QUESTION T1 [10 pts]. Three problems

This question consists of three independent problems.

T1-A [3.0 pts]. Hydrostatic gate

Fig. 1a.

Two water reservoirs are separated by a vertical wall MN, as shown in the figure 1a. The left reservoir can receive water from a source. It must be ensured that the maximum possible difference between the water levels is . To achieve this, a slot of vertical size is cut in MN and sealed with a solid cubic block of side length . The block has density , with the density of water. The block is fully submerged, fixed to the wall at and can rotate without friction about the axis perpendicular to the plane of the figure that passes through point .

T1-A1 [3.0 pts] Calculate the value of that ensures the maximum permissible difference in water levels is not exceeded.

T1-B [3.5 pts]. Electron-positron pair

Fig. 1b.

At a certain instant of time, a positron is located at a distance of from an electron . The particles are moving in such a way that their velocities are antiparallel at that instant, perpendicular to their separation, as shown in figure 1b. It is known that each particle has an angular momentum of magnitude with respect to the system’s center of mass, where is a dimensionless numerical factor. Assume that the only interaction between and is electrostatic (both particles have the same mass and equal magnitude of the charge but of opposite sign). Furthermore, assume that this system remains isolated and that its dynamics are classical and non-relativistic.

The Bohr radius is given by .

T1-B1 [1.0 pts] If , the system is bound, meaning that the particles move in a closed orbit around the system’s center of mass. Find the maximum separation distance between and in terms of .

T1-B2 [2.5 pts]. If , the system is unbound, meaing that the particles are no longer in closed orbit around the system’s center of mass. Let be the velocity of relative to as the separation distance between them tends to infinity. Calculate the angle between and the initial line of motion of . Give your answer in degrees.

Hint 1: The eccentricty of a conic trajectory for the present case is given by where E and L are the total energy and the magnitude of the total angular momentum, respectively. k is Coulombs constant .

Hint 2: The equation of a conic in polar coordinates is

T1-C [3.5 pts]. Photodissociation of ozone

Fig. 1c.

A photon with angular frequency strikes an ozone molecule O at rest, dissociating it (breaking it apart) into an oxygen molecule O and an oxygen atom O, as shown in figure 1c. The photon is absorbed in this process. Let and be the ground state energies of the ozone and oxygen molecules, respectively. Assume that this system remains isolated and that its dynamics is classical (potential energies do not contribute to mass and the motion of the Oxygen atoms are non-relativistic). Use the relation for the linear momentum of the photon, where is its energy.

T1-C1 [2.5 pts]. If the angle that the momentum of the outgoing O with respect to the incident photon is , determine the minimum angular frequency required for this dissociation to occur at this angle. Write your answer in terms of , , , , and the mass of an oxygen atom.

T1-C2 [1.0 pts]. If , calculate the value of . Give your answer in electronvolts (eV). Take and .

Hint:

Physical Constants — reference values for selected physical constants (official table of the exam: always use these values unless otherwise noted).

ConstantNotationValueUnits
Speed of light in vacuum
Planck constant
Reduced Planck constant
Avogadro number
Boltzmann constant
Ideal gas constant
Elementary charge
Universal gravitational constant
Stefan–Boltzmann constant
Vacuum permeability
Vacuum permittivity
Mass of the electron
Mass of the proton
Atomic mass unit

N.d.R.: refusi del testo ufficiale, riprodotti senza modifiche: «meaing» (meaning, T1-B2) e «eccentricty» (eccentricity, Hint 1).

Soluzione:

T1-A [3.0 pts]. Hydrostatic gate

T1-A1 [3.0 pts].
Since the dam is perfectly sealed, the area of the opening is :

The horizontal force exerted by the water on either side is equal to the pressure at the centroid of the cube sections on the corresponding side times the effective area, as calculated previously: With an effective application point at the centroid of the left region of the block. The other relevant forces are the block’s weight , the vertical component of the force exerted by the fluid (buoyant force) , and the force that the hinge applies to the block (which exerts no torque).
At the critical , the bottom edge of the opening applies zero force to the block. For the net torque to be 0, Note: Arms are from O either in the horizontal or vertical direction for pressure difference and effective weight respectively. For ,

T1-B [2.5 pts]. Electron-positron pair
From the definition of angular momentum, The total energy of the system is

T1-B1 [1.0 pts].

For ,

SOLUTION 1:
At the critical separation distances, and . The energy at and can be written as Using and the conservation of energy, The maximum separation corresponds to the solution with the plus sign,

SOLUTION 2:
Since the energy is negative and the electrostatic force is central and proportional to , the trajectory of the particles will be elliptical with respect to the CM. The energy can be written in terms of the semi-major axis as Since is perpendicular to the vector that connects the two particles, the initial position must correspond to either or . The other critical distance, is given by the definition of : Which is greater than and corresponds to

SOLUTION 3:
The general equation for the trajectory in polar coordinates is with the semi-latus rectum and the eccentricity, as given by the hint in question T1-B2. The maximum separation distance is reached when : Calculating the values of and , Replacing these values in the expression for ,

T1-B2 [2.5 pts].
For , The distance between particles follows Since the initial position corresponds to the closest approach, it is convenient to measure the angle with respect to the y axis so that , .
For , Calculating the eccentricity, Replacing this value in the expression for , Since this is the angle with respect to the -axis but the initial velocity is directed towards the positive -axis, heading downward

.

T1-C [3.5 pts]. Photodissociation of ozone
T1-C1 [2.5 pts].

SOLUTION 1: pure algebra

The momentum conservation is where and are the momentum of the O and the O, respectively. Solving for , The energy conservation reads where .

For a given , can be written in terms of . Replacing on energy balance and simplifying, we get This gives a quadratic equation on . For to be real, the discriminant must be positive. The previous bound determines as the minimal root of the quadratic equation on The smallest root . Thus, simplifying, one gets

SOLUTION 2: Center of mass approach
Part I: Conservation laws
First, find the velocity of the center of mass. We get We will use for calculations We want to relate the relative velocities in CM. We have by magnitude And is the single oxygen atom (the one we don’t want). The energy conservation equation is We can now find in terms of .
Part 2: geometry and critical condition
We see that the set of possible velocities form a circle (they have constant ). We need to consider that is the angle between and (this is the full velocity of particle 1).
If the circle of radius is too small there is no solution (the straight line at the angle will not intersect the circle). If the radius is big enough, there will always be two solutions intersecting the circle. The critical case (crossover from no solution to two) is when the circle is tangent to the straight line. This is the case we need.
In that case the triangle formed by is a right triangle.
Warning: This can only happen if . The other case will be dealt with separately.
This way Replace above to find that in conservation of energy now we can solve the quadratic equation for . We get (we need to choose the correct solution of the quadratic equation) Note: Any of the following expressions are the same: Rewrite as the angular frequency Special case: , this is essentially impossible to see in a brute force algebraic solution, but it is an important feature of the problem. Needs a small amount of points in this solution
For angle greater than , as soon as the circle reaches the answer for it becomes big enough to allow all angles. Formula is the same with .
T1-C2 [1.0 pts].

Up to second order in

Soluzione ufficiale (official solution), trascrizione LaTeX di olimpicos.net: IPhO_2026_S1.pdf.

N.d.R. — errori della soluzione ufficiale, riprodotta qui senza modifiche:

  • Intestazione «T1-B [2.5 pts]»: nel testo la parte T1-B vale 3.5 punti (T1-B1 1.0 + T1-B2 2.5).
  • T1-B2: nel calcolo dell’eccentricità «» va letto .
  • T1-C1, Soluzione 2: nella conservazione dell’energia il termine va letto , cioè con . Nel riquadro finale di manca inoltre un fattore 2 sotto radice; la forma corretta, coerente con il della stessa soluzione e con la Soluzione 1, è .

Topic: Fluid Mechanics, Electrostatics, Conservation of Momentum Metodi: Hydrostatic Equilibrium, Torque & Angular Momentum Analysis, Conservation of Momentum, Energy Conservation Method Competenze: Physical Reasoning, Mathematical Modeling Objects: Block, Electron, Photon, Atom Fonte: Testo (PDF) — p.4

PROBLEMA T1 [10 pt]. Tre problemi

Questo quesito è costituito da tre problemi indipendenti.

T1-A [3.0 pt]. Paratoia idrostatica

Fig. 1a.

Due serbatoi d’acqua sono separati da una parete verticale MN, come mostrato in figura 1a. Il serbatoio di sinistra può ricevere acqua da una sorgente. Si deve garantire che la massima differenza possibile tra i livelli dell’acqua sia . A questo scopo, nella parete MN viene praticata una fessura di altezza verticale , chiusa ermeticamente da un blocco cubico pieno di lato . Il blocco ha densità , dove è la densità dell’acqua. Il blocco è completamente immerso, è fissato alla parete nel punto e può ruotare senza attrito attorno all’asse perpendicolare al piano della figura passante per .

T1-A1 [3.0 pt]. Calcola il valore di che garantisce che la massima differenza ammissibile tra i livelli dell’acqua non venga superata.

T1-B [3.5 pt]. Coppia elettrone-positrone

Fig. 1b.

In un certo istante un positrone si trova a distanza da un elettrone . Le particelle si muovono in modo che, in quell’istante, le loro velocità siano antiparallele e perpendicolari alla loro congiungente, come mostrato in figura 1b. È noto che ciascuna particella ha un momento angolare di modulo rispetto al centro di massa del sistema, dove è un fattore numerico adimensionale. Si supponga che l’unica interazione tra ed sia quella elettrostatica (le due particelle hanno la stessa massa e cariche di uguale modulo e segno opposto). Si supponga inoltre che il sistema rimanga isolato e che la sua dinamica sia classica e non relativistica.

Il raggio di Bohr è dato da .

T1-B1 [1.0 pt]. Se il sistema è legato, cioè le particelle percorrono un’orbita chiusa attorno al centro di massa del sistema. Trova la massima distanza tra ed in funzione di .

T1-B2 [2.5 pt]. Se il sistema non è legato, cioè le particelle non percorrono più un’orbita chiusa attorno al centro di massa. Sia la velocità di relativa a quando la loro distanza tende all’infinito. Calcola l’angolo tra e la retta iniziale del moto di . Esprimi la risposta in gradi.

Suggerimento 1: l’eccentricità di una traiettoria conica, nel caso in esame, è data da dove E e L sono rispettivamente l’energia totale e il modulo del momento angolare totale; k è la costante di Coulomb .

Suggerimento 2: l’equazione di una conica in coordinate polari è

T1-C [3.5 pt]. Fotodissociazione dell’ozono

Fig. 1c.

Un fotone di frequenza angolare colpisce una molecola di ozono O in quiete e la dissocia (la spezza) in una molecola di ossigeno O e un atomo di ossigeno O, come mostrato in figura 1c. Nel processo il fotone viene assorbito. Siano e le energie dello stato fondamentale rispettivamente della molecola di ozono e della molecola di ossigeno. Si supponga che il sistema rimanga isolato e che la sua dinamica sia classica (le energie potenziali non contribuiscono alla massa e il moto degli atomi di ossigeno è non relativistico). Per la quantità di moto del fotone si usi la relazione , dove è la sua energia.

T1-C1 [2.5 pt]. Se l’angolo tra la quantità di moto della molecola O uscente e il fotone incidente è , determina la minima frequenza angolare necessaria perché la dissociazione avvenga con quell’angolo. Esprimi la risposta in funzione di , , , e della massa di un atomo di ossigeno.

T1-C2 [1.0 pt]. Se , calcola il valore di . Esprimi la risposta in elettronvolt (eV). Assumi e .

Suggerimento:

Costanti fisiche — valori di riferimento (tabella ufficiale della prova: usa sempre questi valori, salvo diversa indicazione).

CostanteSimboloValoreUnità
Velocità della luce nel vuoto
Costante di Planck
Costante di Planck ridotta
Numero di Avogadro
Costante di Boltzmann
Costante dei gas
Carica elementare
Costante di gravitazione universale
Costante di Stefan–Boltzmann
Permeabilità magnetica del vuoto
Costante dielettrica del vuoto
Massa dell’elettrone
Massa del protone
Unità di massa atomica

Soluzione: La soluzione ufficiale completa (in inglese) è nella versione originale di questo quesito e nel PDF ufficiale.

Topic: Fluid Mechanics, Electrostatics, Conservation of Momentum Metodi: Hydrostatic Equilibrium, Torque & Angular Momentum Analysis, Conservation of Momentum, Energy Conservation Method Competenze: Physical Reasoning, Mathematical Modeling Objects: Block, Electron, Photon, Atom Fonte: Testo (PDF) — p.4

QUESTION T2 [10 pts]. Cooking with sunlight?

The redistribution of luminous flux into regions of high and low intensity due to reflection or refraction can lead to the formation of caustics: curves formed by the intersection of infinitesimally close light rays. As an example, Figure 2a shows the caustic formed by rays incident paraxially on a half-cylindrical mirror. Figure 2b shows a photograph of the caustic formed by the reflection of light on the bottom part of a coffee cup. The brightest and central point of the caustic is called the cusp; at this point, the light intensity is maximal.

Fig. 2a.

Fig. 2b.

Caustics have a variety of applications in science, ranging from high-precision optics and quantum optics to astrophysics. In this question, you will study the caustic formation by light reflection on a half-cylinder mirror of radius , as shown in figure 2c. You will also investigate other aspects of this mirror, such as its application in solar cookers.

Throughout the problem, assume that the incident rays come from a distant external light source and are parallel to the mirror’s optical axis. By symmetry, it is sufficient to study reflection in one plane. Figure 2d shows such a plane, the mirror, and the coordinate system used throughout the problem.

Fig. 2c.

Fig. 2d.

T2-A [1.5 pts]. Multiple reflections

Fig.2e.

Figure 2e shows the relationship between the -coordinate of an incident ray and the number of reflections it undergoes, up to . As varies over the interval , the variable varies over all natural numbers greater than or equal to 1. The maximum distance from the optical axis that allows an incident ray to be reflected by the mirror at most times is denoted .

T2-A1 [1.5 pts]. Find the general expression for in the infinite sequence that limits the coordinates of the rays with at most reflections. Express your answer in terms of and .

T2-B [4.0 pts]. Solar Cooker

Fig.2f.

Consider a system consisting of a half-hollow-cylinder mirror and a cylindrical container. The cylinder is fully absorbing: any ray of light hitting it will be absorbed. The mirror radius is . The container radius . The axes of the mirror and the container are parallel. The center of the container is from the mirror on the system’s symmetry plane, as shown in figure 2f. The mirror harnesses solar radiation to heat food inside the container. Assume that the sunlight is of constant and uniform intensity (power per unit area), and that the light rays are parallel to the optical axis of the mirror. Furthermore, assume that is such that any ray that is absorbed by the cylinder reflects from the mirror at most once. Let be the maximum angle of incidence on the mirror (measured with respect to the normal drawn at the point of incidence) of any reflected ray striking the container.

T2-B1 [2.0 pts]. The container radius is . Write and in terms of .

If you do not find and , use the expression given for the rest of the problem.

T2-B2 [1.5 pts]. Let be the power that would be received by the cyllinder if the mirror was not present. Write , the ratio of the actual received power to , in terms of .

T2-B3 [0.5 pts]. If , write the value of such that . Give your answer in cm.

T2-C [4.5 pts]. Caustics and Cusp

T2-C1 [0.5 pts]. Consider a ray that strikes the mirror at an angle , as shown in Figure 2g. Upon reflection, the equation corresponding to this ray in the coordinate system defined in Figure 2g. is . Write and in terms of and

Hint: the expected form of and , with numerical constants.

Fig. 2g.

T2-C2 [2.0 pts]. Now consider a ray , parallel to , that strikes the surface at an angle , with . Upon reflection, the equation corresponding to this ray is . Write and in terms of , , and , approximating to first order in .

T2-C3 [1.0 pts]. Find the coordinates of the point of intersection between the reflected rays of and . Write your answer in terms of and .

T2-C4 [1.0 pts]. For , we have . Write and in terms of and find the values of the integers and (equivalently, give the rational number ).

Physical Constants — reference values for selected physical constants (official table of the exam: always use these values unless otherwise noted).

ConstantNotationValueUnits
Speed of light in vacuum
Planck constant
Reduced Planck constant
Avogadro number
Boltzmann constant
Ideal gas constant
Elementary charge
Universal gravitational constant
Stefan–Boltzmann constant
Vacuum permeability
Vacuum permittivity
Mass of the electron
Mass of the proton
Atomic mass unit

N.d.R.: refuso del testo ufficiale, riprodotto senza modifiche: «cyllinder» (cylinder, T2-B2).

Soluzione:

PART A [1.5 pts]. Multiple reflections

T2-A1 [1.5 pts]. For , finding corresponds to considering the limiting case of the ray, shown in blue in the figure below.

In this case, the incident ray passes through point , and the reflected ray, shown in red in the figure, passes exactly through point on the edge of the mirror.
Let be the angle formed by the radius passing through the reflection point with the vertical axis (the axis). Let be the center of the mirror.
Since the incident ray is parallel to the axis, the angle of incidence is By the law of reflection, Additionally, note that the triangle is isosceles, so Finally, summing the internal angles of the triangle , we have Correspondingly, from the triangle , we obtain

For , the limiting case for two reflections is shown in the figure below.

In analogy with the case , we let be the angle between the radius passing through the reflection point and the mirror axis. We see that the trajectory of the reflected ray determines two isosceles triangles with a common side and a base angle of . Also note that the ray’s trajectory forms half of a regular pentagon. Summing over the internal angles of the two isosceles triangles and the rectangular triangle, we obtain which simplifies to Correspondingly,

Case n=3: For completeness, we present the limiting case for 3 reflections in the figure below.

Letting be the incidence angle, we observe that the trajectory of the reflected ray determines three isosceles triangles with common sides and a base angle of . Also notice that the ray’s trajectory now forms half of a regular heptagon. Summing over the internal angles of the three isosceles triangles and the rectangular triangle, we obtain which simplifies to Correspondingly Generalizing the result, the limiting case for reflections corresponds to the ray with incidence angle .
The trajectory of the reflected ray determines isosceles triangles with common sides and a base angle of .
Also note that the ray’s trajectory now forms half of a regular -gon. Summing over the internal angles of the isosceles triangles and the rectangular triangle determined by the incident ray, we obtain which simplifies to Correspondingly

T2-B [4.0 pts]. Solar Cooker

T2-B1 [2.0 pts].
The limiting case is shown in the figure below.

  • is the center of the container.

  • is the incidence point on the -axis

  • is the reflection point

  • The reflected ray is tangential to the container at the point

  • The reflected ray crosses the -axis at .

As the triangle is isosceles, The triangle is rectangle The coefficients read

T2-B2 [1.5 pts]. Without the mirror: where is the sunlight intensity and is the length of the cylinder.
With the mirror: Thus Alternative answer in terms of and : Without the mirror: where is the sunlight intensity and is the length of the cylinder.
With the mirror: Thus T2-B3 [0.5 pts]. If Finally Alternative solution parametrized in terms of and

T2-C [4.5 pts]. Caustics and Cusp

T2-C1 [0.5 pts].

The reflected ray forms an angle with the vertical axis. Therefore, the slope of the line is The reflected ray intersects the -axis at , , forming the isosceles triangle . from the intersection Equivalent expressions:

T2-C2 [2.0 pts].

The slope is Then, the first-order expansion of reads On the other hand, the intercept is and the first-order expansion reads Equivalent expressions:

T2-C3 [1.0 pts].
The coordinates of the intersection point, , fulfill the following equations: Solving: Replacing and , we find: Equivalent expressions:

T2-C4 [1.0 pts]. For , we use the approximations Thus, near the cusp, the caustic is approximated as Solving for , we get and substitute in Comparing with we find This shows that the shape of the cusp is universal and that its tip is located at .

Soluzione ufficiale (official solution), trascrizione LaTeX di olimpicos.net: IPhO_2026_S2.pdf.

N.d.R. — errori della soluzione ufficiale, riprodotta qui senza modifiche (T2-C2):

  • La riga «» va letta ; il risultato nel riquadro, , è corretto.
  • Nella terza forma equivalente è nel posto sbagliato: va letta .

Topic: Geometric Optics Metodi: Ray Tracing, Approximation & Series Expansion, Symmetry Argument Competenze: Mathematical Modeling, Diagrammatic Reasoning Objects: Mirror, Cylinder Fonte: Testo (PDF) — p.7

PROBLEMA T2 [10 pt]. Cucinare con la luce del Sole?

La ridistribuzione del flusso luminoso in regioni di alta e bassa intensità dovuta a riflessione o rifrazione può portare alla formazione di caustiche: curve formate dall’intersezione di raggi luminosi infinitamente vicini. Ad esempio, la Figura 2a mostra la caustica formata da raggi parassiali incidenti su uno specchio semicilindrico. La Figura 2b mostra una fotografia della caustica formata dalla luce riflessa sul fondo di una tazzina da caffè. Il punto centrale e più luminoso della caustica si chiama cuspide: in quel punto l’intensità luminosa è massima.

Fig. 2a.

Fig. 2b.

Le caustiche hanno molte applicazioni scientifiche, dall’ottica di alta precisione e dall’ottica quantistica fino all’astrofisica. In questo quesito studierai la formazione della caustica per riflessione della luce su uno specchio semicilindrico di raggio , come mostrato in figura 2c. Studierai anche altri aspetti di questo specchio, come il suo impiego nei forni solari.

In tutto il problema si assuma che i raggi incidenti provengano da una sorgente luminosa esterna lontana e siano paralleli all’asse ottico dello specchio. Per simmetria è sufficiente studiare la riflessione in un piano. La Figura 2d mostra tale piano, lo specchio e il sistema di coordinate usato in tutto il problema.

Fig. 2c.

Fig. 2d.

T2-A [1.5 pt]. Riflessioni multiple

Fig. 2e.

La Figura 2e mostra la relazione tra la coordinata di un raggio incidente e il numero di riflessioni che esso subisce, fino a . Al variare di nell’intervallo , la variabile assume tutti i numeri naturali maggiori o uguali a 1. La massima distanza dall’asse ottico che consente a un raggio incidente di essere riflesso dallo specchio al più volte è indicata con .

T2-A1 [1.5 pt]. Trova l’espressione generale di nella successione infinita che delimita le coordinate dei raggi con al più riflessioni. Esprimi la risposta in funzione di e .

T2-B [4.0 pt]. Forno solare

Fig. 2f.

Si consideri un sistema formato da uno specchio a semicilindro cavo e da un contenitore cilindrico. Il cilindro è completamente assorbente: ogni raggio di luce che lo colpisce viene assorbito. Il raggio dello specchio è , quello del contenitore è . Gli assi dello specchio e del contenitore sono paralleli. Il centro del contenitore si trova a distanza dallo specchio, sul piano di simmetria del sistema, come mostrato in figura 2f. Lo specchio sfrutta la radiazione solare per scaldare il cibo nel contenitore. Si assuma che la luce solare abbia intensità (potenza per unità di area) costante e uniforme, e che i raggi siano paralleli all’asse ottico dello specchio. Si assuma inoltre che sia tale che ogni raggio assorbito dal cilindro venga riflesso dallo specchio al più una volta. Sia il massimo angolo di incidenza sullo specchio (misurato rispetto alla normale nel punto di incidenza) di un raggio riflesso che colpisce il contenitore.

T2-B1 [2.0 pt]. Il raggio del contenitore è . Scrivi e in funzione di .

Se non trovi e , usa l’espressione data per il resto del problema.

T2-B2 [1.5 pt]. Sia la potenza che il cilindro riceverebbe se lo specchio non ci fosse. Scrivi , il rapporto tra la potenza effettivamente ricevuta e , in funzione di .

T2-B3 [0.5 pt]. Se , scrivi il valore di per cui . Esprimi la risposta in cm.

T2-C [4.5 pt]. Caustiche e cuspide

T2-C1 [0.5 pt]. Si consideri un raggio che colpisce lo specchio con un angolo , come mostrato in Figura 2g. Dopo la riflessione, l’equazione di questo raggio nel sistema di coordinate definito in Figura 2g è . Scrivi e in funzione di e .

Suggerimento: la forma attesa è e , con costanti numeriche.

Fig. 2g.

T2-C2 [2.0 pt]. Si consideri ora un raggio , parallelo ad , che colpisce la superficie con un angolo , con . Dopo la riflessione, l’equazione di questo raggio è . Scrivi e in funzione di , e , approssimando al primo ordine in .

T2-C3 [1.0 pt]. Trova le coordinate del punto di intersezione tra i raggi riflessi di e . Esprimi la risposta in funzione di e .

T2-C4 [1.0 pt]. Per si ha . Scrivi e in funzione di e trova i valori degli interi e (o, equivalentemente, il numero razionale ).

Costanti fisiche — valori di riferimento (tabella ufficiale della prova: usa sempre questi valori, salvo diversa indicazione).

CostanteSimboloValoreUnità
Velocità della luce nel vuoto
Costante di Planck
Costante di Planck ridotta
Numero di Avogadro
Costante di Boltzmann
Costante dei gas
Carica elementare
Costante di gravitazione universale
Costante di Stefan–Boltzmann
Permeabilità magnetica del vuoto
Costante dielettrica del vuoto
Massa dell’elettrone
Massa del protone
Unità di massa atomica

Soluzione: La soluzione ufficiale completa (in inglese) è nella versione originale di questo quesito e nel PDF ufficiale.

Topic: Geometric Optics Metodi: Ray Tracing, Approximation & Series Expansion, Symmetry Argument Competenze: Mathematical Modeling, Diagrammatic Reasoning Objects: Mirror, Cylinder Fonte: Testo (PDF) — p.7

QUESTION T3 [10 pts]. Chasing the absolute zero

A refrigeration cycle must be carried out by a system with characteristics appropriate for the temperatures to be achieved. One hundred years ago, in 1926, the chemist William Giauque and, independently, the physicist Peter Debye proposed paramagnetic salts as ideal systems for lowering temperatures far below . Indeed, beginning in the following decade, temperatures as low as were achieved (Wander de Haas and Gerrit Wiersma, 1935, Leiden Cryogenic Laboratories). In this question, the paramagnetic Carnot refrigeration cycle is studied.

Fig. 3a.

Consider a torus with mean radius and inner radius made of a homogeneous, isotropic paramagnetic material, around which an insulated conducting wire is wound, with its ends connected to an external voltage source (emf), as shown in figure 3a. The resistance of the wire is so low that energy losses due to the heating of the wire can be neglected. The winding is dense, with turns in total, and it is assumed that , so that the fields and and the magnetization have approximately constant magnitudes throughout the torus. Let and be the volume and the cross-section area of the torus. Hereinafter, the abbreviation Pm-T is used to refer to the paramagnetic torus.

In paramagnetic materials, is parallel to and the following relation holds:

Energy transfer sign convention: in this problem, Work () and Heat () are considered positive when they flow into the system, and negative when they flow out.

T3-A [1.0 pts]. Work in the Pm-T

Hint: in magnetic materials, , where is the net free current passing through the area bounded by the closed curve .

T3-A1 [0.2 pts]. Let be the magnitude of in the torus. Write in terms of , , and the instantaneous electric current in the wire.

T3-A2 [0.6 pts]. Let be the work that the external voltage source performs to change the magnitude of by . Write in terms of , , and .

T3-A3 [0.2 pts]. The total work done by the voltage source, , can be divided in two parts: the work that would be performed to change the magnetic field if the toroid had a vacuum core, , and the work done on the paramagnetic material itself, . Write in terms of , , and .

T3-B [3.0 pts]. Heat and temperature in the Pm-T

The following table compares two thermodynamic systems: the ideal gas and the Pm-T. Use this information and your answer to question T3-A3 to solve the following questions. This information will also be used in part C. If you did not find an answer for in question T3-A3, you may use where is a number. The volume of the paramagnetic torus is constant, so that there is no work due to pressure. Below, is the temperature in all instances.

IDEAL GASPARAMAGNETIC TORUS
State functions: and temperature State functions: and temperature
Constants: and number of moles Constants: and number of moles
Equation of state: Equation of state:
Heat capacity at constant : Heat capacity at constant :
Internal energy in any process satisfies Internal energy in any process satisfies

and are constants given by the material in the torus. You may use the equations provided in the table directly without proving them.

T3-B1 [1.5 pts]. If the magnitude of changes from to at a constant temperature , an energy is transferred between the Pm-T and its environment. Write in terms of , , , , , , and .

T3-B2 [1.5 pts]. If the magnitude of changes adiabatically from to , the temperature of the Pm-T changes from to . Write in terms of , , , , , , , and .

T3-C [6.0 pts]. Carnot refrigerator of the Pm-T

Fig. 3b.

The vs. diagram of the Carnot refrigeration cycle performed by the Pm-T is shown in figure 3b. In this cycle, let:

: temperature of the hot reservoir
: temperature of the cold reservoir
: absolute value of the heat transferred to the hot reservoir
: absolute value of the heat absorbed from the cold reservoir

T3-C1 [0.2 pts]. Mark and on the axis of the vs. diagram. Also label the processes in which the transfers of and occur, respectively.

T3-C2 [1.5 pts]. Let , , , and be the magnitudes of at the vertices of this cycle. Write in terms of , , and .

T3-C3 [0.8 pts]. Suppose that to cool of liquid helium initially at , we utilize a 2.0 moles Pm-T made of potassium chromate. For this material, , its density is and its molar mass is . The Pm-T performs a Carnot refrigeration cycle with , , and . After one operating cycle, calculate the final temperature of the liquid helium. Assume that for the liquid helium both the specific heat capacity and the density remain constant.

T3-C4 [2.0 pts]. In order to continuously lower the temperature of a body with constant heat capacity , Carnot cycles are allowed to occur over time in such a way that the power transferred to the refrigerator remains constant. It is then assumed that the temperature of the hot reservoir remains constant and that in each operating cycle the temperature of the cooled body decreases by , satisfying the relation . If at we have , determine the time that the Carnot refrigerator must operate for the cooled body to reach a temperature . Express your answer in terms of , and .

T3-C5 [1.5 pts]. The efficiency of a refrigerator is quantified by its coefficient of performance . Determine the overall COP of the refrigerator of question T3-C4 with all the cycles performed until time . Write your answer in terms of and and .

Physical Constants — reference values for selected physical constants (official table of the exam: always use these values unless otherwise noted).

ConstantNotationValueUnits
Speed of light in vacuum
Planck constant
Reduced Planck constant
Avogadro number
Boltzmann constant
Ideal gas constant
Elementary charge
Universal gravitational constant
Stefan–Boltzmann constant
Vacuum permeability
Vacuum permittivity
Mass of the electron
Mass of the proton
Atomic mass unit

Soluzione:

T3-A [1.0 points]
T1-A1 [0.2 pts]. Field inside the torus is almost entirely confined to its core, forming concentric circumferential circles. Therefore, from magnetic circuital law we have . Dividing and multiplying by yields to T3-A2 [0.6 pts]. When is changed, there is induced an emf . Thus, since from Faraday’s law of induction, the work done by the external emf is given by where is the quantity of electric charge flowing during the time interval and is the flux of the field inside the torus. Therefore, T3-A3 [0.2 pts]. Since , and are paralell vectors, from we get from which, after substitution in the answer of question T3-A2, yields to Hence,

T3-B [3.0 pts]
T3-B1 [1.5 pts]. The first law of thermodynamics for the torus is . At constant , we have , i. e., depends only on . Hence, for isothermal processes, . Furthermore, from the equation of state we have for isothermal processes that and then Integration from to gives Note: This is proportional to the volume because it has the number of moles.
T3-B2 [1.5 pts]. For adiabatic processes, the first law yields to and then where we have used the equation of state to substitute . Separating variables we have and hence, after integration from to , Since , this equation simplifies to from which Hence

T3-C [6.0 pts]
T3-C1 [0.2 pts].

T3-C2 [1.5 pts]. In the Carnot cycle Particularly, for the Carnot cycle of paramagnetic refrigeration, we have and . From the answer to question T3-B1, where and are the respective temperatures of the isothermal processes and . Therefore, after substitution and simplification in the Carnot identity, we have Since, by the equation of state, , we get T3-C3 [0.8 pts]. By substituting the given numerical values Hence Hence T3-C4 [2.0 pts]. From the Carnot cycle identity and the first law in differential form , we have where and have been used. Hence, after separation of variables, Integrating from () to () we get T3-C5 [1.5 pts]. Since and , Therefore

Soluzione ufficiale (official solution), trascrizione LaTeX di olimpicos.net: IPhO_2026_S3.pdf.

N.d.R. — refusi della soluzione ufficiale: la prima parte è intestata «T1-A1 [0.2 pts]» invece di T3-A1 (riprodotto senza modifiche); il titolo della soluzione ufficiale è «Chashing abolute zero» (Chasing the absolute zero).

Topic: Thermodynamics, Magnetism Metodi: First Law of Thermodynamics, Thermodynamic Cycle Analysis, Ampère’s Law, Differential Equations Competenze: Mathematical Modeling, Physical Reasoning Objects: Coil Fonte: Testo (PDF) — p.11

PROBLEMA T3 [10 pt]. A caccia dello zero assoluto

Un ciclo frigorifero deve essere realizzato con un sistema le cui caratteristiche siano adatte alle temperature da raggiungere. Cento anni fa, nel 1926, il chimico William Giauque e, indipendentemente, il fisico Peter Debye proposero i sali paramagnetici come sistemi ideali per scendere a temperature molto inferiori a . Infatti, a partire dal decennio successivo, si raggiunsero temperature fino a (Wander de Haas e Gerrit Wiersma, 1935, Laboratori criogenici di Leida). In questo quesito si studia il ciclo frigorifero di Carnot paramagnetico.

Fig. 3a.

Si consideri un toro di raggio medio e raggio interno , fatto di un materiale paramagnetico omogeneo e isotropo, attorno al quale è avvolto un filo conduttore isolato, i cui estremi sono collegati a un generatore di tensione esterno (fem), come mostrato in figura 3a. La resistenza del filo è così bassa che le perdite di energia per riscaldamento del filo sono trascurabili. L’avvolgimento è fitto, con spire in totale, e si assume , in modo che i campi e e la magnetizzazione abbiano modulo approssimativamente costante in tutto il toro. Siano e il volume e l’area della sezione del toro. Nel seguito si usa la sigla Pm-T per indicare il toro paramagnetico.

Nei materiali paramagnetici è parallelo a e vale la relazione

Convenzione sui segni degli scambi di energia: in questo problema lavoro () e calore () sono positivi quando entrano nel sistema e negativi quando ne escono.

T3-A [1.0 pt]. Lavoro nel Pm-T

Suggerimento: nei materiali magnetici , dove è la corrente libera netta che attraversa la superficie delimitata dalla curva chiusa .

T3-A1 [0.2 pt]. Sia il modulo di nel toro. Scrivi in funzione di , , e della corrente istantanea nel filo.

T3-A2 [0.6 pt]. Sia il lavoro compiuto dal generatore esterno per variare il modulo di di . Scrivi in funzione di , e .

T3-A3 [0.2 pt]. Il lavoro totale compiuto dal generatore, , si può dividere in due parti: il lavoro necessario per variare il campo magnetico se il toro avesse il nucleo vuoto, , e il lavoro compiuto sul materiale paramagnetico stesso, . Scrivi in funzione di , , e .

T3-B [3.0 pt]. Calore e temperatura nel Pm-T

La tabella seguente confronta due sistemi termodinamici: il gas ideale e il Pm-T. Usa queste informazioni e la risposta alla domanda T3-A3 per rispondere alle domande seguenti; esse serviranno anche nella parte C. Se non hai trovato nella domanda T3-A3, puoi usare , dove è un numero. Il volume del toro paramagnetico è costante, quindi non c’è lavoro dovuto alla pressione. Qui sotto indica sempre la temperatura.

GAS IDEALETORO PARAMAGNETICO
Funzioni di stato: e temperatura Funzioni di stato: e temperatura
Costanti: e numero di moli Costanti: e numero di moli
Equazione di stato: Equazione di stato:
Capacità termica a costante: Capacità termica a costante:
In ogni processo l’energia interna soddisfa In ogni processo l’energia interna soddisfa

e sono costanti che dipendono dal materiale del toro. Puoi usare direttamente le equazioni della tabella senza dimostrarle.

T3-B1 [1.5 pt]. Se il modulo di varia da a a temperatura costante , tra il Pm-T e l’ambiente viene scambiata un’energia . Scrivi in funzione di , , , , , e .

T3-B2 [1.5 pt]. Se il modulo di varia adiabaticamente da a , la temperatura del Pm-T passa da a . Scrivi in funzione di , , , , , , e .

T3-C [6.0 pt]. Frigorifero di Carnot con il Pm-T

Fig. 3b.

La Figura 3b mostra il diagramma – del ciclo frigorifero di Carnot compiuto dal Pm-T. In questo ciclo siano:

: temperatura della sorgente calda
: temperatura della sorgente fredda
: valore assoluto del calore ceduto alla sorgente calda
: valore assoluto del calore sottratto alla sorgente fredda

T3-C1 [0.2 pt]. Segna e sull’asse del diagramma –. Indica anche le trasformazioni in cui avvengono, rispettivamente, gli scambi e .

T3-C2 [1.5 pt]. Siano , , e i moduli di nei vertici del ciclo. Scrivi in funzione di , e .

T3-C3 [0.8 pt]. Si supponga di voler raffreddare di elio liquido, inizialmente a , usando un Pm-T di 2.0 moli di cromato di potassio. Per questo materiale , la densità è e la massa molare è . Il Pm-T compie un ciclo frigorifero di Carnot con , , e . Dopo un ciclo di funzionamento, calcola la temperatura finale dell’elio liquido. Si assuma che per l’elio liquido il calore specifico e la densità restino costanti.

T3-C4 [2.0 pt]. Per abbassare con continuità la temperatura di un corpo di capacità termica costante , si fanno avvenire nel tempo cicli di Carnot in modo che la potenza fornita al frigorifero resti costante. Si assume che la temperatura della sorgente calda resti costante e che in ogni ciclo la temperatura del corpo raffreddato diminuisca di , con . Se a si ha , determina il tempo per cui il frigorifero di Carnot deve funzionare perché il corpo raggiunga una temperatura . Esprimi la risposta in funzione di , , , e .

T3-C5 [1.5 pt]. L’efficienza di un frigorifero si misura con il suo coefficiente di prestazione . Determina il COP complessivo del frigorifero della domanda T3-C4, considerando tutti i cicli compiuti fino al tempo . Esprimi la risposta in funzione di , e .

Costanti fisiche — valori di riferimento (tabella ufficiale della prova: usa sempre questi valori, salvo diversa indicazione).

CostanteSimboloValoreUnità
Velocità della luce nel vuoto
Costante di Planck
Costante di Planck ridotta
Numero di Avogadro
Costante di Boltzmann
Costante dei gas
Carica elementare
Costante di gravitazione universale
Costante di Stefan–Boltzmann
Permeabilità magnetica del vuoto
Costante dielettrica del vuoto
Massa dell’elettrone
Massa del protone
Unità di massa atomica

Soluzione: La soluzione ufficiale completa (in inglese) è nella versione originale di questo quesito e nel PDF ufficiale.

Topic: Thermodynamics, Magnetism Metodi: First Law of Thermodynamics, Thermodynamic Cycle Analysis, Ampère’s Law, Differential Equations Competenze: Mathematical Modeling, Physical Reasoning Objects: Coil Fonte: Testo (PDF) — p.11