Fysiikan kysymykset - syksy 1996


YLIOPPILASTUTKINTO 18.9.1996 REAALIKOE

1. Oppilaat punnitsivat eri aineista tehtyjä kappaleita ja erilaisia nestemääriä sekä mittasivat niiden tilavuuden. Mittaustulokset koottiin samaan (V, m) -koordinaatistoon. Oheisessa kuviossa aineet 1, 3 ja 5 ovat kiinteitä aineita ja aineet 2 ja 4 toisiinsa sekoittuneita nesteitä.

a) Suuri säiliö om täytetty yhtä suurella määrällä nesteitä 2 ja 4. Piirrä periaatekuvio, joka osoittaa, miten aineista 1, 3 ja 5 tehdyt pienet kappaleet asettuvat, kun ne pannaan tähän säiliöön.
b) Kuinka suuri on nesteen 4 tiheys?
c) Aineista 1 ja 5 on tehty esine, joka nesteeseen 2 upotettuna leijuu (ei nouse pintaan eikä vajoa pohjaan). Laske aineiden 1 ja 5 tilavuuksien suhde tässä esineessä.

2. Mitkä seuraavista paikan, nopeuden ja kiihtyvyyden kuvaajista voivat esittää
a) tornista putoavan kappaleen liikettä,
b) lattialla pomppivan pallon liikettä,
c) jousen varassa pystysuunnassa heilahtelevan kappaleen liikettä?
Liikettä tarkasteltaessa positiivinen suunta on valittu alaspäin.

3. Autoilijat A ja B lähestyvät risteystä vierekkäisillä kaistoilla rinnakkain nopeudella 54 km/h. He näkevät vihreän liikennevalon vaihtuvan keltaiseksi. A alkaa jarruttaa reaktioajan 0,5 s päätyttyä, jolloin auto pysähtyy tasaisesti hidastuen risteysalueen reunaan juuri, kun valo vaihtuu punaiseksi. B jatkaa samalla nopeudella edelleen, jolloin valo vaihtuu punaiseksi juuri, kun hän on ylittänyt 20 m risteysalueen. Kuinka kauan keltaisen valon jakso kestää?

4. Viime aikoina on kiistelty siitä, pitäisikö Suomen sähköenergian lisätarve kattaa rakentamalla lisää kivihiilivoimaloita vai ydinvoimaloita. a) Miten nämä eroavat toisistaan toiminnaltaan ja ympäristövaikutuksiltaa? b) Tulevaisuuden ydinvoimala voi olla myös fuusiovoimala. Mitä tarkoitetaan fuusiovoimalalla?

5. Vetykaasulla toimivan kulkuneuvon vetysäiliön tilavuus on 50 l. Säiliössä on alkutilanteessa vetyä paineessa 150 bar ja lämpötilassa 20 &degC. Ajon aikana säiliöstä virtaa vetyä paineenalusventtiilin läpi moottoriin, jolloin vedyn paine laskee ulkoilman paineeseen 1,02 bar. Moottori kuluttaa minuutissa 60 l vetyä. Kuinka kauan kulkuneuvo on ollut liikkeessä, kun ajon päätyttyä paine vetysäiliössä on laskenut arvoon 45 bar? Vety voidaan olettaa näissä oloissa ideaalikaasuksi.

6. a) Mitkä kokeet osoittavat, että valoa voidaan pitää aaltoliikkeenä ja nimenomaan poikittaisena aaltoliikkeenä?
b) Laservalo, jonka taajuus on 4,74·1014Hz, kulkee kohtisuoraan mikroskopiassa käytettävän peitelasin läpi. Lasin paksuus on 0,100 mm ja taitekerroin 1,509. Kuinka monta aallonpituutta valonsäteessä on lasin matkalla?

7. Teräspallo lätee levosta ja vierii liukumatta pitkin kaltevaa pintaa, joka loppupäässä kaartuu kuvan mukaisesti pystysuoraksi nousuksi. Lähtökohdan ja pallon lentoonlähtökohdan korkeusero h1 on 0,95 m. Kuinka korkealle (h2) pallo nousee?

8. Tutkittavan vastuksen resistanssi Rx mitattiin oheisella siltakytkennällä, jossa E = 12 V, R1 = 2012 ja R2 = 102,5 . Kun tarkkuussäätövastuksen resistanssi säädettiin arvoon 1274 , jännitemittari näytti nollaa. Kuinka suuri on resistanssi Rx?

9. a) Miten Faradayn indukstiolakia soveltaen voit mitata tunnetun suuntaisen magneettikentän magneettivuon tiheyden?
b) Ilmasydämisen solenoidin induktanssi on 55 mH ja resistanssi hyvin pieni. Solenoidissa kulkeva virta riippuu ajasta oheisen kuvion mukaisesti. Esitä graafisesti solenoidin päiden välinen jännite ajan funktiona.

10. a) Radioaktiivisten ytimien hajoamistapoja ovat mm. -, ß-- ja ß+- hajoaminen sekä elektronisieppaus (). Elektronisieppauksessa ydin sieppaa yhden elektroniverhon sisimmäisistä elektroneista. Kirjoita ytimien 214Po, 211Pb ja 207Bi hajoamisreaktiot alla olevan nuklidikartan avulla.
b) 232Th-ytimestä alkavassa hajoamisketjussa syntyy mm. 216Po-ydin. Myös 216Po-ytimen hajoamista seuraa useita peräkkäisiä hajoamistapahtumia, kunnes tuloksena on stabiili loppuydin. Mikä tämä ydin on?


11. Pallot A ja B riippuvat kevyen langan varassa kuvion mukaisesti. Pallo A poikkeutetaan tasapainoasemastaan 60° ja päästetään heilahtamaan ilman alkunopeutta. A törmää keskeisesti B:hen, joka törmäyksen jälkeen heilahtaa 90°. Mihin kulmaan A heilahtaa? Pallon A massa on 100 g ja pallon B massa 22,3 g.

12. Oheinen kuva esittää nykyaikaisen suurenergiamassaspektrometrin periaatetta. Kiihdytetty ionisuihku kulkee ensin sähköstaattisen energia-analysaattorin 1 läpi pitkin ympyrän kaarta, jonka säde on 3,0 m. Tämän jälkeen suihku tulee liikemääräanalysaattoriin 2, jonka homogeenisessa magneettikentässä (B = 0,48 T) ionit kulkevat ympyräradalla, jonka säde on 0,92 m. Analysaattorin sähkökenttä synnytetään levyparilla, jota voit tarkastella tasokondensaattorina, jossa levyjen välimatka on 20 mm ja jännite 26,5 kV. Laske spektrometrin läpi kulkevien ionien nopeus ja varauksen ja massan suhde (Q/m).

13. Esine on 1,00 m:n etäisyydellä silmästä. Esineen ja silmän väliin 0,40 m:n etäisyydelle esineestä asetetaan linssi, jonka polttoväli on +145 mm.
a) Mille etäisyydelle silmästä muodostuu esineen kuva, ja mikä on kuvan viivasuurennus?
b) Määritä kulmasuurennus tässä katselutilanteessa.
c) Piirrä kuvio, josta ilmenee, miten esineen kärjestä lähtevä valonsäde kulkee linssi läpi silmään.

14. Sähköopin oppilastöissä tutkittiin vastusta, kondensaattoria ja käämiä. Käämin resistanssi havaittiin hyvin pieneksi. Kun mitattiin kunkin komponentin läpi kulkevan vaihtovirran taajuusriippuvuus, saatiin oheisten kuvien mukaiset tulokset. Kaikissa mittauksissa jännitteen tehollinen arvo oli 7,5 V.
a) Liitä komponentit kuviin 1, 2 ja 3. Perustele vastauksesi.
b) Määritä vastuksen resistanssi, kondensaattorin kapasitanssi ja käämin induktanssi.
c) Hahmottele I = I(f) -kuvaajan muoto, kun sarjaan kytketyt komponentit on yhdistetty 7,5 V:n vaihtojännitteeseen.

15. Aineen kimmo-ominaisuuksia voidaan tutkia mittaamalla aineesta valmistetun langan venymää, kun lankaa kuormitetaan erisuuruisilla punnuksilla. Useimmat aineet noudattavat kohtuullisesti kuormitettaessa Hooken lakia, jonka mukaan langan jännitys (F/A) on suoraan verrannollinen suhteelliseen venymään (l/l) eli

jossa E on aineen kimmokerroin. Teräksen kimmoisuutta tutkittiin mittaamalla 1396 mm:n pituisen teräslangan venymä kuormituksen funktiona. Langan halkaisija oli 0,30 mm. Mittauksessa saatiin oheisen taulukon mukaiset tulokset. Selvitä, onko oheisessa mittauksessa pysytty Hooken lain pätevyysalueella, ja määritä sopivaa graafista esitystä käyttäen teräksen kimmokerroin.

+16. a) Hiukkasten kiihdyttäminen ja ohjaaminen hiukkaskiihdyttimissä.
b) Syklotronin ja synklotronin toiminnan pääperiaatteet.
c) Miksi hyvin suuriin hiukkasenergioihin pyrittäessä rengaskiihdyttimien halkaisijan täytyy olla kilometrien suuruusluokkaa?
d) Mitä suurenergiakiihdyttimillä (törmäyttimillä) pyritään nykyisin tutkimaan?

©Ylioppilastutkintolautakunta/ Internetix 1997-99