Fysiikan kysymykset - kevät 1996


YLIOPPILASTUTKINTO 20.3.1996 REAALIKOE

1. a) Mitkä seuraavista paikan, nopeuden ja kiihtyvyyden kuvaajista voivat esittää pystysuoraan ylöspäin heitetyn kappaleen liikettä ja mitkä eivät?

b) Piirrä ja nimeä alleviivattuihin kappaleisiin vaikuttavat voimat:
1) kivi , joka putoaa vedessä kohti järven pohjaa,
2) henkilö, joka pysyy vakiokulmanopeudella pyörivän karusellisylinterin seinämällä, vaikka sylinterin pohja on laskettu alas.
Kiinnitä huomiota voimien keskinäiseen suuruuteen.

2. a) Vertaile radioaktiivisten aineiden lähettämien säteilylajien läpitunkevuutta.
b) Miten vältyt saamasta haitallisen suuria säteilyannoksia, jos joudut työskentelemään paikoissa, joissa on säteilylähteitä?

3. Samasta aineesta valmistettuja erilaisia esineitä punnittiin sekä ilmassa että veteen upotettuna. Mittauksissa saatiin seuraavat tulokset:


 esine             1      2     3     4     5     6

 paino ilmassa/N  0,12  1,26  0,39  0,53  0,69  0,79

 paino vedessä/N  0,11  0,23  0,34  0,46  0,59  0,69

Esitä graafisesti esineiden tilavuus massan funktiona ja määritä aineen tiheys.

4. a) Vesivoimalan hyötysuhde voi olla n. 90 % ja ydinvoimalan n. 30 %. Mistä seikoista hyötysuhteiden erilaisuus johtuu?
b) Olkiluodon ydinvoimaloiden sähköteho on suunniteltu nostettavaksi yhteensä 1680 megawattiin. Kuinka paljon vettä pitäisi virrata minuutissa yhtä paljon sähköä tuottavan vesivoimalan turbiinien läpi? Voimalan putouskorkeus on 25 m ja hyötysuhde 90 %.

5. Lasersäde osuu metalliastiassa olevan veden pintaan 42° tulokulmassa (kuvio). Kuinka paljon astiaa pitää kallistaa (tulotasoa vastaan kohtisuoran akselin ympäri), jotta kiiltävästä pohjasta heijastunut säde ei pääse vedestä ilmaan?

6. Pallo vierii ja saippuapala liukuu pitkin kaltevaa tasopintaa, joka muodostaa vaakatason kanssa 25° kulman. Kappaleet päästetään liikkeelle samanaikaisesti, jolloin ne etenevät rinta rinnan. Kuinka suuri on tällöin saippuapalan ja pinnan välinen kitkakerroin? Pallon vierimisvastus oletetaan hyvin pieneksi.

7. Vastus on kytketty 4,5 V pariston napoihin. Vastuksen rinnalle on kytketty sarjaan kaksi kondensaattoria, joiden kapasitanssit ovat 0,20 µF ja 0,48 µF. Pariston sisäinen resistanssi on 2,2 ja pariston kautta kulkeva virta 0,15 A.
a) Piirrä kytkentäkaavio.
b) Kuinka suuri on vastuksen resistanssi?
c) Laske kondensaattorien varaukset.

8. Auringon aktiivisuus voi aiheuttaa Maan magneettikentässä suhteellisen pieniä mutta verraten nopeita vaihteluja, magneettisia myrskyjä. Nämä synnyttävät merkittäviä sähkövirtoja suurikokoisiin johdepiireihin, joita muodostavat mm. öljy- ja kaasuputket tai sähkönsiirtoverkot. Sähköverkossa tällaiset ns. GIC-virrat (lähes tasavirtoja) voivat aiheuttaa suojareleiden laukeamisia (sähkökatkoksia) ja jopa pysyviä muuntajavaurioita.
Oheisessa kartassa näkyy yksinkertaistettuna osa Suomen valtakunnanverkon 400 kV siirtojohdosta. Oletetaan silmukka ympäristöstään eristetyksi ja sen keskimääräiseksi johdinresistanssiksi 9,0 µ/m. Voimakkaan geomagneettisen myrskyn aikana Maan magneettikentän magneettivuon tiheyden pystykomponentti muuttuu minuutin aikana tasaisesti arvosta 48,40 µT arvoon 47,18 µT. Määritä silmukkaan syntyvän GIC-virran suuruus.

9. Kymmenen vuotta sitten tapahtuneen Tsernobylin ydinonnettomuuden jäljiltä kiertää Suomen luonnossa yhä edelleen pienenä pitoisuutena ß-aktiivista cesiumisotooppia 137Cs.
a) Kirjoita 137Cs:n hajoamisreaktio.
b) Hajoamistapahtumassa syntyy yleensä myös gammasäteilyä, jonka aallonpituus on 1,874 pm. Noin 10 %:ssa tapauksista gammasäteilyä ei kuitenkaan esiinny, vaan ydin luovuttaa viritysenergiansa suoraan atomin elektroniverholle, josta sinkoutuu elektroni (ilmiö on nimeltään sisäinen konversio). Laske oheista taulukkoa hyväksi käyttäen atomin K-kuorelta irtoavan konversioelektronin liike-energia.
c) Cesiumin hajoamisen yhteydessä havaitaan myös röntgensäteilyä. Miksi röntgensäteilyä syntyy ja mikä on sen energia?


  Elektronin sidosenergioita eri elektronikuorilla

     Alkuaine    EK/keV    E1/keV

        Xe        34,57     4,79

        Cs        35,99     5,01

        Ba        37,44     5,25


10.
a) Kaukana tapahtuvasta räjähdyksestä voidaan saada kuulohavainto ja näköhavainto ja se voidaan myös aistia maan tärähdyksenä. Perustele, missä järjestyksessä ko signaalit saapuvat.
b) Mistä seikoista ihmiskorvan aistiman äänen voimakkuus riippuu?
c) Selitä, minkä vuoksi varsinkin pienehköjä äänen voimakkuuksia (kkuluvuustasoja) mitattaessa mittarissa täytyy käyttää suodatinta, joka vaimentaa matalataajuisia ääniä oheisen kuvion mukaisesti.

11. Auto, jonka massa on 1100 kg, ajaa vakionopeudella 12,0 m/s vaakasuorassa kaarteessa siten, että auton liikesuunta muuttuu 90 °.
a) Kuinka suuri on kaarroksen aikana autoon kohdistuva kokonaisimpulssi?
b) Mikä voima impulssin aiheuttaa?

12. TV-satelliitti kiertää maata siten, että se pysyy koko ajan saman paikkakunnan yläpuolella. Miksi tämän paikkakunnan on oltava päiväntasaajalla? Kuinka suuri on tällaisen ns. geostationaarisella radalla kiertävän satelliitin ratanopeus?

13. Kaksi 42 mm etäisyydellä toisistaan olevaa laajaa yhdensuuntaista metallilevyä on kytketty akun napoihin. Akun napajännite on 12,4 V. Tapauksessa a) levyjen välissä on ilmaa, ja tapauksessa b) väli on täytetty puoliksi eristeellä, jonka suhteellinen permittiivisyys on 3,0 (ks. kuviot). Esitä graafisesti paikan (x) funktiona levyjen välisen sähkökentän potentiaali ja sähkökentän voimakkuus, ts. piirrä kummassakin tapauksessa kuvaajat V = V(x) ja E = E(x).

14. a) Piirrä ja johda puolijohdediodin tyypillinen ominaiskäyrä.
b) Mitä tarkoitetaan kokoaaltotasasuuntauksella?
c) Esitä kytkentä, jolla saadaan aikaan kokoaaltotasasuuntaus.
d) Selosta, millä tavoin sykkivän tasasuunnatun jännitteen vaihtelua voidaan tasata.

15. Levyyn vaikuttavaa ilmanvastusta tutkittiin siten, että levy kiinnitettiin pieneen vaunuun, joka pääsee liikkumaan vaakasuoralla ilmatyynyradalla. Vaunu tönäistiin liikkeelle, jonka jälkeen sen nopeutta mitattiin tietokoneeseen liitetyllä ultraäänianturilla. Levyn ja vaunun yhteinen massa oli 290 g. kokeessa saatiin oheisen taulukon mukaiset tulokset:


t/s     0,1  0,2  0,3  0,4  0,5  0,6  0,7  0,8  0,9  1,0  1,1  1,2  1,3

v/(m/s)1,08 1,03 0,99 0,96 0,92 0,90 0,87 0,85 0,83 0,81 0,79 0,78 0,76

a) Piirrä levyn nopeuden kuvaaja v = v(t).
b) Minkä vuoksi kuvaaja ei ole lineaarinen?
c) Määritä levyyn vaikuttava ilmanvastus hetkellä 0,6 s.

+16 Seuraavassa on esitetty ko0lme tunnettua fysiikan lakia:

Esitä kunkin yhtälön osalta sellaisia syitä, joiden vuoksi se ei pidä tarkasti paikkaansa.

©Ylioppilastutkintolautakunta/ Internetix 1997-99