Fysiikan kysymykset - syksy 2001


YLIOPPILASTUTKINTO         19. 9. 2001                REAALIKOE  FYSIIKKA

1.
  1. Kaikki fysiikassa esiintyvät voimat aiheutuvat viime kädessä neljästä perusvuorovaikutuksesta. Luettele nämä vuorovaikutukset.
  2. Selitä, mikä perusvuorovaikutus on hallitseva seuraavissa ilmiöissä:
    1. Paperisilppu tarttuu kampaan, jolla on juuri kammattu hiuksia.
    2. Kuu kiertää Maata.
    3. Atomiydin pysyy koossa.
    4. Pallo pomppaa lattiasta.

2. Testiajossa oleva auto liikkuu moottoritien suoralla osalla liikenneruuhkassa. Alla olevassa kuviossa on esitetty auton paikka ajan funktiona eräänä 1,5 minuutin ajanjaksona.

  1. Kuvaile auton liikettä tällä aikavälillä.
  2. Määritä kuvaajasta auton keskinopeus aikavälillä 20 ... 80s.
  3. Määritä auton nopeuden suurin ja pienin arvo tarkasteluaikana.

3. Hiihtäjä (kokonaismassa 72 kg) liukuu vakionopeudella jyrkän rinteen jälkeistä loivaa myötälettä, jonka kaltevuuskulma on 8,0°. Suksen pohjan ja ladun välinen liukukitkakerroin on 0,12. Hiihtäjään vaikuttava ilmanvastus riippuu nopeudesta oheisen kuvion mukaisesti. Kuinka suuri on hiihtäjän nopeus?

4. Termospullon pohjalla on 125 g erästä orgaanista ainetta lämpötilassa -20 °C. Sitä aletaan lämmittää hitaasti sähkövastuksen avulla, ja lämpötilaa mitataan termistorilla. Alla olevassa kuviossa on esitetty tämä lämpötila termospulloon viedyn sähköenergian funktiona.

  1. Tulkitse lämpötilan kuvaaja.
  2. Määritä aineen sulamispiste ja kiehumispiste.
  3. Määritä aineen ominaissulamislämpö ja ominaishöyrystymislämpö.

5. Kun lokki, jonka massa on 0,80 kg, laskeutuu tyynessä vedessä kelluvalle pyydysmerkille (massa 2,5 kg), alkaa merkki lokkeineen värähdellä pystysuunnassa. Kuinka suuri on tämän harmonisen värähtelyn jaksonaika, kun merkin sylinterin muotoisen kellukkeen poikkipinta-ala on 0,012 m²? Väliaineen vastusta ei tarvitse ottaa huomioon.

6. Auton vaakasuora nopeus on eräällä hetkellä 60 km/h suoraan pohjoiseen. Millä edellytyksellä (tien muoto, kaarevuussäde, kuljettajan toiminta) auton kiihtyvyys voi tällöin olla

  1. 0,95 m/s² suoraan länteen,
  2. 2,1 m/s² suoraan kaakkoon,
  3. 1,7 m/s² suoraan ylöspäin?

7. Oheisen kytkennän kondensaattorien kapasitanssit ja läpilyöntikestävyydet ovat: K1 (120 µF, 8,0 V), K2 (47 µF, 10 V) ja K3 (22 µF, 16 V).

  1. Laske systeemin kapasitanssi.
  2. Kuinka suuri pisteen B potentiaali voi korkeintaan olla?
  3. Kuinka suuri voi jännite UAC korkeintaan olla?


8. Magneettivuon tiheys magneetin napojen välissä on 0,98 T. Suorakulmion muotoinen konstantaanilankasilmukka, jonka pituus (x) on 245 mm ja leveys (y) 55 mm, on puoliksi tässä magneettikentässä kuvan mukaisesti. Langan poikkileikkauksen pinta-ala on 0,52 mm². Kuinka suuri työ tehdään, kun silmukka vedetään pois napojen välisestä kentästä nopeudella 3,5 m/s?

9.
  1. Bohrin vetyatomimallin keskeiset oletukset.
  2. Perustilassa oleva vetyatomi virittyy kvanttilukua 4 vastaavaan energiatilaan. Tämän viritystilan purkautuessa voi emittoitua fotoneja, joiden aallonpituus on näkyvän valon alueella. Määritä nämä aallonpituudet ja piirrä energiatasokaavio, johon on merkitty kyseisiä aallonpituuksia vastaavat siirtymät.
    Opastus: Vetyatomin kokonaisenergiat saadaan yhtälöstä En = -13,6 eV/n².

10. Laitesukeltajan märkäpuvun pinta-ala oli 2,0 m² ja paksuus normaalipaineessa 6,0 mm. Kun hän sukelsi järvessä 25 m:n syvyyteen, puku puristui siten, että sen paksuus pieneni 56 %.

  1. Kuinka paljon veden sukeltajaan kohdistama noste pieneni puvun kokoonpuristumisen johdosta?
  2. Sukeltaja kompensoi tämän nosteen pienenemisen päästämällä teräksisestä 12 litran ilmasäiliöstä nostoliiviinsä (tasapainotusliiviin) ilmaa. Liivi on kuin ilmatiivis pussi. Kuinka paljon paine ilmasäiliössä pieneni?

11.

  1. Mitä tarkoitetaan käsitteellä valon spektri?
    Piirrä periaatekuvio jatkuvasta spektristä ja viivaspektristä.
  2. Mihin ilmiöihin perustuvat tavallisimmat näkyvän valon alueella toimivat spektrometrit?

12. Biljardinpelaajien nyrkkisäännön mukaan pallon törmätessä levossa olevaan samanlaiseen palloon joko törmäävä pallo pysähtyy tai pallot liikkuvat törmäyksen jälkeen siten, että niiden liikesuuntien välinen kulma on 90°. Osoita, että tämä sääntö seuraa säilymislaeista.
Opastus: Pallojen pyörimistä ei tarvitse ottaa huomioon.

13.

  1. Verraten yleisen käsityksen mukaan radioaktiivinen aine on säteilyturvallisuuden kannalta sitä hankalampaa, mitä pidempi on radioisotoopin puoliintumisaika. Kommentoi käsityksen paikkansapitävyyttä.
  2. Persianlahden ja Kosovon sodissa käytettiin panssarintorjunta-ammuksia, joiden läpäisykärki oli lähes puhdasta 238U-isotooppia. Tämän isotoopin, "köyhdytetyn uraanin", puoliintumisaika on 4,47·109 a. Oletetaan, että tällainen läpäisykärki leviää räjähdyksessä pölynä ilmaan. Laske yhteen kuutiometriin ilmaa sisältyvä 238U-aktiivisuus, jos uraania on ilmassa 10 mg/m³.

14. Meteoriitti lähestyy Maata. Kun meteoriitti on etäisyydellä 12R maapallon keskipisteestä, sen nopeus Maan suhteen on 8,5 km/s. Kuinka suurella nopeudella meteoriitti syöksyy Maan ilmakehään (noin 100 km:n korkeudelle maanpinnasta)? Maapallon säde on R = 6,4·106 m.

15. Pienoisakun sisäinen resistanssi ja lähdejännite pyrittiin määrittämään mahdollisimman tarkasti mittaamalla akun napajännite useilla kuormitusvirran arvoilla. Mittaustulokset on esitetty oheisessa taulukossa.

I/mA
100
148
200
260
301
348
408
460
U/V
1,222
1,212
1,195
1,186
1,174
1,160
1,150
1,133

  1. Piirrä mittaukseen soveltuva kytkentäkaavio.
  2. Määritä sopivaa graafista esitystä hyväksi käyttäen akun sisäinen resistanssi ja lähdejännite.

+16. Kentän käsite fysiikassa.
Tarkastele vertaillen gravitaatiokenttää, staattista sähkökenttää ja staattista magneettikenttää.

©Ylioppilastutkintolautakunta/ Internetix