Fysiikan kysymykset - kevät 2001


YLIOPPILASTUTKINTO         14. 3. 2001                REAALIKOE  FYSIIKKA

1. Kerro lyhyesti, mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät:
  1. Nukleonit ovat atomiytimien rakenneosia.
  2. Atomia voidaan tutkia optisella mikroskoopilla.
  3. Auringon energia on peräisin raskaiden ytimien fissiosta.
  4. Neutronitähden tiheys on hyvin suuri.
  5. Valovuosi on suuri ajan yksikkö.
  6. Vuorovesi-ilmiö aiheutuu pääasiassa Auringon vetovoiman vaihtelusta maapallolla.

2. Radioaktiivisten aineiden hajotessa pysymättömät ytimet hajoavat lähettäen ionisoivaa säteilyä.

  1. Mitkä ovat tämän säteilyn lajit?
  2. Erään jodinäytteen aktiivisuus riippuu ajasta oheisen kuvion mukaisesti. Konstruoi kuvaajaan aikaskaala, kun tiedetään, että tämän jodi-isotoopin puoliintumisaika on 25 min. Määritä sen jälkeen kuvaajasta aika, jonka kuluessa näytteen aktiivisuus on pienentynyt kymmenenteen osaan alkuperäisestä.
    Opastus: Täydennetty kuvaaja on piirrettävä vastauspaperiin, mutta kysytyn ajan mahdollisimman tarkka arvo kannattaa määrittää tehtäväpaperin kuvaajasta.

3. Palomies liukuu tuhoutuvasta talosta pystysuoraa köyttä pitkin 13 m:n korkeudelta siten, että köyden jännitysvoima on 860 N. Millä nopeudella mies törmää maahan? Miehen ja hänen varusteidensa kokonaismassa on 97 kg.

4. Kelkkailija lähtee paikaltaan liukumaan suoraan alas rinnettä, jonka kaltevuuskulma on 17°. Hän liukuu alaspäin 36 m, ja liuku jatkuu 16 m vastarinteessä, jonka kaltevuuskulma on 13° (kuva). Kuinka suuri on kelkan ja rinteen välinen keskimääräinen liikekitkakerroin?

5. Tarkastele valoaaltojen ja ääniaaltojen kokonaisheijastumista ilman ja veden rajapinnassa.

6. Isä ja poika kantavat rakennustyömaalla 6,4 m:n pituista tasapaksua hirttä, jonka massa on 150 kg. Poika kykenee kannattelemaan 560 N:n kuormaa. a) Kuinka suuri voima vähintään kohdistuu isän käsiin, kun he pitävät hirttä käsiensä varassa vaakasuorassa asennossa? b) Mikä on tällöin isän ja pojan otteen paikka, kun toinen heistä kannattelee hirttä sen päästä?

7. Opettaja haluaa demonstroida oppilailleen, että ylikuormitettu sähköjohto voi aiheuttaa tulipalon. Hänellä on kaksi samanlaista paristoa ja kuparilankaa. Tutki, kannattaako hänen kytkeä paristot sarjaan vai rinnan, jotta lanka kuumenisi mahdollisimman paljon. Kuparilangan resistanssi on pieni verrattuna paristojen sisäiseen resistanssiin.

8. Kanadan pohjoisosassa sijaitsevan magneettisen navan alueella Maan magneettikentän suunta on pystysuoraan alaspäin. Lentokone, jonka siivenkärkien väli on 25 m, lentää navan yli vaakasuoraan nopeudella 680 km/h. Oletetaan, että lentokorkeudella magneettivuon tiheys on 85 µT. a) Kuinka suuri on tällöin siivenkärkien välinen jännite, ja kumpi kärki on korkeammassa potentiaalissa? b) Siivenkärjet yhdistetään johtimilla herkkään jännitemittariin. Miksi mittari näyttää nollaa?

9. Mangaaniytimen hajotessa syntyvä 54Cr-ydin emittoi fotonin, jonka energia on 0,835 MeV. Minkä vuoksi fotoni emittoituu? Kuinka suuren rekyylienergian kromiydin saa emissiotapahtumassa?

10. Kitkan luonnetta demonstroitiin seuraavilla kokeilla:

  1. Messinkipunnukset, joiden massat ovat 100 g, 50 g, 10 g ja 5 g, asetettiin riviin pöydälle. Punnukset tönäistiin yhtaikaa liikkeelle samalla nopeudella pitkän viivoittimen avulla, ja punnusten liukumat matkat mitattiin. Tulokset on esitetty oheisessa taulukossa:
    punnuksen massa/g 5 10 50 100
    matka/m 1,23 1,25 1,24 1,26
    Mitä voidaan päätellä kokeen tuloksista?
  2. Toisessa kokeessa yksi punnuksista oli aluksi vaakasuoralla pöytätasolla. Pöytää kallistettiin hitaasti, kunnes punnus lähti liukumaan tietyllä kallistuskulman arvolla. Perustele, millaiseen liikkeeseen punnus joutui.

11. Benji-hypyssä käytetään kumiköyttä, jonka jousivakio on 107 N/m ja pituus jännittämättömänä 32 m. Hyppääjä, jonka massa on 75 kg, lähtee hyppyyn noin 65 m:n korkeudella olevalta lavalta. Kuinka suuri on hyppääjän kiihtyvyys, kun hän on lähimpänä maan pintaa?

12. Muovisen öljysäiliön sisämitat ovat 200 mm x 800 mm x 1500 mm (kuvio). Säiliössä olevan öljyn määrä halutaan mitata kapasitiivisesti siten, että suuremmat vastakkaiset pystysuorat sisäseinät päällystetään metallikalvolla, jolloin systeemiin muodostuu kondensaattori. Laske tämän kondensaattorin kapasitanssi, kun säiliö on a) tyhjä ja b) täysi sekä c) silloin, kun säiliössä on öljyä 25 % tilavuudesta. Öljyn suhteellinen permittiivisyys on 2,2.

13. Kevyt lanka ja siihen ripustettu kappale (massa 5,1 kg) muodostavat ballistisen heilurin, jonka avulla voidaan määrittää luodin nopeus. Kappaleen painopisteen etäisyys katossa olevasta ripustuspisteestä on 0,50 m. Vaakasuoraan kohti kappaleen painopistettä ammuttu luoti (massa 11,7 g) iskeytyy kappaleeseen ja jää siihen kiinni. Kuinka suuri jännitysvoima langan on kestettävä, kun luodin nopeus on 790 m/s?

14.

  1. Esitä fysikaalinen perustelu sille, että vaihtovirtapiirissä oleva kondensaattori ei kuluta energiaa.
  2. Kun erään kahvinkeittimen lämpölevy on kytketty verkkojännitteeseen (230 V, 50 Hz), sen tehonkulutus on 180 W. Levyn tehonkulutus halutaan pienentää puoleen kytkemällä lämmitysvastuksen kanssa sarjaan kondensaattori. Kuinka suuri tulee kondensaattorin kapasitanssin olla?

15. Astiassa, jonka lämpökapasiteetti on 40 J/°C, oli 79 g vettä. Systeemi lämmitettiin aluksi lämpötilaan 81 °C. Tämän jälkeen jäähtyvän systeemin lämpötilaa seurattiin ajan funktiona tietokoneeseen kytketyn lämpötila-anturin avulla. Tuloksena saatiin oheinen kuvaaja.

  1. Arvioi kuvaajan perusteella ympäristön lämpötila.
  2. Kuinka paljon lämpöä systeemistä on siirtynyt ympäristöön aikavälillä 0...2000 s?
  3. Määritä systeemistä poistuva lämpöteho hetkellä 350 s.

+l6. Selosta, millä tavoin tyhjiöön synnytettyjen varauksellisten hiukkasten nopeuden suuruutta ja suuntaa voidaan muuttaa. Esitä erityyppisiä laitesovelluksia.

©Ylioppilastutkintolautakunta/ Internetix