FI – Fysiikka

26.3.2020

Koe koostuu 11 tehtävästä, joista vastataan seitsemään. Tehtävät on jaettu kolmeen osaan. Osassa I on yksi kaikille pakollinen 20 pisteen tehtävä. Osassa II on seitsemän 15 pisteen tehtävää, joista vastataan neljään. Osassa III on kolme 20 pisteen tehtävää, joista vastataan kahteen. Kokeen maksimipistemäärä on 120. Kaikki annetut vastaukset tulee perustella, jos perusteleminen on vastausteknisesti mahdollista. Voit tuottaa vastausten tueksi piirroksia, kaavioita tai taulukoita ja liittää niistä kuvakaappauksen mihin tahansa tekstivastaukseen.

Älä jätä mitään merkintöjä sellaisen tehtävän vastaukselle varattuun tilaan, jota et halua jättää arvosteltavaksi. Huom.! Tehtävässä 4 on erillinen ohje vastaamatta jättämisestä.

Osa I: 20 pisteen tehtävä

Vastaa tehtävään 1.

1. Monivalintatehtäviä fysiikan eri osa-alueilta 20 p.

Kussakin videossa 1. A–1. E on kuvattu jokin mekaniikan ilmiö. Kohdissa 1.1.–1.5. valitse videoon liittyvä oikea ilmiö. Kohdissa 1.6.–1.10. valitse oikea fysikaalinen suure, joka on kuvattu kyseisessä kohdassa. Oikea vastaus 2 p., väärä vastaus 0 p., ei vastausta 0 p.

1.1. Katso video 1. A. Huom.! Videossa ei ole ääntä. Videolla kuvattu ilmiö on 2 p.

 

1.2. Katso video 1. B. Huom.! Videossa ei ole ääntä. Videolla kuvattu ilmiö on 2 p.

 

1.3. Katso video 1. C. Huom.! Videossa ei ole ääntä. Videolla kuvattu ilmiö on 2 p.

 

1.4. Katso video 1. D. Huom.! Videossa ei ole ääntä. Videolla kuvattu ilmiö on 2 p.

 

1.5. Katso video 1. E. Huom.! Videossa ei ole ääntä. Videolla kuvattu ilmiö on 2 p.

 

1.6. Suure, joka kuvaa radioaktiivisen säteilylähteen voimakkuutta, on 2 p.

 

1.7. Suure, joka kuvaa vuorovaikutuksen voimakkuutta, on 2 p.

 

1.8. Suure, joka kuvaa johtimen kykyä vastustaa sähkövirtaa, on 2 p.

 

1.9. Suure, joka kuvaa aineen kykyä ottaa vastaan ja luovuttaa energiaa lämpönä, on 2 p.

 

1.10. Suure, joka kuvaa hiukkasen tai kappaleen kykyä aiheuttaa tai tuntea sähköistä vuorovaikutusta, on 2 p.

 

Osa II: 15 pisteen tehtävät

Vastaa neljään tehtävään.

2. Laatikko ja punnus 15 p.

Kuva 2. A esittää vaakasuoralla radalla olevaa laatikkoa, jota vedetään lankaan ripustetulla punnuksella. Laatikon ja radan välillä vallitsee kitka. Laatikko lähtee levosta ja pysähtyy, kun se osuu radan päätyyn. Jos punnuksen massa on pieni laatikon massaan nähden, laatikko ei lähde liikkeelle. Lanka on kevyt, ja väkipyörä on herkkäliikkeinen. Kuvan 2. A tilannetta mallinnetaan simulaatiolla 2. B.
Aineisto
  1. Kuva: Simulaatiossa mallinnettava järjestely
  2. Simulaatio: Laatikon kulkema matka ja nopeus ajan funktiona

2.1. Piirrä laatikon ja punnuksen voimakuviot tilanteessa, kun laatikko ei liiku. 6 p.

 

2.2. Määritä laatikon ja radan välinen lepokitkakerroin simulaation avulla. 9 p.

 

3. Merenpinnan nousu 15 p.

Maapallon valtameret lämpenevät ilmastonmuutoksen seurauksena. Tämä aiheuttaa merenpinnan nousua, joka 2000-luvulla on ollut suuruudeltaan noin 3 millimetriä vuodessa. Yksi syy merenpinnan nousuun on veden lämpölaajeneminen.

Merien vuodessa keräämän lämpömäärän on arvioitu olevan noin 1,3 ⋅ 1022 J. Kuinka paljon merien keskimääräinen lämpötila kohoaa vuodessa? Entä kuinka suuri on lämpölaajenemisen aiheuttama merenpinnan korkeuden muutos vuodessa? Meriveden ominaisuudet riippuvat paineesta, lämpötilasta sekä suolapitoisuudesta, joten käytetään taulukossa 3. A annettuja, keskiarvoistettuja arvoja.

Aineisto
  1. Taulukko: Tehtävässä tarvittavien suureiden keskimääräisiä arvoja
 

4. Pimeässä huoneessa 15 p.

Pimeässä huoneessa tehdään kokeita laservalolla käyttäen kuvan 4. A koejärjestelyä. Kuvassa L on laser ja G tutkittava kohde. Tarkastellaan varjostimelle S tullutta valoa. Etäisyys kohteesta varjostimelle on paljon suurempi kuin käytetyn valon aallonpituus.

Kohdissa 4.2.–4.6. valitse tilanteeseen parhaiten soveltuva vaihtoehto. Oikea vastaus 3 p. / 2 p., väärä vastaus 0 p., ei vastausta 0 p. Jos olet aloittanut tehtävään vastaamisen, mutta et haluakaan jättää tehtävää arvosteltavaksi, merkitse jokaiseen kohtaan vaihtoehto "En vastaa" ja tyhjennä vastauskenttä 4.1.

Aineisto
  1. Kuva: Koejärjestely
  2. Kuva: Valokuvio

4.1. Käytetään punaista laservaloa ja kohteeksi asetetaan hila. Hilassa on monta hyvin kapeaa rakoa, jotka ovat etäisyydellä a toisistaan. Tällöin varjostimelle syntyy kuvassa 4. B esitetty valokuvio. Mistä ilmiöstä on kyse? Vastausta ei tarvitse perustella. 3 p.

 

4.2. Varjostin siirretään kaksinkertaiselle etäisyydelle hilasta. Miten varjostimella havaittu kuvio muuttuu? 2 p.

 

4.3. Palautetaan kohdan 4.1. lähtötilanne. Siirretään laser sen jälkeen kaksinkertaiselle etäisyydelle kohteesta. Miten varjostimella havaittu kuvio muuttuu? 2 p.

 

4.4. Käytetään samaa laservaloa ja samoja etäisyyksiä kuin kohdassa 4.1., mutta kohteeksi asetetaan levy, jossa on vain kaksi hyvin kapeaa rakoa. Rakojen välinen etäisyys on a. Miten varjostimella havaittu kuvio muuttuu? 2 p.

 

4.5. Käytetään samaa laservaloa ja samoja etäisyyksiä kuin kohdassa 4.1., mutta kohteeksi valitaan toinen hila, jossa vierekkäisten rakojen välimatka on puolet alkuperäisen hilan rakojen välimatkasta eli \frac{1}{2} 1 2 a. Miten varjostimella havaittu kuvio muuttuu? 3 p.

 

4.6. Käytetään samoja etäisyyksiä ja samaa hilaa kuin kohdassa 4.1., mutta punainen laservalo korvataan vihreällä laservalolla. Miten varjostimella havaittu kuvio muuttuu? 3 p.

 

5. Kiertokäämimittari 15 p.

Kiertokäämimittarin toiminta perustuu käämiin kohdistuvaan vääntöön magneettikentässä. Kiertokäämimittarilla voidaan mitata sähkövirtaa tai jännitettä halutulla mittausalueella kytkemällä mittarissa olevan käämin rinnalle tai sen kanssa sarjaan sopiva vastus. Kuvat 5. A ja 5. B esittävät eri mittausalueille asetettua kiertokäämimittaria ja vastaavaa mittarin sisäistä vastuskytkentää. Kun mittari näyttää maksimiarvoa, mittarin käämin läpi kulkee 0,10 mA sähkövirta. Käämin resistanssi on 360 Ω.
Aineisto
  1. Kuva: Kiertokäämimittari ja sen kytkentä sähkövirran mittauksessa
  2. Kuva: Kiertokäämimittari ja sen kytkentä jännitteen mittauksessa

5.1. Kuinka suuri vastuksen RI resistanssin pitää olla, kun mitataan sähkövirtaa alueella 0...100 mA? Anna vastaus kahden merkitsevän numeron tarkkuudella. 8 p.

 

5.2. Kuinka suuri vastuksen RU resistanssin pitää olla, kun mitataan jännitettä alueella 0…1 V? Anna vastaus kahden merkitsevän numeron tarkkuudella. 7 p.

 

6. Hyppy ilman laskuvarjoa 15 p.

Helsingin Sanomat julkaisi tiedesivuillaan 10.8.2016 uutisen (teksti 6. A) Luke Aikinsin ilman laskuvarjoa tekemästä hypystä. Hypystä kuvatusta videosta on poimittu hyppääjän korkeus ajan funktiona (mittausaineisto 6. B). Ajan mittaaminen alkoi hyppääjän poistuttua lentokoneesta. Vastaa tehtäviin 6.1. ja 6.2. olettaen hyppääjän massaksi varusteiden kanssa 95 kg.
Aineisto
  1. Teksti: Helsingin Sanomien uutinen hypystä
  2. Mittausaineisto: Hyppääjän korkeus ajan funktiona

6.1. Piirrä kuvaaja hyppääjän korkeudesta ajan funktiona. Kuinka suuri on hyppääjään kohdistuva ilmanvastus, kun hän on 3 800 metrin korkeudessa? 8 p.

 

6.2. Tarkastele perustellen, mitä energiaan liittyviä virheellisyyksiä tekstissä 6. A esitetään. 7 p.

 

7. Putoava sauvamagneetti 15 p.

Sauvamagneetti pudotetaan käämin läpi kuvan 7. A mukaisesti. Käämissä on 500 kierrosta kuparilankaa. Käämin sähkövirta mitataan magneetin putoamisen aikana. Mittaustulokset on annettu mittausaineistossa 7. B.
Aineisto
  1. Kuva: Sauvamagneetti pudotetaan käämin läpi
  2. Mittausaineisto: Käämin sähkövirta ajan funktiona

7.1. Piirrä kuvaaja käämin sähkövirrasta ajan funktiona. Miksi käämissä kulkee sähkövirta, kun sauvamagneetti pudotetaan käämin läpi? 7 p.

 

7.2. Vertaile toisiinsa käämin läpi kulkenutta kokonaissähkövarauksen suuruutta ensimmäisen ja toisen virtapiikin aikana. 8 p.

 

8. Röntgensäteily 15 p.

Kuvassa 8. A on esitetty molybdeenianodisen röntgenputken tuottaman säteilyn spektri, kun kiihdytysjännitteen arvo on 28 kV.
Aineisto
  1. Kuva: Röntgenputken säteilyn spektri

8.1. Selitä, miten röntgensäteilyä syntyy röntgenputkessa. 8 p.

 

8.2. Röntgendiffraktiota voidaan käyttää aineen rakenteen selvittämiseen. Mihin röntgendiffraktio perustuu? Mitä röntgendiffraktiolla saadaan selville ja millaista ainetta sillä voidaan tutkia? 7 p.

 

Osa III: 20 pisteen tehtävät

Vastaa kahteen tehtävään.

9. Ionin ominaisvarauksen määrittäminen 20 p.

Selosta jokin menetelmä, jolla tuntemattoman ionin ominaisvaraus eli ionin varauksen ja massan suhde voidaan määrittää kokeellisesti. Kerro, mitä laitteistoja käytetään ja minkä suureiden arvot täytyy mitata tai tuntea. Johda yhtälö, jonka avulla ionin ominaisvaraus lasketaan mitatuista suureista. Mitkä tekijät koejärjestelyssä vaikuttavat oleellisesti tuloksen luotettavuuteen ja tarkkuuteen?
 

10. Painovoima-aallot ja LIGO 20 p.

Tekstissä 10. A kerrotaan painovoima-aaltojen havaitsemisesta LIGO-koejärjestelyllä. Vastaa tehtäviin 10.1.–10.3. tekstin ja siihen liittyvän kuvan 10. B avulla.
Aineisto
  1. Teksti: Painovoima-aallot ja LIGO
  2. Kuva: GW150914:n havaintodata

10.1. Mitä tarkoittaa havainnon GW150914 yhteydessä se, että havainto on ”suora”. Miksi vuoden 1974 havainto ei ole ”suora havainto”? 5 p.

 

10.2. Kun toisiaan kiertävät kappaleet sulautuivat yhdeksi, gravitaatioaaltoina poistui energiaa kolmen Auringon massan verran 0,015 sekunnin aikana. Laske gravitaatioaaltojen teho. Kuinka monen Auringon säteilytehoa tämä vastaa? Auringon säteilyteho on 3,9 · 1026 W. 8 p.

 

10.3. LIGO:n datan analysoinnissa saatiin tulokseksi, että yhdistymisessä syntyneen kappaleen massa oli 62 kertaa Auringon massa. Tämän perusteella havainnon GW150914 voidaan tulkita seuranneen nimenomaan mustien aukkojen törmäyksestä eikä tavallisten tähtien tai neutronitähtien törmäyksestä. Miten tämä voidaan päätellä aineiston avulla? 7 p.

 

11. Höyrypuhdistin 20 p.

Höyrypuhdistin on laite, joka koostuu paineastiasta ja sähkövastuksesta. Astiassa olevaa vettä lämmitetään sähkövastuksen avulla, jolloin astiaan muodostuu vesihöyryä. Höyryä johdetaan suuttimen kautta puhdistettavalle pinnalle. Kuvissa 11. A ja 11. B on annettu tietoa höyrypuhdistimesta. Kuvassa 11. C on esitetty veden faasidiagrammi. Vastaa tehtäviin 11.1.–11.3. annetun aineiston ja oman tietämyksesi avulla.
Aineisto
  1. Kuva: Höyrypuhdistin
  2. Kuva: Laitteen arvokilpi
  3. Kuva: Veden faasidiagrammi

11.1. Määritä annetun aineiston perusteella, missä lämpötilassa vesi on höyrypuhdistimen paineastiassa, kun laite on käyttövalmis. 8 p.

 

11.2. Paineastian tilavuus on 1,0 litraa. Astia täytetään vesijohtovedellä, jonka lämpötila on +6,0 °C ja höyrypuhdistimen lämmitysvastus kytketään päälle. Kuinka pitkän ajan kuluttua puhdistin on käyttövalmis? 8 p.

 

11.3. Kuinka suuri tehollinen sähkövirta kulkee puhdistimen sähkövastuksen läpi veden lämmityksen aikana? 4 p.

 

Lähteet

  1. Lähde: YTL.
  2. Lähde: YTL.
  3. Lähde: YTL.
  4. Lähde: YTL.
  5. Lähde: YTL.

Tarkista, että vastasit ohjeiden mukaiseen määrään tehtäviä. Älä jätä mitään merkintöjä sellaisen tehtävän vastaukselle varattuun tilaan, jota et halua jättää arvosteltavaksi.