Fysiikan kysymykset - syksy 1999


YLIOPPILASTUTKINTO         22. 9. 1999                REAALIKOE  FYSIIKKA

1. Esitä fysikaalinen selitys seuraaviin ilmiöihin:
a) Laskuvarjohyppääjä saavuttaa pudotessaan tietyn vakionopeuden.
b) Matkustaja voi paniikkijarrutuksessa lyödä päänsä tuulilasiin, jos hän ei käytä turvavyötä.
c) Kuu kiertää maata
d) Ihminen altistuu lentokoneessa ionisoivalle säteilylle enemmän kuin maan pinnalla.

2. Rakennusinsinöörikoulutuksessa tutkittiin laudan (poikkileikkaus 22 mm × 95 mm) taipumista kuormittamalla niitä keskikohdasta punnuksilla (kuva). Tukipisteiden väli oli kummassakin tapauksessa 3,0 m. Saatiin alla olevan taulukon mukaiset tulokset.

Lauta
kuorma/kg taipuma/mm
5 22,0
10 45,0
15 64,5
20 87,5
25 111,0
Lankku
kuorma/kg taipuma/mm
10 5,5
20 10,5
30 16,0
40 22,0
50 26,5

a) Esitä tapahtumat graafisesti kuormituksen funktiona.
b) Kuinka suuren taipuman laudassa ja lankussa aiheuttaa keskikohtaan vaikuttava 180 N:n kuormitus?
c) Kuinka suuri on lankkua ja lautaa kuormittavien voimien suhde, kun taipumat ovat yhtä suuret?

3. Piirrä kuviot, joista ilmenevät lihavoidulla tekstillä ilmaistuihin kappaleisiin vaikuttavat voimat. Nimeä voimat ja kiinnitä kussakin tapauksessa huomiota niiden keskinäiseen suuruuteen.
a) Kahden tuen varassa lepäävä tasapaksu palkki.
b) Rinnettä alas liukuva hiihtäjä.
c) Liukkaaseen seinään nojaava tanko.
d) "Halfpipe"-kilpailua suorittava lumilautailija heti kourusta irtoamisen jälkeen.

4. Pyöräilijä lisää vauhtiaan vakioteholla. a) Kuinka suuri on tämä teho, jos pyörän nopeus kasvaa arvosta 18 km/h arvoon 23 km/h 1,2 sekunnissa? b) Missä rajoissa pyörän kiihtyvyys tällöin vaihtelee? Pyöräilijän ja polkupyörän yhteinen massa on 78 kg.

5. Selosta sopivia kuvioita hyväksi käyttäen, kuinka määrität a) koveran pallopeilin puolivälin, b) hilan hilavakion.

6. Metallipallon jonka massa on 120 g, riippuu 85 cm:n pituisen langan päässä. Palloa isketään vaakasuoraan, jolloin se heilahtaa. Heilahduskulman saavuttaessa arvon 125º pallo alkaa poiketa ympyräradalta. Kuinka suuri oli pallon lähtönopeus?

7. a) Mistä tekijöistä riippuu levykondensaattorin kapasitanssi?

b) Selosta oheisten kuvien esittämän säätökondensaattorin toimintaperiaate.

c) Oheinen periaatekuvio esittää kapasitiivisen kosteusanturin rakennetta. Minkä vuoksi anturin kapasitanssi muuttuu ilman kosteuden muuttuessa?

8. a) Hahmottele kuvaajat, jotka esittävät samanlaisten vastusten 1 ja 2 läpi kulkevia sähkövirtoja ajan funktiona kytkimen K sulkemisen jälkeen (ks. kytkentäkaavio). Perustele.
b) Miksi kuvaajat eroavat toisistaan selvästi vain, jos käämissä on rautasydän?
c) Kytkin K avataan. Miksi vastuksessa 2 kulkee virta vielä hetken kytkimen avaamisen jälkeen?

9. Oheisessa kuvassa on esitetty gammasäteilyn matkavaimennuskerroin lyijyssä ja alumiinissä fotonin energian funktiona.
a) Lyijylevyistä halutaan rakentaa säteilysuoja, joka heikentää 2,6 MeV:n gammasäteilyn voimakkuuden kymmeneen prosenttiin alkuperäisestä. Kuinka paksu lyijykerros tarvitaan?
b) Kuinka suuri osa säteilystä absorboituisi lasketun paksuisessa alumiinikerroksessa?

10. Torninosturilla nostetaan rakennuselementtiä siten, että elementin nopeus kasvaa tasaisesti. Tarkastele elementin a) paikkaa, b) liikemäärää, c) kiihtyvyyttä ja d) potentiaalienergiaa sekä e) nostovaijerin jännitysvoimaa ja f) jännitysvoiman tehoa ajan funktiona. Minkä suureiden kuvaajat ovat nousevia suoria?

11. Pakastekaapin avaaminen on tunnetusti vaikeaa muutaman sekunnin kuluttua siitä, kun ovi on pakasteiden oton jälkeen suljettu.
a) Kaapin sisältämän ilman lämpötila on sulkemishetkellä -2 ºC. Se laskee nopeasti arvoon -10 ºC. Kuinka suurella voimalla oven kahvasta pitäisi tällöin vetää, jotta ovi aukeaisi? Oven leveys on 0,5 m ja korkeus 1,0 m sekä kahvan etäisyys oven saranoidusta reunasta on 0,45 m.
b) Miksi oven avaaminen on oleellisesti helpompaa muutaman minuutin kuluttua?

12. Laajat yhdensuuntaiset johdelevyt A ja B on kytketty 9,0 V:n paristoon. Valitaan x-akseli kohtisuoraan levyjä vastaan kuvan mukaisesti.
a) Esitä graafisesti levyjen välisen sähkökentän voimakkuus ja potentiaali paikan x funktiona (kuvaajat E = E(x) ja V = V (x)).
b) Piirrä a-kohdassa kysytyt kuvaajat myös siinä tapauksessa, että kuvassa katkoviivalla esitettyyn paikkaan on asetettu levyjen suuntainen varaamaton johdelevy, jonka paksuus on 2,0 cm.

13. Oheisen kuvan esittämässä systeemissä 0,25 kg:n kuorman halutaan laskeutuvan vakionopeudella 5,0 m/s. Vaakasuorilla kuparikiskoilla (lähes) kitkatta liukuva johdesauva on yhdistetty kuormaan langalla, joka kulkee herkkäliikkeisen pyörän yli. Pystysuoran homogeenisen magneettikentän magneettivuon tiheys on 0,22 T ja kiskojen välinen etäisyys 1,5 m.
a) Kuinka suureksi on säätövastuksen resistanssi valittava?
b) Kuinka paljon lämpöenergiaa vapautuu vastuksessa kuorman liikkuessa 0,60 m?

14. Kun ilmatyynyradalla liikkuvien vaunujen A ja B painopisteiden paikat jan funktiona määritettiin kahdella tietokoneeseen kytketyllä ultraäänianturilla, saatiin oheisen kuvion mukainen tulos. Mitä tapahtui noin hetkellä 1,4 s? Tutki säilymislakien toteutumista kyseisessä tapahtumassa. Vaunujen massat olivat 183 g (A) ja 483 g (B)

15. a) Nesteen tilavuuden lämpötilakerroin halutaan määrittää mahdollisimman tarkasti pitkäkaulaista lasipulloa käyttäen. Tee selkoa koejärjestelystä.

b) Kun pullo on täytetty pakkasnesteellä (t = 20,0 ºC) kaulassa olevaan merkkiviivaan asti, nesteen tilavuus on 250,6 ml. Pullon kaulan sisähalkaisija on 5,15 mm. Kun nestettä lämmitetään, sen pinta nousee alla olevan taulukon mukaisesti. Määritä sopivaa graafista esitystä hyväksi käyttäen pakkasnesteen tilavuuden lämpötilakerroin.

t/ºC 20,0 22,9 25,9 29,2 31,9 35,3
h/mm 0 28,3 58,5 83,8 114,8 149,1

+16. Mitä tietoa aineen mikrorakenteesta ja koostumuksesta on mahdollista saada sähkömagneettisen säteilyn avulla?

©Ylioppilastutkintolautakunta/ Internetix