Fysiikan kysymykset - kevät 1997


YLIOPPILASTUTKINTO 19.3.1997 REAALIKOE

1. Tekniikan Maailman koeajossa saatiin Toyota Corolla -autolle oheisen kuvion mukainen nopeuden kuvaaja.
a) Kuvaile, miten auton kiihtyvyys muuttuu nopeuden kasvaessa?
b) Pohdi syitä, joiden vuoksi kiihtyvyys ei pysy vakiona.
c) Määritä auton keskikiihtyvyys aikavälinä 4,0 s... 16,0 s.

2. Pistemäisestä lähteestä tulevan gammasäteilyn voimakkuutta mitattiin geigerputkella. Kun putken etäisyyttä säteilylähteestä muutettiin, laskentataajuus I pieneni oheisen taulukon mukaisesti:

 r/cm             8   10  15  20  25  30  35  40  50
 I/(pulssia/s)   656 420 187 104  67  47  34  25  17

a) Piirrä I = I(r)-kuvaaja.
b) Millainen matemaattinen riippuvuus näyttää vallitsevan säteilyn voimakkuuden ja etäisyyden välillä?
c) Selitä, miksi laskentataajuus pienenee em. tavalla, vaikka ilma ei juurikaan absorboi gammasäteilyä.

3. 0,92 l vettä kuumennettiin 22 °C:n lämpötilasta kiehumispisteeseen 1) keittolevyllä olevassa teräskattilassa, 2) uppokuumentimen avulla teräskattilassa ja 3) uppokuumentimen avulla termoskannussa. Sekä keittolevyn että uppokuumentimen teho oli 360 W. Eri tapauksissa tarvittavat ajat olivat t1 = 22,5 min, t2 = 18,5 min ja t3 = 15,0 min.
a) Mistä kuumennusaikojen erilaisuus johtui?
b) Kuinka paljon tapauksessa 1 kului lämpöä hukkaan?

4. a) Maailmankaikkeuden syntyä kuvataan yleisesti ns. alkuräjähdysteorialla. Mitkä ovat tärkeimmät kokeelliset havainnot, joihin tämä teoria perustuu?
b) Arvellaan, että Linnunradan keskustassa on musta aukko. Kuvaile Linnunradan rakennetta ja selosta, mikä on musta aukko.
c) Millainen on aurinkokuntamme rakenne?

5. Koira vetää kelkassa olevan lapsen mäen juurelta 8,0 m:n korkuisen mäen laelle. Lapsen ja kelkan yhteinen massa on 18 kg ja kelkan ja lumen välinen liikekitkakerroin 0,20.
a) Kuinka suuren työn koira tekee vetäessään kelkan suoraan rinnettä ylös, kun rinteen kaltevuus vaakatasoon nähden on 19° ?
b) Perustele fysikaalisesti, miksi vetotyö on pienin, kun koira vetää kelkan mäen päälle tätä jyrkintä reittiä

6. a) Mitä tarkoittaa valon polarisoituminen?
b) Missä arkielämän olosuhteissa kohtaat polarisoitunutta tai osittain polarisoitunutta valoa?

7. Marsin pinnalle onnistuttiin ensimmäisen kerran saamaan tutkimuslaitteisto vuonna 1976 Viking 1 -luotaimen mukana. Viking 1 kiersi Marsia soikealla radalla, jonka ylin piste oli 32600 km:n korkeudella planeetan pinnasta ja alin piste vain 1500 km:n korkeudella.
Oletetaan, että radan alimmassa pisteessä luotaimesta lähetetään Marsiin tytkimusmoduli siten, että moduli ammutaan suoraan taaksepäin luotaimen nopeuden suuruisella nopeudella (luotaimen suhteen).
a) Millaista on modulin liike laukaisun jälkeen?
b) Laske modulin alkukiihtyvyys.

8. Sumuttimesta saadun pienen öljypisaran liikettä tasokondensaattorin vaakasuorien levyjen välissä seurattiin mikroskoopilla. Levyjen välimatka oli20,0 mm ja pisaran massa 26 pg.
a) Kun ylempi levy oli maadoitettu ja alemman levyn potentiaali säädettiin arvoon -8,1 kV, pisara pysyi pitkään vakiokorkeudella. Määritä pisaran varaus mahdollisimman tarkasti.
b) Kesken seurannan pisarasta irtosi yksi elektroni. Kuinka suuren ja minkä suuntaisen kiihtyvyyden pisara sai?

9. Käämi, jonka halkaisija on 90 mm ja jossa on 110 johdinkierrosta, on pitkän käämin, solenoidin, keskikohdan ympärillä kuvion mukaisesti. Solenoidin pituus on 0,52 m, halkaisija 45 mm ja siinä on 660 kierrosta. Kun solenoidin virtaa muutetaan, ympärillä olevaan käämiin indusoituu lähdejännite. Kuinka suuri on solenoidin virran muutosnopeus sillä hetkellä, kun lähdejännite on 0,15 mV?

Opastus: Pitkän solenoidin (pituus l, kierrosluku N) sisään syntyvä magneettivuon tiheys saadaan kaavasta B = µoNI/l, missä µo on tyhjiön permeabiliteetti ja I solenoidissa kulkeva virta.

10. Jos ydinfuusiota tulevaisuudessa käytetään energiatuotantoon, on todennäköisin fuusioreaktio deuterium-tritiumfuusio. Tämän tuottamat neutronitkuumentavat hidastuessaan nestemäistä litium-vaippaa, joka ympäröi varsinaista reaktorikammiota. Lisäksi vaipassa vapautuu energiaa ja syntyy uutta polttoainetta (tritiumia) oheisen reaktion tuloksena:

a) Laske tässä reaktiossa vapautuva energia (Q-arvo).
b) Määritä sellaisen tritium-ytimen liike-energia, joka syntyy termisen (hitaan) neutronin osuessa levossa olevaan 6Li-ytymeen. Reaktiossa ei synny gammasäteilyä. Tritiumin (3H) atomimassa on 3,016049 u ja 6LI:n 6,015121 u.

11. Vaakasuoralla kentällä on jalasmökki, jonka massa on 3400 kg. Jalasten ja kentän pinnan välinen lepokitkakerroin on 0,62. Paksuun puuhun kiinnitetyn vinssin ja mökin välillä on vaakasuora kimmoinen köysi, jolla aletaan vetää mökkiä. Köyden jousivakio on 600 kN/m. Kuinka suurella voimalla kentän pinta vaikuttaa mökkiin, kun vinssi on venyttänyt vetoköyttä 27 mm lepopituudesta?

12. Oheisen valokuvan esittämiä rullia käytetään demonstroitaessa hitausmomentin vaikutusta vierimisliikkeeseen. Samanlaiset rullat koostuvat samanlaisista päätylevyistä ja kuudesta identtisestä terässauvasta.
a) Kumman rullan hitausmomentti on suurempi?
b) Rullat päästetään vierimään ilman alkunopeutta alas samaa keltevaa tasopintaa. Kumpi vierii nopeammin?
c) Rullat pannaan vierimään samalla alkunopeudella vaakasuoraa pintaa pitkin. kumpi vierii pidemmän matkan ennen pysähtymistään?

13. Rinnan kytketyt vastus, kondensaattorin ja käämi on yhdistetty paristoon, jonka lähdejännite on 3,0 V ja sisäinen resistanssi 0,34 . Vastuksen resistanssi on 120 ja kondensaattorin kapasitanssi 32 µF. Käämin induktanssi on 12 mH ja resistanssi 2,3 . Millä teholla vastus lämpenee?

14. Kuvassa on esitetty yksinkertaistetusti hopea-atomin elektronikuoria vastaavat energiatasot.
a) Kun hopeanäytettä pommitetaan riittävän suurienergisillä elektroneilla, atomista irtoaa K-kuoren elektroni. Kuinka suurella jännetteellä elektronit täytyy vähintään kiihdyttää?
b) Millaista säteilyä syntyy, kun elektronit, joilla on a-kohdassa laskettu energia, törmäävät kiinteään hopeanäytteeseen?
15. Tietokoneeseen kytketty kiihtyvyysanturi kiinnitettiin puuparruun, joka tönäistiin liikkeelle pitkin lattiaa (kuva). Mittauksessa saatiin tietokoneen näyttöön oheinen kiihtyvyyden kuvaaja.
a) Määritä parrun nopeus hetkellä 0,8 s.
b) Määritä parrun ja lattian välinen kitkakerroin.

+16. Miten voidaan mitata
a) polkupyörän nopeus,
b) kiväärin luodin nopeus,
c) kourussa virtaavan veden nopeus?
Yritä löytää kussakin tapauksessa kaksi tai kolme mittausmenetelmää. Esitä, mitä mitataan ja miten mitatuista suureista saadaan nopeus laskettua.

©Ylioppilastutkintolautakunta/ Internetix 1997-99