Fysiikan kysymykset - kevät  1999


YLIOPPILASTUTKINTO      17. 3. 1999     REAALIKOE   FYSIIKKA

1. Tarkastele seuraavien yleisesti esiintyvien käsitysten oikeellisuutta fysiikantietojesi pohjalta. 
a) Pluton havaitseminen tähtitaivaalla on paljon vaikeampaa kuin Pohjantähden, koska Pluto on kauempana ja pienempi kuin Pohjantähti. 
b) Maa vetää Kuuta puoleensa suuremmalla voimalla kuin Kuu Maata, koska Maan massa on paljon suurempi. 
c) Vuodenaikojen vaihtelu esim. Suomessa johtuu siitä, että Maan etäisyys Auringosta vaihtelee ellipsinmuotoisen kiertoradan eri kohdissa. 
Jalkapalloilijan kuva 
d) Potkun jälkeen jalkapalloon vaikuttaa pallon nopeuden suuntainen voima (kuvio), joka on sitä suurempi, mitä kovempaa potkaistaan. 
 

2. Tietokoneeseen liitetyn mittausjärjestelmän erityyppisten voima-antureiden lineaarisuutta tutkittiin mittaamalla antureihin ripustettuihin punnuksiin vaikuttavaa painovoimaa. Mittauspaikalla putoamiskiihtyvyys on 9,82 m/s2. Venymäliuska-anturille 1 ja Hall-anturille 2 saatiin alla olevan taulukon mukaiset tulokset: 
 
 

punnuksen massa m/g 100 200 300 400 500 600 700 800
anturin 1 voimalukema/N 0,96 1,93 2,92 3,94 4,92 5,85 6,83 7,80
anturin 2 voimalukema/N 1,02 2,01 2,98 3,93 4,86 5,80 6,70 7,58

 
a) Piirrä samaan koordinaatistoon kummankin anturin oikaisukäyrä, ts. esitä oikaisu voimalukeman funktiona. Mittalaitteen oikaisulla tarkoitetaan "oikean" arvon ja mittalaitteen lukeman erotusta. 
b) Erään voiman suuruudeksi saadaan Hall-anturia käyttäen 7,20 N. Kuinka suuri on voiman "oikea" arvo? Mikä voimalukema saataisiin venymäliuska-anturilla? 

3. Raitiovaunun massa on 35000 kg. Vaunu lähtee pysäkiltä kiihtyvyydellä 1,2 m/s2. Kiihdytyksen jälkeen vaunu liikkuu nopeudella 45 km/h. Ennen seuraavaa pysäkkiä vaunu jarruttaa tasaisesti ja pysähtyy 9,5 sekunnissa. Pysäkkien väli suoralla on 450 m, ja kiskot ovat vaakasuorassa. Esitä graafisesti a) vaunun nopeus ajan funktiona ja b) vaunuun vaikuttava kokonaisvoima ajan funktiona. 
tm-kuvaaja 
4. Vedenkeittimen arvokilven mukaan keittimen teho on 2025 W käyttöjännitteen ollessa 230 V. Keitin asetettiin digitaaliselle keittiövaa´alle, jolloin vaaka näytti lukemaa 725 g. Tämän jälkeen keittimeen kaadettiin vettä, jonka lämpötila oli 20 oC, ja kansi jätettiin auki. Keitin kytkettiin toimintaan, ja vaa´an lukema rekisteröitiin puolen minuutin välein. Saatiin oheisen kuvaajan mukaiset tulokset. Määritä kuvaajan perusteella veden ominaislämpökapasiteetti ja ominaishöyrystymislämpö. Jos tulokset poikkeavat taulukkoarvoista, niin miksi? 

5. Perustele (tarvittaessa kuviota käyttäen), mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät: 
a) Kupera linssi muodostaa esineestä aina todellisen kuvan. 
b) Kovera peili synnyttää valekuvan, mikäli esineen etäisyys peilistä on pienempi kuin peilin polttoväli f
c) Valo voi kokonaisheijastua, kun se tulee lasista lasin ja veden rajapintaan. 
d) Kun polarisoitumaton valo osuu vinosti lasilevyn pintaan, on lasin läpi pääsevä valo osittain polarisoitunutta. 

6. Henkilöauto kiihdyttää nopeuttaan kallistamattomassa liikenneympyrässä siten, että auton nopeus kasvaa tasaisesti arvosta 25 km/h arvoon 40 km/h 2,8 sekunnissa. Auton ja siinä olevien matkustajien yhteismassa on 1300 kg ja liikenneympyrän säde 29 m. 
Määritä autoon kohdistuvan kokonaisvoiman suuruus ja suunta auton liikesuuntaan nähden hetkellä, jolloin auton nopeus on 35 km/h. 
Minkä ulkoisten voimien summa kysytty kokonaisvoima on? 

7. Kännykän akkua jouduttiin lataamaan moottoripyörän akulla, jolloin lähdejännite oli 6,15 V ja sisäinen 0,25 W. Kännykän akun lähdejännite oli 5,24 V ja sisäinen resistanssi 0,51 W. Latausvirran rajoittamiseksi akkujen kanssa sarjaan kytkettiin vastus, jonka resistanssi oli 2,00 W. Virta mitattiin ampeerimittarilla, jonka resistanssi oli hyvin pieni. 
a) Piirrä kytkentäkaavio. 
b) Kuinka suurta virtaa ampeerimittari näytti? 
c) Kuinka suurella teholla sähköenergiaa siirtyi tällöin kännykän akkuun? 

8. a) Muuntajan merkitys sähköenergian siirrossa 
    b) Tehohäviöt muuntajissa. Miten häviöt on saatu verraten pieniksi? 

9. a) Röntgenputken rakenne ja toimintaperiaate 
b) Hahmottele tyypillinen röntgensäteilyn spektri ja perustele sen muoto säteilyn syntymekanismien perusteella. 
c) Kuinka suuri on röntgenputken jännitteen oltava, jotta syntyisi säteilyä, jonka aallonpituus on 0,15 nm? 

10. Pystysuoran tangon alapäässä on lähes kitkaton sarananivel. Tasapaksun tangon pituus on 3,4 m. Tangon annetaan kaatua. 
a) Kuinka suurella nopeudella tangon yläpää osuu vaakasuoraan alustaan? 
b) Kuinka suuri on tangon kulmakiihtyvyys välittömästi ennen alustaan osumista? 

11. Sylinterinmuotoinen tynnyri on pystysuorassa asennossa 1,20 m:n syvyisen järven pohjalla. Tynnyrin korkeus on 82 cm, halkaisija 45 cm ja massa 165 kg. Ulkoilman lämpötila on 18 oC ja tiheys 1,15 kg/m3. Kuinka suuri ulkoinen voima kohdistuu a) tynnyrin yläpäätyyn ja b) tynnyrin pohjaan? 
 
varausten sijainnit
12. Varatut pallot sijaitsevat kuvan mukaisesti suorakulmion nurkissa. Pallojen varaukset ovat Q1 = -15 nC, Q2 = -15 nC, Q3 = 55 nC ja Q4 = 55 nC, ja kuvioon merkitty etäisyys a = 0,25 m.                   
a) Määritä sähkökentän voimakkuus pisteessä P. 
b) Pisteeseen P tuodaan pieni pallo, jonka varaus on 28 nC ja massa 12 mg. Mihin loppunopeuteen pallo kiihtyy, kun se päästetään liikkeelle? Oletetaan, että sähkökentästä aiheutuvan voiman rinnalla muut palloon vaikuttavat voimat ovat merkityksettömiä. 

13. Poikittaisen aaltoliikkeen nopeus voimalla F jännitetyssä ohuessa langassa saadaan kaavasta    jossa PL on langan pituusmassa (massa pituusyksikköä kohti). Erään kielisoittimen teräskielen pituus on 62 cm ja paksuus 0,26 mm. a) Kuinka suurella voimalla kieltä on jännitettävä, jotta sen perussävelen taajuus olisi 440 Hz? b) Kuinka suuri on jännittävä voima siinä tapauksessa, että 440 Hz onkin 1. harmonisen yläsävelen taajuus? 

14. Aikanaan käytettiin lääketieteessä ja tekniikassa yleisesti a-aktiivista radiumisotooppia 226Ra. 
a) Kirjoita 226Ra:n hajoamisreaktio ja päättele, mikä säteilyturvallisuusongelma liittyi suurten radiummäärien säilyttämiseen laboratoriossa, vaikka säilytys tapahtui riittävän paksuseinäisissä lyijyastioissa. 
b) Laske radiumytimen hajoamisessa vapautuvan a-hiukkasen nopeus edellyttäen, että reaktiossa ei synny gammasäteilyä. 

15. Selosta sopivia kytkentäkaavioita käyttäen, kuinka määrität a) pieniresistanssisen käämin induktanssin ja b) vastuksen, kondensaattorin ja käämin muodostaman sarjapiirin resonanssitaajuuden. Käytettävissäsi on em. komponenttien ja johtimien lisäksi yleismittareita, joilla voit mitata tehollisia jännitteitä ja virtoja, sekä vaihtojännitelähde, jonka taajuus on säädettävissä. 

+16. Mitä fysiikan ilmiöitä voidaan käyttää hyväksi a) lämpötilan, b) paineen mittaamisessa? 

 ©Ylioppilastutkintolautakunta/ Internetix