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Physik-Olympiade Finalrunde 15. - 16. März 2025 Teil 1 : 3 lange Aufgaben Zeit : 150 Minuten Total : 48 Punkte (3 16) Erlaubte Hilfsmittel : Einfacher Taschenrechner Schreib- und Zeichenmaterial Viel Erfolg! neue kantonsschule aarau Supported by :
Staatssekretariat für Bildung, Forschung und Innovation Bärbel & Paul Geissbühler Stiftung Deutschschweizerische Physikkommission VSMP / DPK EMPA - Materials Science & Technology Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne ETH Zurich Department of Physics Fondation Claude & Giuliana Ernst Göhner Stiftung, Zug Hasler Stiftung, Bern Huawei Metrohm Stiftung, Herisau Neue Kantonsschule Aarau Novartis Swiss Physical Society Università della Svizzera italiana Universität Bern FB Physik/Astronomie Universität Zürich FB Physik Mathematik
Naturkonstanten
Cäsium-Hyperfeinfrequenz 9.192 631 770 Lichtgeschwindigkeit im Vakuum 2.997 924 58 Planck-Konstante 6.626 070 15 Elementarladung 1.602 176 634 Boltzmann-Konstante 1.380 649 Avogadro-Konstante 6.022 140 76 Photometrisches Strahlungsäquivalent 6.83 Magnetische Konstante 1.256 637 062 12(19) Elektrische Konstante 8.854 187 812 8(13) Gaskonstante 8.314 462 618… Stefan-Boltzmann-Konstante 5.670 374 419… Gravitationskonstante 6.674 30(15) Elektronenmasse 9.109 383 701 5(28) Neutronenmasse 1.674 927 498 04(95) Protonenmasse 1.672 621 923 69(51) Normfallbeschleunigung 9.806 65
Physik-Olympiade: Finalrunde 15 - 16.03.2025 Lange Aufgaben Zeit: 150 Minuten Maximalpunktzahl: 48 Punkte (3 16) Beginne jede Aufgabe auf einem neuen Blatt, um das Korrigieren zu erleichtern. Allgemeiner Hinweis: Die Aufgaben bestehen aus zum Teil unabhängigen Teilaufgaben, falls Du stecken bleibst lohnt es sich weiterzulesen und bei einer einfacheren Teilaufgabe wieder einzusteigen. Lange Aufgabe 1.1: Faradaysche Scheibe (16 Punkte) Eine Faradaysche Scheibe ist ein einfacher elektrischer Generator. Sie besteht aus einer Metallscheibe aus Eisen (einem leitenden Material) mit einem Innenradius , einem Aussenradius und einer Breite . Sie befindet sich in einem konstanten und gleichmässigen Magnetfeld der Stärke , das senkrecht zur Scheibe steht, wie in Abbildung 1 dargestellt. Eisen hat die Leitfähigkeit . Abbildung 1: Diagramm einer Faradayschen Scheibe. Teil A. Offener Stromkreis (5 Punkte) Betrachten wir zunächst einfach die Scheibe, die sich mit konstanter Winkelgeschwindigkeit dreht, wie in der Abbildung 1 dargestellt. i. (3 Pkte.) Ermittle das elektrische Feld im Inneren der Scheibe und die Potentialdifferenz zwischen dem Zentrum und dem äusseren Umfang der Scheibe. Hinweis: Erinnere dich daran, dass sich die freien Ladungen in einem Leiter so anordnen, dass keine Gesamtkraft auf sie einwirkt. ii. (2 Pkte.) Was ist der Widerstand der Scheibe? Teil B. Generator (5 Punkte) Nun werden der innere und der äussere Umfang der Scheibe mit einem Draht an einen Widerstand verbunden, wie in der Abbildung 1 blau dargestellt. Die Kontakte drehen sich nicht mit der Scheibe. Nimm an, dass die Kontakte frei von Widerstand und Reibung sind. i. (1 Pkt.) Wie gross ist die Potentialdifferenz zwischen dem Zentrum und und dem äusseren Umfang der Scheibe? Hinweis: Die Scheibe verhält sich wie ein nicht idealer Generator. ii. (1 Pkt.) Wie gross ist die Gesamtleistung und die elektrische Leistung dieses Generators? iii. (1 Pkt.) Wie hoch ist der Wirkungsgrad des Generators? iv. (2 Pkte.) Ermittle die maximale elektrische Leistung und den Wirkungsgrad des Generators, wenn er mit dieser Leistung arbeitet. Teil C. Regeneratives Bremsen (6 Punkte) dieser Metallscheiben werden als Räder verwendet und sind mechanisch mit einem Zug verbunden. Der Zug hat eine Masse , einen effektiven Widerstand und jedes Rad hat eine Masse . Das einzige rotierende Teil des Zuges sind die Räder. Eisen hat Leitfähigkeit , Wärmekapazität und Schmelzpunkt . i. (1.5 Pkte.) Gib die kinetische Energie des Zuges in der Form als Funktion der gegebenen Werte an, wenn die Räder mit der Winkelgeschwindigkeit rotieren. Welchem Wert entspricht ? Hinweis: Das Trägheitsmoment einer Scheibe mit Teil 1 - 1/21
Physik-Olympiade: Finalrunde 15 - 16.03.2025 der Masse , dem Innenradius und dem Aussenradius in Bezug auf ihre Achse ist . ii. (0.5 Pkte.) Gib die kinetische Energie des Zuges unter der Annahme an, dass . Du kannst für den Rest von Teil C davon ausgehen, dass . iii. (2 Pkte.) Ermittle die zeitliche Entwicklung von . iv. (0.5 Pkte.) Wie lange dauert es, bis sich die Geschwindigkeit des Zuges halbiert hat? Angenommen, der Zug fährt mit einer Geschwindigkeit von . v. (1 Pkt.) Wenn der Zug durch Kurzschliessen der Mitte und des äusseren Umfangs der Scheibe gebremst wird (also ), schätze, wie viele Rä- der erforderlich sind, damit sie nicht zu schmelzen beginnen. vi. (0.5 Pkte.) Ist die Beschleunigung beim Bremsen für die Fahrgäste sicher? Nimm , , und . Teil 1 - 2/21
Physik-Olympiade: Finalrunde 15 - 16.03.2025 Lange Aufgabe 1.2: Nichtlineare Optik (16 Punkte) Nichtlineare Optik tritt auf, wenn sich Lichtstrahlen mit sehr hoher Intensität, in der Regel kurze Laserpulse, durch Materialien ausbreiten. Unter diesen extremen Bedingungen kann das Material sogar die Wellenlänge des Lichts verändern. Die allgemeine Theorie ist recht komplex; es gibt jedoch einige Schlüsselphänomene, die mit Hilfe der Quantenmechanik erklärt werden können. Teil A. Aufwärmen (3 Punkte) Erinnern wir uns zunächst an einige Konzepte der Quantenmechanik. Betrachten wir ein Photon der Wellenlänge , das sich durch Vakuum bewegt. In diesem Teil sollen die Antworten als Funktionen von und fundamentalen Konstanten ausgedrückt werden. i. (0.5 Pkte.) Gib die Frequenz des Photons an. ii. (0.5 Pkte.) Gib die Energie des Photons an. iii. (1 Pkt.) Gib den Impuls des Photons an. Betrachten wir nun einen Laser, der Photonen der Wellenlänge aussendet. Die Leistung des Lasers ist . iv. (1 Pkt.) Gib die Anzahl der pro Sekunde emittierten Photonen an. Teil B. Die zweite Harmonische (5.5 Punkte) Studieren wir nun die nichtlineare Optik. Betrachten wir einen Laserpuls mit zentraler Wellenlänge und entsprechender Frequenz , der auf einen nichtlinearen Kristall geschossen wird. Die Intensität ist so hoch, dass es möglich ist, dass der Kristall zwei Photonen gleichzeitig absorbiert, dann aber nur ein Photon emittiert. Da es sich um einen Puls handelt, enthält der Puls eine ganze Reihe von Frequenzen oder Wellenlängen. i. (1.5 Pkte.) Gib unter Anwendung der Energieerhaltung die Zentralfrequenz und des emittierten Photons an. ii. (1 Pkt.) Angenommen, der Puls hat eine Dauer , wie gross ist die entsprechende minimale Bandbreite des Pulses? Hinweis: Verwende die Heisenbergsche Unschärferelation iii. (0.5 Pkte.) Gib die kleinste und grösste Frequenz innerhalb der Bandbreite an (d. h. das Intervall der möglichen Frequenzen). iv. (1.5 Pkte.) Da zwei Photonen mit unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig absorbiert werden können und ein neues Photon mit ihrer Gesamtenergie emittiert werden kann, entsteht ein Puls um mit einer bestimmten Bandbreite. Berechne diese Bandbreite . Nimm an, dass der ursprüngliche Puls nur aus Photonen mit Frequenzen im Bereich von bis besteht. v. (1 Pkt.) Gib die Dauer des neuen Pulses an. Kommentiere das Ergebnis. Teil C. Impulserhaltung (7.5 Punkte) Bisher wurde nur
Topic: Electromagnetic Induction, Modern-Quantum Physics, Circuits Metodi: Faraday’s Law of Induction, Lorentz Force Analysis, Photon Energy Relation, Conservation of Energy, Differential Equations Competenze: Mathematical Modeling, Physical Reasoning, Estimation & Approximation Objects: Disk, Resistor, Wire, Photon Fonte: Testo (PDF) — p.1
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Fisica-Olimpiade Rondo finale 15. - 16. marzo 2025 Parte 1: 3 lange Aufgaben Zeit: 150 minuti Total: 48 punti (3 16) Erlaubte Hilfsmittel: Einfacher Taschenrechner Schreib- und Zeichenmaterial Viel Erfolg! nuova kantonsschule aarau Supportato da:
Il segretariato di Stato per l’istruzione, la ricerca e l’innovazione Bärbel & Paul Geissbühler Stiftung Deutsche Schweizerische Physikkommission VSMP / DPK EMPA - Materiali Scienza e tecnologia Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne Dipartimento di fisica dell’ETH Zurigo Fondazione Claude & Giuliana Stichting Ernst Göhner, Zug Hasler Stiftung, Berna Huawei Metrohm Stiftung, Herisau Neue Kantonsschule Aarau Novartis Società fisica svizzera Università della Svizzera italiana Universität Bern FB Fisica/Astronomia Universität Zürich FB Fisica e Matematica
Naturkonstanten
Cäsium-Hyperfeinfrequenz 9.192 631 770 Velocità di luce nel vuoto 2.997 924 58 Planck-Konstante 6.626 070 15 La durata elementare 1.602 176 634 Boltzmann-Konstante 1.380 649 Avogadro-Constante 6.022 140 76 Fotometriche Strahlungsäquivalente 6.83 Magnetische Konstante 1.256 637 062 12(19) Elektrische Konstante 8.854 187 812 8(13) Gaskonstante 8.314 462 618… Stefan-Boltzmann-Konstante 5.670 374 419… Gravità costante 6.674 30(15) Masse elettronica 9.109 383 701 5(28) Massa di neutroni 1.674 927 498 04(95) Massa protonetica 1.672 621 923 69(51) Raccaduto di norma 9.806 65
Fisica-Olimpiade: finale 15 - 16.03.2025 Compiti lunghi Tempo: 150 minuti Numero massimo di punti: 48 punti (3 16) Inizio ogni compito su una nuova pagina, e il corrigger è più facile. Infine, il Consiglio ha adottato una decisione che prevede che la Commissione non debba essere tenuta a prendere decisioni in materia di sicurezza. Non è ancora venduto e, in un’altra semplice fase, è necessario rientrare in vigore. Lange Aufgabe 1.1: Faradaysche Scheibe 16 punti) Un Faradaysche Scheibe è un generatore elettrico più semplice. Si compone di una metallo
- il materiale di cui trattasi Radiosintesi , un radiosintesi e un Breite . Si trova in un costante e gleichmässigen Magnetfeld der Stärke , das senkrecht zur Scheibe steht, wie in Abbildung 1 dargestellt. Eisen hat die Leitfähigkeit . Figura 1: Diagramma di una schiera di Faradayschen. Parte A. Offender Stromkreis (5 punti) E’ un’idea che non ci sia più che una semplice morte. se la velocità di marcia è costante , In questo caso, la Commissione ha deciso di non prendere decisioni. i. (3 Pkte.) Ermittle das elektrische Feld im Inner der Scheibe und die Potenzialdifferenz Tra il centro e l’Umfang
- Der Scheibe. Infine, non dimenticare che si è liberati. Ladungen in einem Leiter so anordnen, dass keine La forza di lavoro totale. ii. (2 Pkte.) Was ist der Widerstand der Scheibe? Parte B. Generatore (5 punti) Non sono diventati l’interno e l’esterno Scheibe mit einem Draht an einen Widerstand Le condizioni di lavoro sono state definite in base alle condizioni di lavoro. Il contakte è un sogno che non è con il schifo. Nimm an, dass die Kontakte frei von Widerstand
- E’ un’altra cosa. i. 1 Pkt) Come è il margine di differenze potenziali Tra il centro e l’altro Umfang der Scheibe? Il Scheibe si comporta come un Generatore non ideale. ii. 1 Pkt) Come il rendimento totale lordo und die elektrische Leistung dieses Generators? iii. 1 Pkt) Come è il Wirkungsgrad des
- Generatori? iv. (2 Pkte.) Ermittle die maximale elektrische Leistung und den Wirkungsgrad des Generators, wenn er mit dieser Leistung arbeitet. Parte C. Regenerativi Bremsen (6 punti) dieser Metallscheiben werden als Räder verwendet und sind mechanisch mit einem Zug verbunden. Der Zug hat eine Masse , einen effektiven Widerstand und jedes Rad hat eine Masse . Il solo rotante della Zuges
- Sono dei Räder. Eisen hat Leitfähigkeit , Wärmekapazität e Schmelzpunkt . i. 1,5% di energia cinetica dei Zuges in forma als Funktion der gegebenen La velocità di rotore è di . Welchem Wert è equivalente a ? Infine, il Consiglio ha deciso di approvare la proposta di direttiva. Parte 1 - 1/21
Fisica-Olimpiade: finale 15 - 16.03.2025 Masse , radius interno e Radius aussen in relazione al loro successo . ii. La Commissione ha adottato una decisione che prevede la modifica della direttiva del Consiglio. unter der Annahme an, dass . Tu kannst für den Rest von Teil C di cui ausgehen, che . iii. (2 Pkte.) Ermittle die zeitliche Entwicklung di . iv. (0,5 Pkt) Per quanto tempo è necessario, fino a quando non si muore
- Il cappello della velocità di Zuges? Angenommen, der Zug fährt mit einer Geschwindigkeit von . v. (1 Pkt.) Wenn der Zug durch Kurzschliessen (Il Regno Unito) La Commissione ha adottato una decisione che prevede la modifica della direttiva del Consiglio. gebremst wird (also ), schätze, wie viele Rä- Le condizioni di lavoro sono state soddisfatte.
- Come? vi. (0,5 Pkte) È la velocità di Bremsen per i viaggi in sicurezza? Nimm , , e . Parte 1 - 2/21
Fisica-Olimpiade: finale 15 - 16.03.2025 Lange Compito 1.2: Non lineare Optica 16 punti) Non lineare, se si vedono i raggi di luce con una intensità molto elevata, in genere Il laser pulsa, attraverso l’ausbreiten Materialien. In queste condizioni estreme può essere anche il materiale
- il Wellenlänge des Lichts verändern. La teoria generale è complessa; tuttavia, ci sono alcuni La politica di sicurezza e di sicurezza della sicurezza sono state definite come un elemento fondamentale. Parte A. Aufwärmen (3 punti) Infine, il Consiglio ha adottato una decisione che prevede la creazione di un sistema di controllo delle Quantenmeccanico. La Commissione ha adottato una proposta di regolamento (CEE) n. Wellenlänge , das sich durch Vakuum bewegt. In Questo è il risultato di un’azione di von und fundamentalen Konstanten ausgedrückt
- Non lo so. i. (0.5 Pkte.) Gib die Frequenz des Photons an. ii. (0.5 Pkte.) Gib die Energie des Photons an. iii. 1 Pkt) Gib den Impulse des Photons an. Contrastenten wir nun einen Laser, der Photonen der Wellenlänge aussendet. Die Leistung des Lasers è . iv. 1 Pkt) Gib die Anzahl der pro Sekunde emittierten Photonen an. Parte B. La “Scienza armonica” (5,5 punti) Studiare non non non lineare optica. Contrastente con un laser pulsante con un centro Wellenlänge und entsprechender Frequenz , der auf einen nichtlinearen Kristall geschossen wird. L’intensità è Quindi, è possibile, è possibile, è possibile, è possibile, è possibile. La luce è assorbita contemporaneamente, quindi non è più Emitter di fotoni. Se non si tratta di un polso, contenente il pulso e la serie di frequenze
- Il gruppo di lavoro è stato riunito. i. (1.5 Pkte.) Gib unter Anwendung der Energieerhaltung die Zentralfrequenz und des emittierten Photons an. ii. 1 ottobre. , quale è il grosso della relativa larghezza minima dei polsi? Indicazione: Verwende die Heisenbergsche Unschärferelation iii. 0,5% di peso) Gibi più piccoli e più grandi Frequenz innerhalb der Bandbreite an (d. h. La frequenza di riferimento è la frequenza di riferimento. iv. La frequenza di emissione di due fotoni è pari a quella di due fotoni. können und ein neues Photon mit ihrer Gesamtenergie emittiert werden kann, entsteht ein Puls um Con una determinata banda. Berchne diese La banda . Nimm an, dass der ursprüngliche Puls nur aus Photonen mit Frequenza in campo di bis besteht. v. 1° gennaio) Gib die Dauer des neuen Pulses an. Commentiere dei risultati. Parte C. Impulserhaltung (7,5 punti) Bisher è stato nur
Topic: Electromagnetic Induction, Modern-Quantum Physics, Circuits Metodi: Faraday’s Law of Induction, Lorentz Force Analysis, Photon Energy Relation, Conservation of Energy, Differential Equations Competenze: Mathematical Modeling, Physical Reasoning, Estimation & Approximation Objects: Disk, Resistor, Wire, Photon Fonte: Testo (PDF) — p.1