Fysiikan kysymykset - kevät 1994


YLIOPPILASTUTKINTO 23.3.1994 REAALIKOE

1. Kappaleen ja alustan välistä kitkaa tutkittiin mittaamalla kappaleeseen sopivasti kohdistetun vetovoiman suuruus tietokoneeseen kytketyn voima-anturin avulla (kuvio). Voimaa kasvatettiin tasaisesti, kunnes kappale lähti liikkeelle, jonka jälkeen pyrittiin säilyttämään vakionopeus. Oheinen kuva esittää eräässä kokeessa saatua F = F(t)-kuvaajaa. Määritä kuvan perusteella
a) millä hetkellä kappale lähti liikkeelle,
b) kappaleen ja alustan välinen liikekitkakerroin ja
c) kappaleen ja alustan lepokitkakerroin.
Kappaleen massa on 1,8 kg.
2. Jalkajousta käytettiin sota-aseena vielä uuden ajan alussa, jolloin sillä ammuttiin nuolien lisäksi myös kivi- ja lyijykuulia. Jousen virittäminen suoritettiin koko vartalon voimalla erityistä viritysvyötä apuna käyttäen. Kuinka suuri voima tarvitaan jousen virittämiseksi, kun sillä ammuttu 0,42 kg painoinen lyijykuula osuu lähtökohtaansa 18 m ylempänä olevaan maaliin nopeudella 32 m/s? Viritettäessä (harmonisen) jousen jännettä poikkeutetaan 0,45 m tasapaino-asemastaan.
3. Esitä perustellen yksivärisen valonsäteen kulku kuvioiden mukaisissa tapauksissa. (Piirrä riittävän suurikokoiset kuviot.)

4. Newtonilla oli aikoinaan käytettävissään mm. seuraavat tiedot: hänen oma arvionsa gravitaatiovakiolle 7·10-11 Nm2/kg2, Keplerin arvio Maan keskietäisyydelle Auringosta 22·109 m ja luonnollisesti vuoden pituus. Minlä arvon Newton sai Auringon massalle näiden tietojen perusteella?

5. Helsingin yliopiston kiihdytinlaboratorion sähköstaattisessa hiukkaskiihdyttimessä (tandem-van de Graaff) ionit kiihdytetään kahdessa vaiheessa. Ensimmäisessä vaiheessa yhden arvoiset negatiiviset ionit kiihtyvät maan potentiaalissa olevasta ionilähteestä kohti suurjännite-elektrodia. Elektrodissa olevassa kaasukanavassa ioneista irtoaa elektroneja siten, että muodostuu moninkertaisesti varattuja positiivisia ioneja. Nämä kiihdytetään suurjännite-elektrodin potentiaalista maan potentiaaliin.
Pii-ioneja kiihdytettäessä suurjännite-elektrodin potentiaali on +4,80 MV ja 28Si--ionit muuttuvat 28Si5+-ioneiksi elektrodin alueella.
a) Kuinka suuren nopeuden ionit saavat kiihdytyksessä?
b) Kiihdytyksen jälkeen 28Si5+-ionisuihku osuu kohtisuorasti homogeeniseen magneettikenttään, jossa sen halutaan kulkevan ympyrärataa, jonka säde on 1,50 m. Kuinka suuri tulee olla kentän magneettivuon tiheys?

6. Piirrä jännitteen uAB = uAB(t) kuvaaja oheisten kytkentäkaavioiden 1 ja 2 esittämissä tapauksissa.
Vastaa perustellen, mihin suuntaan virta kulkee vastuksen läpi kytkennässä 2.

7. Viime syksynä poliisi pidätti joukon mustan pörssin kauppiaita, jotka miljoonan markan hinnasta tarjosivat myyntiin pientä erää vaikeasti tuotettavaa radioisotooppia 252Cf (kalifornium). Sillä esiintyy harvinainen radioaktiivisuuden muoto, spontaani fissio. Tämä kilpailee -hajoamisen kanssa siten, että 3,1 % hajoamisista tapahtuu spontaanina fissiona, jonka tuloksena syntyy vapaita neutroneja.
a) Poliisi löysi luvattoman kaliforniumin erityisen neutroni-ilmaisimen avulla. Miksi neutroneja ei havaita tavanomaisilla säteilyvalvontamittareilla?
b) Kuinka monta neutronia sekunnissa lähetti poliisin takavarikoima 0,5 µg kalifornium-näyte? Yhdessä 252Cf:n fissiossa vapautuu keskimäärin 3,8 neutronia, ja isotoopin puoliintumisaika on 2,64 a.

8. a) Kaksi kevyttä palloa, joiden massat ovat m1 ja m2 ja varaukset Q1 ja Q2, on ripustettu samanpituisilla langoilla samasta pisteestä. Perustele, missä seuraavista kolmesta tapauksesta pallot asettuvat oheisen kuvion mukaisesti ja missä eivät:


1) m1 = m2 ja Q1 = Q2

2) m1 = m2 ja Q1 = 2Q2

3) m1 = 2m2 ja Q1 = Q2

b) Sähködipolin muodostaa kaksi yhtä suurta vastakkaismerkkistä varausta, jotka ovat vakioetäisyydellä toisistaan. Kuvassa 1 dipoli on homogeenisessa sähkökentässä ja kuvissa 2 ja 3 pistevarauksen Q pallosymmetrisessä kentässä. Perustele, missä tapauksessa dipoliin vaikuttaa
- ainoastaan kokonaisvoima
- ainoastaan vääntömomentti
- sekä kokonaisvoima että momentti.


9. Baseball-mailalla lyödään palloa, joka lentää vaakasuoraan nopeudella 100 km/h mailaa kohti. Kosketuksen aikana palloon kohdistuva voima muuttuu oheisen kuvion mukaisesti. Kuinka suuri on mailasta vaakasuoraan suuntaan lähtevän pallon nopeus? Pallon massa on 150 g.

10. Vastaa perustellen, mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät:
a) Rautasydämisen käämin induktanssi ei ole vakio, vaan riippuu käämin virrasta.
b) Käämin rautasydämen monikerrosrakennetta käytetään hystereesihäviöiden vähentämiseksi.
c) Induktiojarru toimii myös dia- ja paramagneettisilla aineilla kuten esimerkiksi kuparilla ja alumiinilla.

11. Kaasun paineen ja tilavuuden välistä riippuvuutta vakiolämpötilassa 22 °C tutkittiin painemittariin liitetyn injektioruiskun avulla. Kaasu puristettiin aluksi pieneen tilavuuteen, jonka jälkeen tilavuutta muutettiin mäntää siirtämällä. Mittauksessa saatiin oheisen taulukon mukaiset tulokset:

 tilavuus/cm3   2,0   3,0   4,0   5,0   6,0   7,0   8,0

 paine/kPa      318   212   158   126   104  89,9  78,5

Määritä sopivaa kuvaajaa käyttäen moolinen kaasuvakio. Ruiskussa oli ideaalikaasun tavoin käyttäytyvää kaasua 0,26·10-3 moolia.

+12. Selosta jotakin fysiikankehitykseen tällä vuosisadalla merkittävästi vaikuttanutta koetta tai koesarjaa ja sen tulkintaa.

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. a) Auto liikkuu suoralla tiellä vakionopeudella. Kuinka suuri on autoon vaikuttava kokonaisvoima?
b) Mihin kuluu moottorin teho auton liikkuessa vakionopeudella?
c) Minkä vuoksi lukkiutumattomilla jarruilla yleensä saavutetaan parempi hidastuvuus kuin perinteisillä jarruilla?

14. Kannettavan tietokoneen verkkolaitteeseen on kiinnitetty oheisen kuvan osoittama tarra.
a) Millaisia käyttöön liittyviä ohjeita siitä voi tulkita?
b) Kuinka suuri sähköteho laitteesta korkeintaan saadaan?

15. Radioisotooppi 252Cf, jonka puoliintumisaika on 2,64 a, hajoaa mm fissioitumalla. Selitä lyhyesti käsitteet radioisotooppi, fissio ja puoliintumisaika.

©Ylioppilastutkintolautakunta/ Internetix 1997-99