Fysiikan kysymykset - syksy 2000


YLIOPPILASTUTKINTO         20. 9. 2000                REAALIKOE  FYSIIKKA

1. Laboratoriossa mitattiin volframilankaisen hehkulampun läpi kulkevaa virtaa jännitteen funktiona, jolloin saatiin alla olevat tulokset:

U/V 5 10 20 30 40 50 60
I/mA 32 45 58 66 73 79 85
  1. Piirrä hehkulampun I = I(U) -kuvaaja.
  2. Kuinka suuri on lampun resistanssi, kun lampun jännite on 35 V?
  3. Millä tavoin resistanssi riippuu lampun läpi kulkevasta virrasta? Miksi resistanssi ei pysy vakiona?

2. Suomen luonnossa esiintyy mm. seuraavia radioaktiivisia isotooppeja:
14C (puoliintumisaika 5730 a), 137Cs (30 a) ja 222Rn (3,8 d).

  1. Selitä käsitteet isotooppi, radioisotooppi ja puoliintumisaika.
  2. Mistä em. radioisotoopit ovat peräisin?

3. Traktori ohittaa liikkeelle lähdössä olevan auton hetkellä t = 0. Samaan suuntaan suoraa tietä liikkuvien ajoneuvojen nopeus riippuu ajasta oheisen kuvion mukaisesti.

  1. Piirrä auton kiihtyvyys ajan funktiona.
  2. Kuinka suuri traktorin etumatka on suurimmillaan?
  3. Milloin auto saavuttaa traktorin?


4. Yläpäästään avoimessa pystysuorassa sylinterissä (poikkileikkausala 210 cm²) on ilmanpitävä, vähäkitkainen, kevyt mäntä, jota painaa alaspäin 45 kg:n kuorma. Mäntä sulkee sylinteriin 8,0 g ilmaa, jonka lämpötila on 20 °C. Ilma kuumennetaan sylinterissä olevalla lämmitysvastuksella lämpötilaan 95 °C. Kuinka paljon mäntä nousee? Ulkoilman paine on 1,0 bar. Ilman moolimassa on 29,0 g/mol.

5. Linssien polttovälejä tutkittiin optisessa penkissä. Eräässä mittauksessa kupera linssi muodosti 65 cm:n päässä olevasta valaisevasta esineestä todellisen kuvan 25 cm:n päähän linssistä. Kun linssin ja kuvan väliin, etäisyydelle 12 cm linssistä, asetettiin kovera linssi, kuva siirtyi 24 cm kauemmaksi. Määritä kummankin linssin polttoväli.

6. Vesiämpäri, jonka massa oli 12 kg, nostettiin kaivosta kiertämällä kammella puutukkia, jonka ympärille kevyt nostoköysi kiertyi (kuva). Puutukin halkaisija oli 18 cm ja tukin ja kammen kokonaishitausmomentti 0,028 kgm². Kesken noston käden ote lipesi ja ämpäri alkoi pudota kaivoon, jolloin tukin pyörimistä jarrutti kitkamomentti 1,4 Nm. Kuinka suuri oli ämpärin nopeus, kun ämpäri oli pudonnut 3,2 m?

7. Pieni negatiivisesti varattu johdepallo, jonka massa on 65 mg, riippuu kevyen eristelangan varassa kahden laajan pystysuoran metallilevyn välisessä homogeenisessa sähkökentässä. Kun levyt ovat 82 mm:n etäisyydellä toisistaan ja niiden välinen jännite on 960 V, lanka muodostaa 7,5°:n kulman luotiviivaan nähden. Laske pallon varaus.

8.

  1. Alumiinirengas on asetettu kuvan mukaisesti rautasydämisen käämin päälle. Kun kytkin suljetaan, rengas lennähtää ilmaan. Selitä, minkä vuoksi.


  2. Pieni magneetti pudotetaan ensin kupariputken läpi ja sitten yhtä pitkän muoviputken läpi. Miten ja minkä vuoksi putoamisajat eroavat toisistaan?
  3. Kun tankomagneetti pudotettiin kuvan mukaisesti käämin läpi, mitattiin tietokoneeseen kytketyllä jänniteanturilla käämin navoista alla olevan kuvaajan mukainen jännite. Selitä jännitekuvaajan muoto.

9.

  1. Rutherfordin koe
  2. Alfahiukkanen lentää kohti kultaydintä ja siroaa takaisin tulosuuntaansa. Kuinka suuri on -hiukkasen ja kultaytimen keskipisteen välinen etäisyys pienimmillään, kun -hiukkasen energia on 4,8 MeV? Pallosymmetrisen elektroniverhon vaikutus ytimen läheisyydessä on merkityksetön.

10.

  1. Piirrä kuvio, josta ilmenevät nopeus- ja kiihtyvyysvektorien suunnat, kun kyseessä on 1) tasaisesti pyörivässä karusellissa istuva lapsi ja 2) vinosti ylöspäin heitetty kivi, joka on lähestymässä ratakäyränsä lakipistettä.
  2. Vaakasuoralla tiellä ajava pyöräilijä liikkuu tietyllä hetkellä itään nopeudella 18 km/h ja 10 s myöhemmin pohjoiseen nopeudella 26 km/h. Määritä pyöräilijän keskikiihtyvyyden suuruus ja suunta.

11. Vaunu A, jonka massa on 80 kg, törmää nopeudella 5,0 m/s paikallaan olevaan vaunuun B (massa 320 kg) ja kimpoaa takaisin nopeudella 1,45 m/s. Kuinka korkea voi kuvan mukainen ylätasanne olla, jotta vaunu B pääsisi sille? Vaunujen vierimisvastus on merkityksetön.

12.

  1. Mihin perustuu hydraulisen nosturin toiminta?
  2. Mistä johtuu heliumtäytteiseen vappupalloon kohdistuva noste?
  3. Männällisessä sylinterissä on pienen paineen alaisena etyyliamiinia (kiehumispiste 16,6 °C). Kun sylinteriä ympäröivään putkeen johdetaan merivettä (lämpötila 23 °C), etyyliamiini saa merivedestä lämpöä ja höyrystyy, jolloin se työntää mäntää ja tekee työtä. Miksi tällä periaatteella ei voida rakentaa laivaan moottoria, joka käyttää meriveden lämpöenergiaa potkurin pyörittämiseen?

13.

  1. Miksi aineen kiderakennetta voidaan tutkia röntgensäteiden ohella myös termisillä neutroneilla?
  2. Ydinreaktorista saatava monienergiainen termisten neutronien suihku osuu kiteeseen siten, että suihkun ja eräiden atomitasojen välinen kulma on 20°. Määritä niiden neutronien liike-energia, jotka siroavat Braggin lain mukaisesti 1. kertaluvun diffraktiossa näistä atomitasoista, joiden välimatka on 0,28 nm. Kuinka suuren kulman täten aikaansaatu yksienergiainen neutronisuihku muodostaa alkuperäisen suihkun kanssa?

14.

  1. Minkä vuoksi vaihtovirtalaitteiden käämeissä käytetään yleensä ferromagneettisia sydämiä?
  2. Ferromagneettisista aineista A ja B tehdyt sauvat asetettiin vuorotellen saman käämin sisään. Kun käämin virtaa muutettiin jaksollisesti positiivisen ja negatiivisen maksimiarvon välillä, vaihteli aineen magneettivuon tiheys oheisten kuvioiden mukaisesti. Kumpi aineista soveltuu 1) sähkömagneetin sydänaineeksi, 2) kestomagneetiksi ja 3) muuntajan sydänaineeksi?


15. Kappale, jonka massa on 125 g, värähtelee pystysuoran jousen varassa. Kappaleen poikkeama tasapainoasemasta mitattiin tietokoneeseen kytketyllä ultraäänianturilla (kuvat 1 ja 2).
  1. Määritä kuvan 1 perusteella värähtelyn taajuus ja jousen jousivakio.
  2. Kuinka suuri on kappaleen nopeus hetkellä 1,0 s?
  3. Arvioi kuvan 2 perusteella, kuinka paljon mekaanista energiaa kappale menettää aikavälillä 0 - 80 s.

+l6. Galilein kaukoputkesta nykyaikaiseen avaruustutkimukseen. Tarkastele fysiikan ilmiöiden ja menetelmien hyväksikäyttöä tässä kehityksessä.

©Ylioppilastutkintolautakunta/Internetix