Fysiikan kysymykset - syksy 1995


YLIOPPILASTUTKINTO 20.9.1995 REAALIKOE

1. Oheinen kuvio esittää kolmen pyöräilijän A, B ja C paikkaa ajan funktiona.
a) Kuka on kulkenut pisimmän matkan aikavälinä 0...7 s?
b) Milloin B saavuttaa C:n?
c) Kenellä on suurin nopeus hetkellä 8,0 s ja kuinka suuri on tämä nopeus?
d) Milloin A:n ja B:n nopeudet ovat yhtä suuret?

2. Hiekanjyvänen ja sen kanssa samanmassainen höyhen putoavat ilmassa saman matkan pystysuunnassa. Kumman a) potentiaalienergian muutos, b) liike-energian muutos, c) mekaanisen energian muutos on itseisarvoltaan suurempi?

3. Valtameren pohjalla tapahtuvat maanjäristykset voivat synnyttää meren pinnalla tsunami-aaltoja, joiden aallonpituus on jopa 100...400 km. Kun aallonpituus on suuri verrattuna veden syvyyteen, pinta-aallon nopeus saadaan likimain yhtälöstä v = , missä h on meren syvyys ja g putoamiskiihtyvyys. Tarkastellaan nopeudella 710 km/h aavalla merellä etenevää tsunamia, jonka aallonpituus on 200 km ja amplitudi 0,5 m.
a) Kuinka kauan kestää tietyssä havaintopaikassa yhden aallon ohikulku (jaksonaika)?
b) Miten syvä on meri matalikolla, jossa aallon nopeus on pienentynyt arvoon 50 km/h?
c) Kuinka suuri on aallon amplitudi tällä matalikolla, jos oletetaan, että aallon kokoa kuvaava suure, aallonpituuden ja amplitudin tulo, pysyy vakiona?

4. Tehokas jokamiehen "voimanvahvistin" esimerkiksi venettä maihin vedettäessä syntyy, kun veneen keulaköysi kiinnitetään tiukasti puun runkoon ja sitten vedetään poikittain keskeltä köyttä. Kuinka suuri ylöspäin suunnattu voima F tarvitaan veneen liikkeelle saamiseksi, jos veneen massa on 430 kg ja kitkavastukset 310 N? Sekä veneen pohja että köysi muodostavat kulman = 10° vaakatason kanssa.

5. Akun lähdejännite on 12,4 V. Akun napoihin yhdestetään neljän samanlaisen rinnankytketyn lampun systeemi, jolloin mittaamalla todetaan kokonaisvirraksi 19,2 A ja napajännitteeksi 11,7 V.
a) Piirrä mittaukseen soveltuva kytkentäkkaavio.
b) Kuinka suuri on akun sisäinen resistanssi?
c) Kuinka suuri on tehonkulutus yhdessä lampussa?

6. a) Selosta muuntajan toimintaperiaate.
b) Eräässä koulukokeessa muuntajan ensiökäämiin kytkettiin 230 V jännite. Tällöin toisiokäämin napojen väliin kytketty rautanaula alkoi hehkua ja suli poikki. Rautanaulan paikalle kytkettiin pieni taskulampun polttimo, joka valaisi normaalisti. Selitä, miksi naula suli, mutta polttimo kesti.


7. Valokennoa A, jossa on kalium-katodi, ja valokennoa B, jonka katodimateriaalia ei tunneta, säteilytettiin monokromaattisella valolla. Kun mitattiin valon irrottamien elektronien maksimienergiat, saatiin eri taajuuksilla oheisen kuvion mukaiset tulokset.
a) Miksi suorilla on sama kulmakerroin?
b) Mikä suure pitää tuntea, jos halutaan saada selville valokennob B katodimateriaali?

8. Kevyt kierrejousi, jonka pituus kuormittamattomana on 0,30 m ja jousivakio 10,0 N/m, on kiinnitetty yläpäästään. Jouseen ripustetaan 50 g punnus, joka saatetaan kiertämään vaakatasossa ympyrärataa siten, että jousi muodostaa 30° kulman pystysuoran suunnan kanssa.
a) Kuinka suuri on tällöin jousen venymä?
b) Kuinka suuri on kyseisen kartioheilurin jaksonaika?

9. Suunitellussa deuterium-tritium-fuusioreaktorissa vapautuvat neutronit karkaavat sydäntä ympäröivään litium-vaippaan, jolloin osa niistä tuottaa fuusiopolttoaineena tarvittavaa tritiumia reaktion


              n + 6Li  4He + 3H

mukaisesti. a) Määritä reaktiossa vapautuva energia (reaktion Q-arvo).
b) Määritä reaktiossa syntyvien hiukkasten liike-energiat olettaen, että reaktion saa aikaan levossa olevaan Li-ytimeen törmäävä terminen neutroni. (Termisen neutronin liike-energia on mitätön vapautuvaan energiaan verrattuna.)
Tritiumin (3H) atomimassa on 3,0160493 u.

10. Kestomagneetin napojen poikkileikkaus on neliö, jonka sivun pituus a = 9,0 mm. Magneettivuon tiheys napojen välisessä ilmaraossa on 1,25 T. Jännitetty metallilanka värähtelee ilmaraossa siten, että langan keskikohdan poikkeama noudattaa yhtälöä y = sin(2ft), missä amplitudi = 1,20 mm ja taajuus f = 400 Hz. Lankaan indusoitunut jännite mitataan tehollisarvoa osoittavalla vaihtojännitemittarilla (kuvio). Mitä lukemaa mittari näyttää?

11. a) Tietokoneeseen kytketyn mittauslaitteiston voima-anturin lineaarisuutta tutkittiin siten, että että anturiin ripustettiin eripainoisia punnuksia ja rekisteröitiin laitteiston ilmoittama painivoima. Mittauspaikalla, jossa putoamiskiihtyvyys on 9,82 m/s2, saatiin alla olevan taulukon mukaiset tulokset:

punnuksen massa m/g     100     200     300     400     500     600

voimalukema     F/N     0,98    1,90    2,76    3,65    4,56    5,48

Piirrä anturin oikaisukäyrä (korjauskäyrä), ts. esitä oikaisu voimalukeman F funktiona. (Mittalaitteen oikaisu = "oikea arvo" -mittalaitteen lukema.)
b) Kun eräs epäsäännöllinen kappale (m =m 0,710 kg) riippui em. voima-anturista veteen upotettuna, laite antoi lukemaksi 4,20 N. Laske kappaleen tilavuus.

+12. Röntgensäteilyn synty, ominaisuudet ja käyttö

Tehtävät 13, 14 ja 15 ovat fysiikan yleisen oppimäärän alueelta. Näihin tehtäviin eivät saa vastata oppilaat, jotka ovat opiskelleet fysiikan laajaa oppimäärää enemmän kuin kolme kurssia.

13. Paineilmalaitteen avulla sukeltavan urheilusukeltajan elimistössä on sama paine kuin ympäröivässä vedessä. Jos sukeltaja nousee kerralle liian paljon, vereen liuonnutta typpeä voi eroyyua kuplina, mikä aikaansaa sukeltajantaudin. Tästä johtuen sukeltaja nousee kerralla vain sen verran, että paine laskee nousun aikana puoleen.
a) Erään sukelluksen aikana ilmanpaine oli 0,98 bar. Mikä oli paine sukeltajan elimistössä 32 m syvyydessä?
b) Mihin syvyyteen sukeltaja tästä syvyydestä nousi odottamaan typen poistumista?


14. Oheinen kuva esittää veden tiheyden lämpötilariippuvuutta.
a) Miksi vesi ei sovellu lämpömittarin nesteeksi?
b) Missä lämpötilassa litra vettä painaa eniten?
c) Mikä merkitys b)-kohdan tuloksella on luonnon kannalta?

15. Eräs energiantuotantoon liittyvä ongelma on kulutuksen voimakas vaihtelu, jonka vuoksi olisi tärkeää pystyä varastoimaan energiaa. Selosta erilaisia käytössä olevia tai suunniteltuja keinoja energian varastoimiseksi.

©Ylioppilastutkintolautakunta/ Internetix 1997-99