Fysiikan kysymykset - kevät 1992


YLIOPPILASTUTKINTO 25.3.1992 REAALIKOE

1. Luotijunaa testattiin 7,0 km pituisella koeradalla. Juna lähti levosta liikkeelle ja kiihdytti huippunopeuteen 320 km/h, jonka jälkeen se alkoi välittömästi jarruttaa ja pysähtyi koeradan päässä. Oletetaan, että junaa kiihdytettiin ja jarrutettiin yhtä suurella vakiovoimalla. Suorita tarpeelliset laskut ja esitä graafisesti junan nopeus ja kiihtyvyys ajan funktiona.

2. Mitkä fysikaaliset ilmiöt ja aineen ominaisuudet ovat oleellisia seuraavien laitteiden toiminnassa:
a) hydraulinen nostolaite, b) painekattila ja c) kylmälaukku (styroxlaatikko, jonka sisällä on pakastimesta otettu vesitäytteinen muovipullo)?

3. Vedellä täytetyn akvaarion pohjalla olevasta lampusta tuleva valo osuu akvaarion pystysuoraan lasiseinään siten, että tulokulma on suurempi kuin 52°. Näkyykö lamppu kyseisen seinän läpi akvaarion ulkopuolelta katsottuna? Ilman taitekerroin on 1,00, veden 1,33 ja lasin 1,52.

4. Tasapaksua teräspalkkia, jonka massa on 1340 kg ja pituus 5,4 m, nostetaan kuvion mukaisesti sen päihin kiinnitetystä vaijerista, joka kestää katkeamatta korkeintaan 16 kN kuorman. Kuinka pitkä täytyy vaijerin vähintään olla?

5. Perustele, mitkä alla olevista kuvaajista voivat esittää a) varatun R-säteisen umpinaisen metallipallon ja b) varatun R-säteisen metallisen pallokuoren sähkökentän voimakkuutta (E) ja potentiaalia (V) pallon keskipisteestä mitatun etäisyyden funktiona.

6. Selosta lyhyesti käsitteet:
a) käämin induktanssi, b) pyörrevirta ja c) vaihtovirran tehollinen arvo.

7. Helpoimmin energian tuotantoon soveltuva fuusioreaktio on ns. DT-fuusio:

+ + n.

a) Määritä reaktiossa vapautuva energia (reaktion Q-arvo).
b) Kuinka suuri on reaktiossa syntyvien neutronien liike-energia? Systeemin voidaan katsoa olevan alkutilanteessa levossa, koska tarvittava törmäysenergia on sähköstaattisesta poistovoimasta huolimatta hyvin pieni Q-arvoon verrattuna. Epärelativistinen tarkastelu riittää. Tritiumin (3H) atomimassa on 3,0160493 u.

8. Lyijykuula, jonka massa on m, pääsee heilahtelemaan ohuen langan varassa.
a) Kuinka suuri voi heilahtelun kulma-amplitudi korkeintaan olla, jos lankaa jännittävä voima ei saa ylittää arvoa 2,2 mg ?
b) Mikä on kuulan kiihtyvyys silloin, kun kuula on kauimpana tasapainoasemastaan?
Piirrä voimakuviot.

9. Vedessä kelluvaa valopoijua painetaan tasapainoasemastaan vähän alaspäin ja päästetään vapaaksi. Osoita, että poijuun vaikuttava kokonaisvoima on harmoninen, mikäli väliaineen vastusta ei oteta huomioon. Laske poijun värähtelyn jaksonaika, kun poijun kokonaismassa on 42 kg ja kellukeosan poikkipinta-ala 0,050 m2.

10. a) Selosta, miksi röntgensäteilyn, sopivasti kiihdytettyjen elektronien ja termisten neutronien diffraktiota kiteissä voidaan käyttää hyväksi aineen rakenteen tutkimisessa.
b) Davisson ja Germer pommittivat kuuluisassa kokeessaan vuonna 1927 nikkelikidettä elektroneilla, joiden liike-energia oli 54 eV. He mittasivat ensimmäisen kertaluvun heijastuksen kiiltokulmaksi 65°. Mikä on tätä vastaava nikkelin atomitasojen välimatka?

11. Maan magneettikenttää tutkittiin oheisen kuvion mukaisella koejärjestelyllä, jossa kompassi on sijoitettu pitkän suoran käämin (solenoidin) keskelle. Kun käämi on virraton, kompassineula on kohtisuorassa käämin akselia vastaan. Kun käämiin johdetaan virta, neula kääntyy käämin magneettikentän vaikutuksesta alla olevan taulukon mukaisesti:
Koejärjestely päältä katsottuna
käämin virta I/mA 57,5 93,8 135 196 270 501
neulan kiertymä 20 30 40 50 60 70

Määritä sopivaa graafista esitystä hyväksi käyttäen maan magneettivuon tiheyden vaakasuora komponentti. Käämin pituus on 985 mm ja kierrosten lukumäärä 83.

+12. Ydinenergian vapauttaminen fissiolla. Tarkastele myös ydinenergian käyttöön liittyviä ympäristökysymyksiä.

Tehtävät 13, 14 ja 15 ovat fysiikan yleisen oppimäärän alueelta. Näihin tehtäviin eivät saa vastata oppilaat, jotka ovat opiskelleet fysiikan laajaa oppimäärää enemmän kuin kolme kurssia.

13. Fysiikan tunnilla tutkittiin teräskuulan vierimistä kaltevalla tasolla. Kokeessa saatiin seuraavat mittaustulokset:

lähdöstä kulunut aika t/s 1 2 3 4 5 6 7 8 9
kuulan kulkema matka s/cm 5 10 23 42 65 93 126 166 210

a) Esitä graafisesti kuulan kulkema matka ajan funktiona.
b) Päättele kuvion perusteella, millaista kuulan liike on.
c) Laske kuulan keskinopeus välillä 2...5 s.

14. Selitä lyhyesti käsitteet ominaislämpökapasiteetti ja (ominais)höyrystymislämpö.
b) Tarkastele veden ominaislämpökapasiteetin ja höyrystymislämmön avulla, onko saunan kiukaalle heitettävän veden lämpötilalla oleellista vaikutusta kertalämmitteisen kiukaan jäähtymisnopeuteen.

15. Alfa-, beeta- ja gammasäteily. Vertaile erityisesti näiden säteilylajien ominaisuuksia säteilysuojelun kannalta.

©Ylioppilastutkintolautakunta/ Internetix 1997-99