IPhO 2006 — Teorica — Problema 3

Macchina fotografica digitale

Considera una macchina fotografica digitale con un chip CCD quadrato di lato $l=35$ mm che ha $N_p=5$ Mpix ($1$ Mpix $=10^6$ pixels). La lente di questa macchina fotografica ha una lunghezza focale $f=38$ mm. La nota sequenza di numeri $(2,2.8,4,5.6,8,11,16,22)$ che appare sulla lente si riferisce al cosiddetto numero F, che viene indicato con $F\#$ ed è definito come il rapporto tra la lunghezza focale della lente e il diametro $D$ dell’apertura della lente, $F\#=f/D$.

3.1 (1.0 pt) Trova, nella posizione del chip, la migliore risoluzione spaziale possibile $\delta$, limitata dalla diffrazione della lente, della macchina fotografica. Esprimi il tuo risultato in funzione della lunghezza d’onda $\lambda$ e del numero F, $F\#$, e fornisci il valore numerico per $\lambda =500$ nm.

Topic: Wave Optics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Interference & Diffraction Analysis, Order-of-Magnitude Estimation Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: Lens Fonte: Testo (PDF) — p.1

Macchina fotografica digitale

Consider a digital camera with a side-square $l=35$ mm CCD chip that has $N_p=5$ Mpix ($1$ Mpix $=10^6$ pixels). The lens of this camera has a focal length $f=38$ mm. The note sequence of numbers $(2,2.8,4,5.6,8,11,16,22)$ that appears on the lens refers to the so-called number F, which is denoted by $F\#$ and is defined as the ratio between the focal length of the lens and the diameter $D$ of the lens aperture, $F\#=f/D$.

3.1 (1.0 pt) Trova, nella posizione del chip, la migliore risoluzione spaziale possibile $\delta$, limitata dalla diffrazione della lente, della macchina fotografica. Express your result in terms of the wavelength $\lambda$ and the number F, $F\#$, and provide the numerical value for $\lambda =500$ nm.

Topic: Wave Optics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Interference & Diffraction Analysis, Order-of-Magnitude Estimation Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: Lens Fonte: Testo (PDF) — p.1

Macchina fotografica digitale (segue)

Considera la stessa macchina fotografica digitale con chip CCD quadrato di lato $l=35$ mm, lunghezza focale $f=38$ mm.

3.2 (0.5 pt) Trova il necessario numero $N$ di Mpix che il chip del CCD dovrebbe possedere per garantire la risoluzione ottimale limitata dalla diffrazione (calcolata in 3.1).

Topic: Wave Optics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Interference & Diffraction Analysis, Order-of-Magnitude Estimation Competenze: Estimation & Approximation, Mathematical Modeling Objects: Lens Fonte: Testo (PDF) — p.1

The following table shows the number of units in the manufacturer’s inventory:

Consider the same digital camera with a side-square CCD chip $l=35$ mm, focal length $f=38$ mm.

Find the required Mpix number $N$ that the CCD chip should have to ensure the optimal diffraction-limited resolution (calculated in 3.1).

Topic: Wave Optics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Interference & Diffraction Analysis, Order-of-Magnitude Estimation Competenze: Estimation & Approximation, Mathematical Modeling Objects: Lens Fonte: Testo (PDF) — p.1

Macchina fotografica digitale (segue)

Considera ora una macchina fotografica con $N_p=16$ Mpix e con il lato del chip $l$ e la lunghezza focale $f$ uguali a quelli di prima ($l=35$ mm, $f=38$ mm).

3.3 (0.5 pt) Talvolta i fotografi cercano di usare la macchina fotografica con la minima apertura possibile. Quale valore bisogna scegliere per $F\#$ in modo tale che la qualità dell’immagine non sia deteriorata per motivi dovuti all’ottica?

Topic: Wave Optics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Interference & Diffraction Analysis, Order-of-Magnitude Estimation Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: Lens Fonte: Testo (PDF) — p.1

The following table shows the number of units in the manufacturer’s inventory:

Consider a camera with $N_p=16$ Mpix and with the chip side $l$ and focal length $f$ equal to the previous ones ($l=35$ mm, $f=38$ mm).

Sometimes photographers try to use the camera with the least possible aperture. What value should be chosen for $F\#$ so that the image quality is not impaired for optical reasons?

Topic: Wave Optics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Interference & Diffraction Analysis, Order-of-Magnitude Estimation Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: Lens Fonte: Testo (PDF) — p.1

Macchina fotografica digitale (segue)

Sapendo che l’occhio umano ha una risoluzione angolare di circa $\alpha =2$ arcsec e che una tipica stampante fotografica stampa con un minimo di 300 dpi (dot per inch, ovvero punti per pollice).

Dati: 1 inch = 25.4 mm; $1\text{arcsec}=2.91\times 10^{-4}$ rad.

3.4 (0.5 pt) A quale distanza minima $z$ dai tuoi occhi dovresti tenere la pagina stampata in modo da non vedere i singoli punti?

Topic: Wave Optics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Small-Angle Approximation Competenze: Estimation & Approximation, Unit Conversion Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.1

Macchina fotografica digitale (segue)

Knowing that the human eye has an angular resolution of about $\alpha =2$ arcsec and that a typical photographic printer prints with a minimum of 300 dpi (dot per inch, or points per inch).

Dati: 1 inch = 25.4 mm; $1\text{arcsec}=2.91\times 10^{-4}$ rad.

3.4 (0.5 pt) A quale distanza minima $z$ dai tuoi occhi dovresti tenere la pagina stampata in modo da non vedere i singoli punti?

Topic: Wave Optics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Small-Angle Approximation Competenze: Estimation & Approximation, Unit Conversion Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.1

Un uovo sodo

Un uovo, preso direttamente dal frigorifero ad una temperatura $T_0=4°\text{C}$, è gettato in un pentolino contenente acqua mantenuta costantemente alla temperatura $T_w=100°\text{C}$.

Dati:

• Densità dell’uovo: $\rho =10^3$ kg m${}^{-3}$
• Calore specifico dell’uovo: $C=4.2$ J K${}^{-1}$ g${}^{-1}$
• Raggio dell’uovo: $R=2.5$ cm
• Temperatura di coagulazione dell’albume: $T_c=65°\text{C}$
• Conducibilità termica: $\kappa =0.64$ W K${}^{-1}$ m${}^{-1}$

3.5 (0.5 pt) Qual è la quantità di energia $E$ necessaria per coagulare completamente l’uovo?

Topic: Thermodynamics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Physical Modeling Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.1

A Hard-Boiled Egg

An egg, taken directly from the refrigerator at a temperature $T_0=4°\text{C}$, is thrown into a saucepan containing water kept constantly at temperature $T_w=100°\text{C}$.

Data:

• Egg density: $\rho =10^3$ kg m${}^{-3}$
• Specific heat capacity of the egg: $C=4.2$ J K${}^{-1}$ g${}^{-1}$
• Egg radius: $R=2.5$ cm
• Albumen coagulation temperature: $T_c=65°\text{C}$
• Thermal conductivity: $\kappa =0.64$ W K${}^{-1}$ m${}^{-1}$

3.5 (0.5 pt) What is the amount of energy $E$ required to completely coagulate the egg?

Un uovo sodo (segue)

Un uovo (raggio $R=2.5$ cm, conducibilità termica $\kappa =0.64$ W K${}^{-1}$ m${}^{-1}$) è immerso in acqua a $T_w=100°\text{C}$. Si può usare la forma semplificata della legge di Fourier: $\dot{q}=\kappa \Delta T/\Delta x$, dove $\Delta T$ è la differenza di temperatura associata alla lunghezza di scala $\Delta x$ tipica del problema. Il flusso termico $\dot{q}$ è espresso in W m${}^{-2}$.

3.6 (0.5 pt) Qual è il flusso di calore $\dot{q}$ che penetra nell’uovo?

Topic: Thermodynamics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Physical Modeling Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.2

A hard (seag) egg

An egg (radius $R=2.5$ cm, thermal conductivity $\kappa =0.64$ W K${}^{-1}$ m${}^{-1}$) is immersed in water at $T_w=100°\text{C}$. One can use the simplified form of Fourier’s law: $\dot{q}=\kappa \Delta T/\Delta x$, where $\Delta T$ is the temperature difference associated with the typical length of scale $\Delta x$ of the problem. The heat flow $\dot{q}$ is expressed in W m${}^{-2}$.

3.6 (0.5 pt) What is the heat flow $\dot{q}$ that enters the egg?

Topic: Thermodynamics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Physical Modeling Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.2

Un uovo sodo (segue)

Un uovo (raggio $R=2.5$ cm) è immerso in acqua a $T_w=100°\text{C}$.

3.7 (0.5 pt) Qual è la potenza termica $P$ trasferita all’uovo?

Topic: Thermodynamics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Physical Modeling Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.2

A hard (seag) egg

An egg (radius $R=2.5$ cm) is immersed in water at $T_w=100°\text{C}$.

3.7 (0.5 pt) What is the thermal power $P$ transferred to the egg?

Topic: Thermodynamics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Physical Modeling Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.2

Un uovo sodo (segue)

Un uovo, preso dal frigorifero a $T_0=4°\text{C}$, è immerso in acqua a $T_w=100°\text{C}$. Si conoscono l’energia necessaria alla coagulazione $E$ (calcolata in 3.5) e la potenza termica $P$ (calcolata in 3.7).

3.8 (0.5 pt) Per quanto tempo occorre cuocere l’uovo in modo da renderlo sodo?

Topic: Thermodynamics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Physical Modeling Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.2

A hard (seag) egg

An egg taken from the refrigerator at $T_0=4°\text{C}$ is immersed in water at $T_w=100°\text{C}$. The coagulation energy $E$ (calculated in 3.5) and the thermal power $P$ (calculated in 3.7) are known.

How long does it take to cook the egg to make it solid?

Topic: Thermodynamics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Physical Modeling Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.2

Fulmine

Viene proposto un modello estremamente semplificato del processo di produzione di un fulmine. Il fulmine è prodotto dall’accumularsi di carica elettrostatica nelle nuvole. La base della nube si carica positivamente e la parte superiore negativamente; il suolo sotto la nube si carica negativamente. Quando il corrispondente campo elettrico supera la rigidità dielettrica dell’aria, si verifica una violenta scarica: il fulmine.

Dati:

• Distanza tra la base della nube ed il suolo: $h=1$ km
• Rigidità dielettrica dell’aria umida: $E_c=300$ kV m${}^{-1}$
• Numero totale di fulmini che in media colpiscono la Terra in un anno: $3.2\times 10^7$
• Popolazione umana complessiva: $6.5\times 10^9$ persone

Fai riferimento alla curva semplificata dell’impulso di corrente in funzione del tempo tra nube e suolo durante il fulmine (figura sul testo originale).

3.9 (0.5 pt) Qual è la carica totale $Q$ liberata durante un fulmine?

Impulso di corrente fulmine vs tempo

Topic: Electrostatics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Physical Modeling Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.2

Lightning

An extremely simplified model of the lightning generation process is proposed. Lightning results from the buildup of electrostatic charge in clouds. The base of the cloud becomes positively charged, while the upper part becomes negatively charged; the ground beneath the cloud acquires a negative charge. When the resulting electric field exceeds the dielectric strength of air, a violent discharge occurs: lightning.

Data:

• Distance between cloud base and ground: $h=1$ km
• Dielectric strength of humid air: $E_c=300$ kV m${}^{-1}$
• Total number of lightning strikes that on average hit Earth per year: $3.2\times 10^7$
• Total human population: $6.5\times 10^9$ people

Refer to the simplified curve of current pulse versus time between cloud and ground during lightning (figure in original text).

3.9 (0.5 pt) What is the total charge $Q$ released during a lightning strike?

Lightning current pulse vs time

Fulmine (segue)

Stesse condizioni del problema 3.9 (fulmine tra nube a $h=1$ km e suolo, curva corrente-tempo semplificata).

3.10 (0.5 pt) Qual è la corrente elettrica media $⟨I⟩$ che passa tra la base della nube ed il suolo durante il fulmine?

Topic: Electrostatics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Physical Modeling Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.3

The following table shows the results of the evaluation:

The same conditions as in problem 3.9 (lightning between clouds at $h=1$ km and ground, simplified current-time curve).

3.10 (0.5 pt) What is the mean electric current $⟨I⟩$ passing between the base of the cloud and the ground during lightning?

Topic: Electrostatics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Physical Modeling Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.3

Fulmine (segue)

Stesse condizioni e dati del problema 3.9.

3.11 (1.0 pt) Supponi che l’energia di tutti i temporali che si verificano in un anno sia raccolta ed egualmente distribuita tra tutta la popolazione ($6.5\times 10^9$ persone). Per quanto tempo potresti tenere accesa continuamente una lampadina da 100 W con la tua quota di energia?

Topic: Electrostatics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Physical Modeling, Electric Potential Method Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.3

The following table shows the results of the evaluation:

The same conditions and data as in problem 3.9.

3.11 (1.0 pt) Assume that the energy of all storms that occur in a year is collected and equally distributed among the entire population ($6.5\times 10^9$ people). How long can you keep a 100W light bulb on continuously with your own power share?

Topic: Electrostatics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Physical Modeling, Electric Potential Method Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: — Fonte: Testo (PDF) — p.3

Vasi capillari

Consideriamo il sangue come un fluido viscoso incomprimibile con una densità $\rho$ simile a quella dell’acqua ed una viscosità dinamica $\eta =4.5\times 10^{-3}$ kg m${}^{-1}$ s${}^{-1}$. Modelliziamo i vasi sanguigni come tubi cilindrici rettilinei di raggio $r$ e lunghezza $L$ e descriviamo il flusso sanguigno mediante la legge di Poiseuille:

$\Delta p=R_h\dot{V},R_h=\frac{8\eta L}{\pi r^4}$

dove $\Delta p$ è la differenza di pressione tra ingresso e uscita, $\dot{V}$ è la portata volumetrica e $v=\dot{V}/S$ è la velocità del sangue (con $S=\pi r^2$).

Per la circolazione sistemica, il flusso totale vale $D=100$ cm${}^3$ s${}^{-1}$ per un uomo a riposo. Tutti i vasi capillari sono connessi in parallelo; ciascuno ha raggio $r=4\mu$m, lunghezza $L=1$ mm, ed è sottoposto a $\Delta p=1$ kPa.

3.12 (1.0 pt) Quanti vasi capillari ci sono nel corpo umano?

Topic: Fluid Mechanics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Physical Modeling, Continuity Equation Competenze: Estimation & Approximation, Mathematical Modeling Objects: Tube Fonte: Testo (PDF) — p.3

The following table summarizes the results of the studies:

We consider blood as an incompressible viscous fluid with a density $\rho$ similar to that of water and a dynamic viscosity $\eta =4.5\times 10^{-3}$ kg m${}^{-1}$ s${}^{-1}$. We model the blood vessels as straight cylindrical tubes of radius $r$ and length $L$ and we describe blood flow using Poiseuille’s law:

$\Delta p=R_h\dot{V},R_h=\frac{8\eta L}{\pi r^4}$

where $\Delta p$ is the difference in pressure between input and output, $\dot{V}$ is the volumetric flow and $v=\dot{V}/S$ is the blood velocity (with $S=\pi r^2$).

For systemic circulation, the total flow is $D=100$ cm${}^3$ s${}^{-1}$ for a resting man. All capillary vessels are connected in parallel; each has a radius $r=4\mu$m, length $L=1$ mm, and is subjected to $\Delta p=1$ kPa.

How many capillaries are there in the human body?

Topic: Fluid Mechanics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Physical Modeling, Continuity Equation Competenze: Estimation & Approximation, Mathematical Modeling Objects: Tube Fonte: Testo (PDF) — p.3

Vasi capillari (segue)

Stesse condizioni del problema 3.12 (capillari in parallelo, $r=4\mu$m, $L=1$ mm, $\Delta p=1$ kPa, $\eta =4.5\times 10^{-3}$ kg m${}^{-1}$ s${}^{-1}$, legge di Poiseuille).

3.13 (0.5 pt) Qual è la velocità $v$ con la quale il sangue scorre attraverso un vaso capillare?

Topic: Fluid Mechanics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Continuity Equation Competenze: Estimation & Approximation, Physical Reasoning Objects: Tube Fonte: Testo (PDF) — p.3

Capillary vessels (continued)

Same conditions as in problem 3.12 (capillaries in parallel, $r=4\mu$ m, $L=1$ mm, $\Delta p=1$ kPa, $\eta =4.5\times 10^{-3}$ kg m${}^{-1}$ s${}^{-1}$, Poiseuille’s law).

3.13 (0.5 pt) What is the velocity $v$ at which blood flows through a capillary vessel?

Un grattacielo

Alla base di un grattacielo alto 1000 m, la temperatura esterna è $T_{\text{bot}}=30°\text{C}$. L’obiettivo è stimare la temperatura esterna $T_{\text{top}}$ in cima. Considera un sottile strato di aria (gas azoto perfetto con coefficiente adiabatico $\gamma =7/5$) che sale lentamente ad un’altezza $z$ dove la pressione è minore, e supponi che questo strato si espanda adiabaticamente in modo tale che la sua temperatura si porti alla temperatura dell’aria circostante.

Dati:

• Costante di Boltzmann: $k=1.38\times 10^{-23}$ J K${}^{-1}$
• Massa di una molecola di azoto: $m=4.65\times 10^{-26}$ kg
• Accelerazione di gravità: $g=9.80$ m s${}^{-2}$

3.14 (0.5 pt) Quanto vale la variazione relativa di temperatura $dT/T$ in funzione della variazione relativa di pressione $dp/p$?

Topic: Thermodynamics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Order-of-Magnitude Estimation, Ideal Gas Law, Thermodynamic Cycle Analysis Competenze: Estimation & Approximation, Mathematical Modeling Objects: Gas Fonte: Testo (PDF) — p.3

A Skyscraper

At the base of a 1000 m high skyscraper, the external temperature is $T_{\text{bot}}=30°\text{C}$. The goal is to estimate the external temperature $T_{\text{top}}$ at the top. Consider a thin layer of air (perfect nitrogen gas with adiabatic coefficient $\gamma =7/5$) rising slowly to a height $z$, where the pressure is lower, and assume this layer expands adiabatically such that its temperature adjusts to that of the surrounding air.

Data:

• Boltzmann constant: $k=1.38\times 10^{-23}$ J K${}^{-1}$
• Mass of a nitrogen molecule: $m=4.65\times 10^{-26}$ kg
• Acceleration due to gravity: $g=9.80$ m s${}^{-2}$

3.14 (0.5 pt) What is the relative change in temperature $dT/T$ as a function of the relative change in pressure $dp/p$?

Un grattacielo (segue)

Stesse condizioni del problema 3.14 (strato di aria che si espande adiabaticamente, gas azoto, $g=9.80$ m s${}^{-2}$, $m=4.65\times 10^{-26}$ kg, $k=1.38\times 10^{-23}$ J K${}^{-1}$).

3.15 (0.5 pt) Esprimi la differenza di pressione $dp$ in funzione di $dz$, la variazione di quota.

Topic: Thermodynamics, Fluid Mechanics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Hydrostatic Equilibrium, Ideal Gas Law, Order-of-Magnitude Estimation Competenze: Estimation & Approximation, Mathematical Modeling Objects: Gas Fonte: Testo (PDF) — p.4

A skyscraper (continued)

Same conditions as problem 3.14 (adiabatic expansion of an air layer, nitrogen gas, $g=9.80$ m s${}^{-2}$, $m=4.65\times 10^{-26}$ kg, $k=1.38\times 10^{-23}$ J K${}^{-1}$).

3.15 (0.5 pt) Express the pressure difference $dp$ as a function of $dz$, the change in altitude.

Un grattacielo (segue)

Stesse condizioni e dati dei problemi 3.14–3.15. Si sa che $T_{\text{bot}}=30°\text{C}$ alla base (quota 0) e che il grattacielo è alto 1000 m.

3.16 (1.0 pt) Qual è la temperatura $T_{\text{top}}$ che si ottiene in cima all’edificio?

Topic: Thermodynamics, Order-of-Magnitude Estimation Metodi: Ideal Gas Law, Order-of-Magnitude Estimation, Differential Equations Competenze: Estimation & Approximation, Mathematical Modeling Objects: Gas Fonte: Testo (PDF) — p.4

A skyscraper (continued)

Same conditions and data as in problems 3.14–3.15. It is known that $T_{\text{bot}}=30°\text{C}$ at the base (altitude 0), and the skyscraper is 1000 m high.

3.16 (1.0 pt) What is the temperature $T_{\text{top}}$ obtained at the top of the building?