the list of the measurement units: The following information is provided:

The value of the underlying assets shall be reported in the following column:

Topic: Newtonian Mechanics Metodi: Vector Decomposition Competenze: Mathematical Modeling, Diagrammatic Reasoning Objects: Atom Fonte: Testo (PDF) — p.3 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Canestro!

Da un ponte situato a sopra il livello del mare, Luca lascia cadere una palla, senza imprimerle alcuna velocità iniziale. Un canestro da basket è fissato su una barca che si muove con velocità costante di ed è posto a sopra il livello del mare. Nel momento in cui Luca lascia cadere la palla, la distanza orizzontale tra il canestro e la verticale del punto di rilascio è . Sapendo che la palla entra nel canestro, quanto vale ?

Unità di misura: m. Precisione richiesta: 0.5%.

Topic: Newtonian Mechanics Metodi: Kinematic Equations Competenze: Mathematical Modeling, Unit Conversion Objects: Ball Fonte: Testo (PDF) — p.3 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Canestro!

From a bridge located at above sea level, Luke drops a ball, without impressing any initial speed. A basketball basket is fixed on a boat moving at a constant speed of and is placed at above sea level. At the moment Luke drops the ball, the horizontal distance between the basket and the vertical of the release point is . Sapendo che la palla entra nel canestro, quanto vale ?

Unità di misura: m. Precisione richiesta: 0.5%.

Topic: Newtonian Mechanics Metodi: Kinematic Equations Competenze: Mathematical Modeling, Unit Conversion Objects: Ball Fonte: Testo (PDF) — p.3 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Colazione

Giada prepara la sua abituale colazione a base di caffè e latte, che beve separatamente. Utilizza una tazza “doppia”, divisa in due comparti da un setto conduttore, mentre le pareti esterne possono essere considerate dei perfetti isolati termici. In un comparto versa di caffè alla temperatura di , nell’altro versa di latte alla temperatura di . Si suppongano trascurabili gli scambi di calore tra i liquidi e l’aria. Assumendo per caffè e latte lo stesso calore specifico dell’acqua, determinare la variazione di entropia dell’universo tra lo stato iniziale e lo stato finale di equilibrio termico.

Unità di misura: J/K. Precisione richiesta: 0.5%.

Topic: Thermodynamics Metodi: First Law of Thermodynamics, Calculus-Integration Competenze: Mathematical Modeling Objects: Container Fonte: Testo (PDF) — p.3 Soluzione: Soluzioni (PDF)

The following table shows the following:

Giada prepares her usual breakfast with coffee and milk, which she drinks separately. It uses a “double” cup, divided into two compartments by a conductive septum, while the outer walls can be considered perfect thermal insulators. In one compartment of coffee at , in the other compartment of milk at . The heat exchanges between liquids and air are assumed to be negligible. By assuming for coffee and milk the same specific heat as water, determine the variation in entropy of the universe between the initial state and the final state of thermal equilibrium.

The following is the list of the measurement units: The following information is provided:

Topic: Thermodynamics Metodi: First Law of Thermodynamics, Calculus-Integration Competenze: Mathematical Modeling Objects: Container Fonte: Testo (PDF) — p.3 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Il battello

Un battello naviga sul lago con velocità costante pari a . Quando si trova a una distanza di dalla fermata di attracco, inizia a rallentare con decelerazione costante, emettendo un fischio continuo di frequenza . Nello stesso istante, Carlo, che si trova lungo la congiungente battello–attracco a dalla fermata, comincia a correre verso il battello con velocità costante . Calcolare la frequenza del suono udita da Carlo nell’istante in cui egli raggiunge la fermata. Si assuma per la velocità del suono nell’aria il valore .

Unità di misura: Hz. Precisione richiesta: 0.5%.

Topic: Oscillations & Waves, Newtonian Mechanics Metodi: Kinematic Equations, Physical Modeling Competenze: Mathematical Modeling, Physical Reasoning Objects:Fonte: Testo (PDF) — p.3 Soluzione: Soluzioni (PDF)

The vessel

A boat sails on the lake at a constant speed of . When located from the stop, it starts to slow down at a constant deceleration, issuing a continuous whistle of frequency. At the same time, Carlo, who is along the joining boat at from the stop, begins to run towards the boat at constant speed . Calculate the frequency of sound heard by Charles the moment he reaches the stop. The value is assumed for the speed of sound in the air.

The unit of measurement: ** Hz. The following information is provided:

Topic: Oscillations & Waves, Newtonian Mechanics Metodi: Kinematic Equations, Physical Modeling Competenze: Mathematical Modeling, Physical Reasoning Objects:Fonte: Testo (PDF) — p.3 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Freddo non ti temo

Per proteggersi dal freddo invernale, Francesco fa realizzare le pareti della propria abitazione in modo composito: all’interno di una parete di mattoni, di conducibilità termica , è inserito uno strato di lana di vetro di conducibilità termica , come mostrato in figura. Nella stessa figura, l’interno dell’abitazione rimane alla sinistra della parete, mentre l’esterno a destra. La parete è costituita da tre strati in serie, ciascuno di spessore , con . Le quattro pareti laterali dell’abitazione hanno dimensioni . In condizioni stazionarie, la temperatura esterna è e la temperatura interna è . Determinare la temperatura della parete a una distanza di dalla superficie di sinistra, cioè all’interfaccia tra il primo strato di mattoni e lo strato di lana di vetro.

Unità di misura: . Precisione richiesta: 0.5%.

Sezione trasversale parete composita a strati

Topic: Thermodynamics Metodi: Physical Modeling, Equivalent Circuit Reduction Competenze: Mathematical Modeling Objects:Fonte: Testo (PDF) — p.4 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Freddo non ti temo

To protect himself from the cold of winter, Francis makes the walls of his home be made composite: inside a brick wall, of thermal conductivity , a layer of glass wool of thermal conductivity is inserted, as shown in the figure. In the same figure, the interior of the house remains to the left of the wall, while the exterior to the right. The wall consists of three layers in series, each thick, with . The four side walls of the house are . In stationary conditions, the outside temperature is and the inside temperature is . Determine the temperature of the wall at a distance of from the left surface, that is, at the interface between the first layer of bricks and the glass wool layer.

Unità di misura: . Precisione richiesta: 0.5%.

Stripped section of composite wall in layers

Topic: Thermodynamics Metodi: Physical Modeling, Equivalent Circuit Reduction Competenze: Mathematical Modeling Objects:Fonte: Testo (PDF) — p.4 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Risparmio di massa

Protoni e neutroni tendono a legarsi formando nuclei atomici, con conseguente perdita di energia. Questa perdita di energia si manifesta come una differenza di massa (detta difetto di massa) tra la somma delle masse dei protoni e dei neutroni costituenti e la massa dell’atomo risultante. Sapendo che gli isotopi di gran lunga più comuni di azoto e ossigeno sono rispettivamente () e (), stimare a quanto ammonta complessivamente tale differenza di massa per l’atmosfera terrestre.

Unità di misura: kg. Precisione richiesta: 50.0%.

Topic: Nuclear & Particle Physics Metodi: Mass-Energy Equivalence, Order-of-Magnitude Estimation Competenze: Estimation & Approximation, Mathematical Modeling Objects: Atom, Nucleus Fonte: Testo (PDF) — p.4 Soluzione: Soluzioni (PDF)

The amount of the aid shall be calculated on the basis of the following data:

Protons and neutrons tend to bond to form atomic nuclei, resulting in energy loss. This energy loss is expressed as a mass difference (called mass deficit) between the sum of the masses of the protons and neutrons that make up the mass and the mass of the resulting atom. Knowing that the most common isotopes of nitrogen and oxygen are () and () respectively, estimate how much overall this mass difference for the Earth’s atmosphere amounts.

The unit of measurement: ** kg. The following information is provided:

Topic: Nuclear & Particle Physics Metodi: Mass-Energy Equivalence, Order-of-Magnitude Estimation Competenze: Estimation & Approximation, Mathematical Modeling Objects: Atom, Nucleus Fonte: Testo (PDF) — p.4 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Sfere legate

Due sfere di masse e e raggi e sono collegate da una fune ideale inestensibile e di massa trascurabile, che passa su una carrucola posta al vertice di un doppio piano inclinato. Partendo da ferme, le sfere rotolano senza strisciare sui rispettivi piani, come mostrato in figura, in cui gli angoli valgono e . Quanto vale la tensione della fune?

Unità di misura: N. Precisione richiesta: 0.5%.

Due sfere collegate da fune su piano inclinato

Topic: Rotational Dynamics, Newtonian Mechanics Metodi: Free-Body Diagram, Torque & Angular Momentum Analysis, Conservation Laws Competenze: Diagrammatic Reasoning, Mathematical Modeling Objects: Sphere, String, Pulley, Inclined Plane Fonte: Testo (PDF) — p.4 Soluzione: Soluzioni (PDF)

The following is the list of the countries of the European Union:

Two spheres of mass and and radii and are connected by an ideal rope of unextensible and negligible mass, which passes on a carriage placed at the top of a double-deck slope. Starting from the stands, the spheres roll without slipping on their respective planes, as shown in Figure 1, where the angles are and . How much is the rope voltage?

The following is the list of the measurement units: The following information is provided:

Two spheres connected by tilted rope

Topic: Rotational Dynamics, Newtonian Mechanics Metodi: Free-Body Diagram, Torque & Angular Momentum Analysis, Conservation Laws Competenze: Diagrammatic Reasoning, Mathematical Modeling Objects: Sphere, String, Pulley, Inclined Plane Fonte: Testo (PDF) — p.4 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Urto tra biglie

Marco sta giocando con delle biglie magnetiche di masse diverse che, quando vengono a contatto, rimangono unite tra loro. Egli prende due biglie, una di massa e l’altra di massa , e le lancia una contro l’altra con velocità di modulo rispettivamente e , in modo tale che le direzioni delle velocità formino un angolo , come mostrato in figura. Assumendo che le biglie siano approssimabili a punti materiali, quanto vale il modulo della velocità comune delle due biglie immediatamente dopo l’urto?

Unità di misura: m/s. Precisione richiesta: 0.5%.

Collisione tra due biglie a 60°

Topic: Conservation of Momentum Metodi: Conservation of Momentum, Vector Decomposition Competenze: Physical Reasoning, Mathematical Modeling Objects: Ball Fonte: Testo (PDF) — p.5 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Screaming between the seeds

Marco is playing with magnetic balls of different masses that, when they come into contact, stay attached to each other. He takes two balls, one mass and the other mass , and throws them against each other at modular speeds and respectively, so that the direction of the speeds forms an angle , as shown in the figure. Assuming the balls are approximate to material points, what is the value of the common velocity of the two balls immediately after impact?

The following is the maximum amount of the measurement: The following information is provided:

*Collision between two bags at 60° *

Topic: Conservation of Momentum Metodi: Conservation of Momentum, Vector Decomposition Competenze: Physical Reasoning, Mathematical Modeling Objects: Ball Fonte: Testo (PDF) — p.5 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Stelle fotogeniche

Un telescopio spaziale scatta una fotografia di una stella che emette una potenza utilizzando un tempo di esposizione di . Si vuole fotografare una seconda stella di potenza quaranta volte inferiore alla prima (cioè ), che si trova approssimativamente alla stessa distanza della prima, ma in una diversa direzione di osservazione. In questo caso, a causa della minore potenza della stella, non si può trascurare l’assorbimento dovuto al mezzo interstellare, che attenua del la luce emessa dalla seconda stella. In questo caso, quanto deve valere il tempo di esposizione affinché la seconda stella risulti brillante quanto la prima? (Si assuma che la quantità di luce registrata sia proporzionale al tempo di esposizione).

Unità di misura: s. Precisione richiesta: 0.5%.

Topic: Astrophysics Metodi: Physical Modeling Competenze: Estimation & Approximation, Mathematical Modeling Objects: Star Fonte: Testo (PDF) — p.5 Soluzione: Soluzioni (PDF)

The following is a list of the main types of photogenic stars:

A space telescope takes a photograph of a star that emits a power using an exposure time of . One wants to photograph a second star that is forty times less powerful than the first (i.e. ), which is approximately at the same distance as the first, but in a different direction of observation. In this case, because of the lower power of the star, the absorption due to the interstellar medium, which dims the light emitted by the second star, cannot be ignored. In this case, how much exposure time does it need to be for the second star to be as bright as the first? (The amount of light recorded is assumed to be proportional to the exposure time).

The following shall be added to the list of the units: The following information is provided:

Topic: Astrophysics Metodi: Physical Modeling Competenze: Estimation & Approximation, Mathematical Modeling Objects: Star Fonte: Testo (PDF) — p.5 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Rifrazioni multiple

Uno strato di alcool etilico, a contatto con l’aria (indice di rifrazione ), ha indice di rifrazione e spessore . Esso galleggia su uno strato di olio di indice di rifrazione e spessore , che a sua volta galleggia su uno strato d’acqua (indice di rifrazione ) di spessore , come mostrato in figura. Un raggio di luce proveniente dall’aria incide sulla superficie dell’alcool con un angolo di rispetto alla verticale. Quanto vale la distanza orizzontale tra il punto di incidenza del raggio sullo strato di alcool e il punto in cui il raggio raggiunge il fondo del contenitore?

Unità di misura: cm. Precisione richiesta: 0.5%.

Rifrazione multipla aria-alcool-olio-acqua

Topic: Geometric Optics Metodi: Snell’s Law, Vector Decomposition Competenze: Diagrammatic Reasoning, Mathematical Modeling Objects: Container Fonte: Testo (PDF) — p.5 Soluzione: Soluzioni (PDF)

The following table shows the results of the calculation of the total number of samples:

A layer of air-contact ethyl alcohol (refraction index ) has a refraction index and a thickness . It floats on a layer of oil of refractive index and thickness , which in turn floats on a layer of water (refractive index ) of thickness , as shown in Figure 1. A ray of light from the air hits the surface of the alcohol at an angle of to the vertical. What is the horizontal distance between the point of impact of the beam on the alcohol layer and the point where the beam reaches the bottom of the container?

The unit of measurement: ** cm. The following information is provided:

The following table shows the results of the calculation of the total weight of the product:

Topic: Geometric Optics Metodi: Snell’s Law, Vector Decomposition Competenze: Diagrammatic Reasoning, Mathematical Modeling Objects: Container Fonte: Testo (PDF) — p.5 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Lenti combinate

Chiara dispone due lenti sottili convergenti a contatto e in modo che abbiano lo stesso asse ottico. La lente posta a sinistra ha distanza focale ignota, mentre quella posta a destra ha distanza focale . Ponendo un piccolo oggetto a a sinistra del sistema formato dalle due lenti, Chiara osserva che l’immagine si forma a a destra dello stesso. Quanto vale la distanza focale ?

Unità di misura: cm. Precisione richiesta: 0.5%.

Sfera conduttrice dentro guscio sferico

Topic: Geometric Optics Metodi: Thin Lens & Mirror Equation Competenze: Mathematical Modeling, Diagrammatic Reasoning Objects: Lens Fonte: Testo (PDF) — p.6 Soluzione: Soluzioni (PDF)

The following table shows the results of the measurements:

Clear has two thin lenses that converge in contact and so that they have the same optical axis. The left-hand lens has an unknown focal length , while the right-hand lens has a focal length . By placing a small object at to the left of the two-lens system, Chiara observes that the image is formed at to the right of the same. What is the focal length ?

The unit of measurement: ** cm. The following information is provided:

Conducting sphere within the spherical shell

Topic: Geometric Optics Metodi: Thin Lens & Mirror Equation Competenze: Mathematical Modeling, Diagrammatic Reasoning Objects: Lens Fonte: Testo (PDF) — p.6 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Telescopio a specchio

Il Large Zenith Telescope (LZT) è un telescopio canadese molto particolare: si tratta di un telescopio a specchio liquido, in cui lo specchio parabolico è ottenuto mettendo in rotazione del mercurio liquido (di densità ) contenuto in un cilindro con asse verticale, in quantità sufficiente a formare completamente la superficie riflettente. Determina la velocità angolare con cui il cilindro deve ruotare attorno al proprio asse affinché lo specchio abbia una distanza focale di .

Unità di misura: . Precisione richiesta: 0.5%.

Topic: Fluid Mechanics, Geometric Optics Metodi: Free-Body Diagram, Calculus-Integration Competenze: Mathematical Modeling, Diagrammatic Reasoning Objects: Mirror, Cylinder Fonte: Testo (PDF) — p.6 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Telescopio a specchio

Il Large Zenith Telescope (LZT) è un telescopio canadese molto particolare: si tratta di un telescopio a specchio liquido, in cui lo specchio parabolico è ottenuto mettendo in rotazione del mercurio liquido (di densità ) contenuto in un cilindro con asse verticale, in quantità sufficiente a formare completamente la superficie riflettente. Determine the angular velocity at which the cylinder must rotate around its axis for the mirror to have a focal length of .

Unità di misura: . Precisione richiesta: 0.5%.

Topic: Fluid Mechanics, Geometric Optics Metodi: Free-Body Diagram, Calculus-Integration Competenze: Mathematical Modeling, Diagrammatic Reasoning Objects: Mirror, Cylinder Fonte: Testo (PDF) — p.6 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Ottaedro di cariche

Sei cariche puntiformi, tre positive e tre negative, tutte di uguale modulo , sono poste sui vertici di un ottaedro regolare. Al variare della disposizione delle cariche sui vertici, determina il rapporto tra l’energia potenziale elettrica massima possibile e quella minima possibile del sistema.

Nota bene: si parla di un ottaedro (3D), non di un ottagono (2D).

Unità di misura: adimensionale. Precisione richiesta: 0.5%.

Topic: Electrostatics Metodi: Coulomb’s Law, Symmetry Argument, Electric Potential Method Competenze: Mathematical Modeling, Diagrammatic Reasoning Objects: Point Charge Fonte: Testo (PDF) — p.6 Soluzione: Soluzioni (PDF)

**Eight-header of loads **

Six point-shaped charges, three positive and three negative, all of the same form, are placed on the vertices of a regular octahedron. Al variare della disposizione delle cariche sui vertici, determina il rapporto tra l’energia potenziale elettrica massima possibile e quella minima possibile del sistema.

Good note: this is an octahedron (3D), not an octagon (2D).

Unità di misura: adimensionale. Precisione richiesta: 0.5%.

Topic: Electrostatics Metodi: Coulomb’s Law, Symmetry Argument, Electric Potential Method Competenze: Mathematical Modeling, Diagrammatic Reasoning Objects: Point Charge Fonte: Testo (PDF) — p.6 Soluzione: Soluzioni (PDF)

Gabbia sferica

Una sfera conduttrice di raggio si trova al centro di un guscio sferico conduttore di raggio interno e raggio esterno , come mostrato in figura. Una carica positiva viene depositata sulla sfera conduttrice di raggio . Scegliendo come zero del potenziale elettrico un punto lontanissimo dal sistema, quanto vale il potenziale elettrico in un qualsiasi punto appartenente alla superficie della sfera conduttrice?

Sfera conduttrice di raggio con carica al centro di un guscio conduttore di raggio interno ed esterno .

Unità di misura: V. Precisione richiesta: 0.5%.

Topic: Electrostatics Metodi: Gauss’s Law, Electric Potential Method, Symmetry Argument Competenze: Mathematical Modeling, Diagrammatic Reasoning Objects: Conducting Sphere Fonte: Testo (PDF) — p.6 Soluzione: Soluzioni (PDF)

The following table shows the number of samples taken:

A radius conductive sphere is located at the centre of a spherical shell conducting internal radius and external radius , as shown in Figure 1. A positive charge is deposited on the conductive sphere of radius . If you choose as zero the electrical potential a point very far from the system, how much is the electrical potential at any point belonging to the surface of the conductive sphere?

Radio conductive sphere with charge at the centre of a conductive shell of internal and external radius .

The following is the list of the measurement units: The following information is provided:

Topic: Electrostatics Metodi: Gauss’s Law, Electric Potential Method, Symmetry Argument Competenze: Mathematical Modeling, Diagrammatic Reasoning Objects: Conducting Sphere Fonte: Testo (PDF) — p.6 Soluzione: Soluzioni (PDF)