YLIOPPILASTUTKINTOLAUTAKUNTA      18.9.2002
REAALIKOE

VII FYSIIKKA

  1. Selitä fysikaalisesti seuraavat ilmiöt:
    1. Kuu näyttää erimuotoiselta Kuun eri vaiheissa.
    2. Maasta käsin voidaan todeta, että Auringossa on heliumia.
    3. Kosmisesta hiukkassäteilystä vain hyvin pieni osa pääsee maanpinnalle.
    4. -hiukkasten lentomatka ilmassa on alle 10 cm, vaikka niiden lähtöenergia on varsin suuri (n. 5 MeV).
  2. Rautatievaunuun kohdistuvaa liikevastusta tutkittaessa havaitaan, että vaunun edetessä vaakasuoralla radalla 280 m sen nopeus pienenee tasaisesti arvosta 4,2 m/s arvoon 2,9 m/s. Kuinka suuri on tämän perusteella vaunuun kohdistuva liikesuunnalle vastakkainen kokonaisvoima? Vaunun massa on 18 tonnia.
    1. Autossa voi olla joko polttomoottori tai poikkeuksellisesti suihkumoottori. Piirrä ja nimeä nopeuttaan kasvattavaan autoon vaikuttavat voimat kummassakin tapauksessa.
    2. Kommentoi yleistä käsitystä, jonka mukaan astronautti tuntee itsensä painottomaksi Maata kiertävässä avaruusaluksessa siksi, että häneen kohdistuva painovoima on avaruudessa mitättömän pieni.
    1. Sähkön tuotantoon tarkoitetun maakaasuvoimalan hyötysuhde on vain noin puolet vesivoimalan hyötysuhteesta. Selitä, mistä ero pääasiassa johtuu.
    2. Vesivoimalan putouskorkeus on 12 m. Laitoksen läpi virtaa 290 m³ vettä minuutissa. Voimalan sähköteho on 490 kW, kun turbiinista poistuvan veden keskimääräinen nopeus on 2,4 m/s. Määritä voimalan hyötysuhde (turbiinin ja generaattorin yhteinen hyötysuhde).
    1. Esitä piirtämällä valekuvan muodostuminen ohuessa kuperassa linssissä.
    2. Kupera linssi muodostaa esineestä todellisen kuvan. Kuinka suuri on kuvan pienin mahdollinen etäisyys esineestä, jos linssin polttoväli on 12 cm?
  3. Kitkarenkaita testattaessa henkilöautolla ajettiin jäällä 30 m:n säteistä ympyrärataa maksiminopeudella.
    1. Kuinka suuri oli renkaan ja jään välinen lepokitkakerroin, kun kierrosaika oli parhaimmillaan 33,5 s?
    2. Eräällä kierroksella kuljettaja menetti autonsa (massa 1080 kg) hallinnan ja törmäsi nopeudella 17 km/h lähistöllä seisovaan moottorikelkkaan (massa 380 kg). Kuinka pitkän matkan auto (lukkojarrutuksessa) ja moottorikelkka liukuivat yhdessä? Renkaan ja jään välinen liukukitkakerroin oli 0,090 ja moottorikelkan ja jään välinen liukukitkakerroin 0,20.
  4. Johtimena käytetään teräslankaa, jonka halkaisija on 3,0 mm ja joka on päällystetty 150 µm:n paksuisella kuparikerroksella. Kuinka suuri jännitehäviö on 420 m:n pituisessa johtimessa, jossa kulkee 3,5 A:n tasavirta? Teräksen resistiivisyys on 18,4·10-8 m ja kuparin 1,68·10-8 m.
  5. Kuvan värähtelypiirissä käämin induktanssi on 7,2 mH ja resistanssi hyvin pieni. Käämissä kulkeva virta riippuu ajasta oheisen kuvion mukaisesti.
    1. Kuinka suuri on kondensaattorin kapasitanssi?
    2. Kuinka suuri täytyy kondensaattorin läpilyöntikestävyyden vähintään olla?

  6. Neutronin aiheuttamassa 235U:n fissiossa syntyy mm. nuklidia 90Sr ja vapautuu kolme neutronia.
    1. Kirjoita reaktioyhtälö.
    2. Miksi alkuaineeksi Sr:n ohella syntyvä keskiraskas nuklidi muuttuu vuoden kuluessa?

  7. Mihin fysikaalisiin ilmiöihin pääasiallisesti perustuu a) sulakkeen, b) kompassin, c) muuntajan ja d) mikroaaltouunin toiminta?
    1. Seinäkellon heilurin ohuen messinkivarren pituus on 253 mm. Kello pysyy tarkasti ajassa 20 ºC:n lämpötilassa. Kello oli viikon huoneessa, jonka lämpötila oli 8 ºC. Jätättikö vai edistikö kello, ja kuinka paljon poikkeamaa kertyi viikossa?
    2. Oheisessa kuvassa on esitetty heilurirakenne, jossa punaiset tangot ovat terästä ja siniset tangot invarterästä. Selitä, niiksi tässä heilurissa ei juuri esiinny lämpötilavirhettä.

  8. Matalaenergisten elektronien diffraktiokokeessa (LEED) elektronisuihku osuu kohtisuorasti piikiteen pintaan. Vierekkäisistä pinta-atomeista täysin kimmoisasti sironneessa elektronisuihkussa havaitaan ensimmäisen kertaluvun intensiteettimaksimi 21º:n kulmassa () pinnan normaaliin nähden. Laske vierekkäisten pinta-atomien välinen etäisyys (d), kun tulevan suihkun elektronien energia on 79 eV.

  9. Sauvamagneetin magneettivuo määritettiin alla olevan kuvan mukaisella koejärjestelyllä. Käämi, jossa oli 250 johdinkierrosta ja jonka resistanssi oli 5,0 , kytkettiin 10 :n vastuksen kautta tietokoneen virta-anturiin A (resistanssi mitätön). Tutkittava magneettisauva oli aluksi kuvan mukaisesti käämin sisälllä. Kun sauva poistettiin käämistä, tietokone tulosti oheisen virtapulssin ja laski virran aikaintegraalin arvoksi 4,19 · 10-3 As.

    1. Selitä virtapulssin synty.
    2. Kuinka suuri oli sauvamagneetin magneettivuo?
  10. Sylinterin muotoinen vauhtipyörä, jonka säde on 0,25 m ja massa 88 kg, pyörii kiinteän akselin ympäri kierrostaajuudella 2200 1/min. Pyörää jarrutetaan painamalla jarrukappaletta kehää vastaan kohtisuoralla 90 N:n voimalla. Kappaleen ja vauhtipyörän välinen kitkakerroin on 0,28. Jarrutuksen aikana pyörään vaikuttaa myös vakiona pysyvä laakerikitka. Kuinka suuri on laakerikitkasta aiheutuva jarruttava momentti, kun vauhtipyörän kierrostaajuus pienenee kymmenenteen osaansa 50 sekunnin aikana?
  11. Tietokoneavusteisella mittaussysteemillä pystytään tutkimaan erittäin lyhytkestoisia tapahtumia, kuten voiman kokonaisvaikutusta kappaleeseen seuraavanlaisessa törmäyskokeessa: Ilmatyynyradalla liikkuvan vaunun, jonka massa on 0,21655 kg, annettiin törmätä tukevasti kiinnitettyyn voima-anturiin, jolloin saatiin mitattua vaunuun kohdistuva törmäysvoima (kuva a). Samanaikaisesti mitattiin ultraäänianturilla vaunun nopeus ajan funktiona (kuva b).

    1. Minkä vuoksi vaunun nopeuden itseisarvo muuttuu törmäyksessä?
    2. Mikä suure kuvaa voiman kokonaisvaikutusta kappaleeseen tietyllä aikavälillä, ja mikä laki tähän liittyy?
    3. Toteutuuko tämä laki vaunun ja anturin törmäyksessä saatujen tulosten perusteella?

+16. Selosta vähintään kaksi menetelmää, joilla voit mitata läpinäkyvän nesteen a) tiheyden, b) ominaislämpökapasiteetin ja c) taitekertoimen. Esitä kussakin tapauksessa, mitä välineitä käytetään, mitä suureita mitataan ja miten kysytty suure lasketaan mitatuista. Vertaile myös esittämiesi menetelmien tarkkuutta toisiinsa nähden.

© Ylioppilastutkintolautakunta / Internetix