Fysiikan kysymykset - kevät 2000


YLIOPPILASTUTKINTO         15. 3. 2000                REAALIKOE  FYSIIKKA

1. Pyöräilykypärän kestävyyttä eri törmäysnopeuksilla on tarkoitus testata pudottamalla sopivasti täytetty kypärä eri korkeuksilta. a) Piirrä koetta varten kuvaaja, joka esittää levosta pudotetun kappaleen loppunopeutta pudotuskorkeuden funktiona. b) Määritä kuvaajasta pudotuskorkeudet, jotka vastaavat törmäysnopeuksia 15 km/h ja 25 km/h.

2. Selosta lyhyesti, missä suhteessa seuraavat säteilylajit ovat samankaltaisia ja missä suhteessa ne eroavat toisistaan:
a) alfasäteily ja beetasäteily
b) röntgensäteily ja gammasäteily
e) hehkulampun valo ja laserin valo
d) mikroaallot ja ultraviolettisäteily.

3. Veturin (massa 84 tonnia) ja kolmen vaunun (kunkin massa 24 tonnia) muodostama juna liikkuu suoralla vaakasuoralla radalla. Junan nopeus kasvaa 7,0 sekunnissa tasaisesti nollasta arvoon 16 km/h. Määritä veturiin kohdistuvat voimat ja junan kiihdyttämiseen vaadittava energia. Liikevastuksia ei oteta huomioon.

4. Termospullossa on 0,60 kg vettä, jonka lämpötila on 25º. Pulloon kaadetaan 0,41 kg jääpaloja, joiden lämpötila on -8,0º, ja sekoitetaan. Kuinka paljon jäätä jää sulamatta?
Kuinka pitkän ajan kuluttua jää on kokonaan sulanut, kun ympäristöstä siirtyy pulloon lämpövirta 11 kJ/h? Termospullon lämpökapasiteetti on 0,15 kJ/ºC.

5. Kun kaksi kappaletta ripustetaan jouseen kuvion mukaisesti, jousi venyy 128 mm. Kappaleita yhdistävä lanka poltetaan poikki.
a) Kuinka suurella kiihtyvyydellä kappaleet lähtevät liikkeelle?
b) Kuinka suuri on värähtelyliikkeeseen joutuvan kappaleen 1 jaksonaika?
Kappaleiden massat ovat m1 = 0,52 kg ja m2 = 0,22 kg.

6. C. J. Hunterin voittotulos vuoden 1999 MM-kisojen kuulantyönnössä oli 21,79 m. Laske kuulan lähtönopeus olettaen, että kuulan lähtökulma oli 45º ja että kuula irtosi kädestä pisteessä, joka sijaitsi 2,2 m:n korkeudella 0,8 m vaakasuoraan eteenpäin työntökehän reunasta mitattuna. Miksi malli, jossa ilmanvastusta ei oteta huomioon, kuvaa riittävän hyvin tehtävän tilannetta?

7. Kuvan virtapiireissä jännitelähteet ovat identtisiä, samoin vastukset. Jännitelähteiden ja johtamien resistanssit ovat hyvin pieniä. Määritä kussakin tapauksessa suhde P2 / P1, jossa P1 on vastuksen A lämpöteho piirissä 1 ja P2 vastuksen A lämpöteho piirissä 2.

8. Oheinen kuva esittää yksinkertaisen metallinilmaisimen periaatetta. Primäärikäämiin 1 syötetään vaihtovirtaa, ja sekundäärikäämiin 2 syntyvä vaihtojännite mitataan millivolttimittarilla.
a) Miksi millivolttimittari näyttää nollaa, kun lähistöllä ei ole metalliesineitä?
b) Miksi lähelle tuotu metalliesine M saa mittarin näyttämään jännitettä?
c) Miten tämä jännite riippuu metallin sähkönjohtavuudesta?

9. Herkkä virtamittari kytkettiin tyhjiövalokennon elektronien välille. Katodin metallipintaa valaistiin ensin punaisella laserin valolla, jonka aallonpituus oli 670 nm, ja sitten vihreällä laserin valolla, aallonpituus 543,5 nm. Havaittiin, että jälkimmäisessä tapauksessa valokennon läpi kulki sähkövirta mutta ensimmäisessä tapauksessa ei. a) Selitä ilmiö. b) Virta lakkasi kulkemasta, kun kennoon kytkettiin 0,35 V:n vastajännite. Selvitä valokennon katodimateriaali.

10. Varaston oven leveys on 0,90 m ja hitausmomentti saranoiden kautta kulkevan pystysuoran akselin suhteen 11,7 kgm². Oven sulkee vaakasuora jousi, jonka toinen pää on kiinnitetty oveen ja toinen pää katossa olevaan pystytappiin (ks. oheinen kuva). Jousen jännittämätön pituus on 140 mm. Mitoita jousen jousivakio siten, että kun ovi lähtee sulkeutumaan kuvan mukaisesta asennosta, oven ulkoreunan (saranoita vastapäätä) nopeus on sulkeutumishetkellä 1,4 m/s.

11. Animaatioelokuvassa ufomies, jonka massa on 1,5 kg, seisoo järven liukkaalla jäällä ja havaitsee virvoitusjuomapullon liukuvan häntä kohti lännestä nopeudella 3,5 m/s. Mies ottaa pullon kiinni, siemaisee sen sisällön (massa 330 g) ja heittää tyhjän pullon (massa 200 g) pois siten että sen nopeus jään suhteen on 3,0 m/s etelään. Mihin suuntaan ja millä nopeudella ufomiehen pitäisi fysiikan lakien mukaan liukua kaiken tämän jälkeen?

12. Oheisissa kuvissa protoni liikkuu laajojen metallilevyjen L1 ja L2 välisessä homogeenisessa sähkökentässä. Protonin hetkellinen nopeusvektori on kussakin tapauksessa kuvan tasossa. Päättele ja piirrä kuvien tilanteissa protonin kiihtyvyysvektorin suunta ja hahmottele myös protonin ratakäyrää. Missä tapauksissa kiihtyvyys pysyy vakiona?
Kohdassa c levyjen välissä on sähkökentän lisäksi nopeutta ja sähkökenttää vastaan kohtisuora magneettikenttä, jonka magneettivuon tiheys on 3,4 mT; protonin lukunopeus on 2,2·106 m/s, levyjen välinen jännite 150 V ja levyjen välinen välimatka 30 mm.

13. Eräs radioisotooppinäyte ei lähetä lainkaan alfa-, beeta- tai gammasäteilyä, vaan ainoastaan tytäralkuaineelle ominaista K-röntgensäteilyä (kuva).
a) Päättele oheisen taulukon avulla, minkä alkuaineen isotooppi tytärydin on.
b) Miksi hajoamisreaktion yhteydessä ei synny gammasäteilyä?
c) Mikä hajoamistapa on ilmeisesti kysymyksessä, ja minkä alkuaineen isotooppi on lähtöydin?

14. a) Prisma hajottaa valkoisen valon spektriksi. Missä arkielämän tilanteissa voit kohdata samanlaisen taittumisilmiön?
b) Miksi veden pinnalla oleva ohut öljykalvo näyttää eriväriseltä eri suunnista katsottuna?
c) Erään laserin valo suunnataan vinosti lasilevyn pintaan. Tietyllä tulokulman arvolla pinnasta ei heijastu lainkaan valoa. Miten tämä on mahdollista?

15. Käämiä, jonka halkaisija on 16 mm ja jossa on 30 johdinkierrosta, pyöräytettiin lähes vakionopeudella kestomagneetin napojen välissä (kuva). Käämin navoista mitattiin tietokoneeseen kytketyllä jänniteanturilla oheisen kuvaajan mukainen jännite. Kuinka suuri on magneettivuon tiheys kestomagneetin napojen välissä?

+16. Tuulivoimala, maakaasuvoimala ja ydinvoimala. Selosta, mihin fysiikan ilmiöihin näiden voimalatyyppien toiminta oleellisesti perustuu ja missä eri muodoissa energia esiintyy prosessin aikana kussakin voimalassa.
Pohdi myös kyseisten voimaloiden ympäristövaikutuksista ja soveltuvuutta Suomen oloihin.

©Ylioppilastutkintolautakunta/ Internetix