FI – Fysiikka

29.9.2020

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.

Sisällys

Osa I: 20 pisteen tehtävä
Vastaa tehtävään 1.
1. Monivalintatehtäviä fysiikan eri osa-alueilta 20 p.
Osa II: 15 pisteen tehtävät
Vastaa neljään tehtävään.
1. Sauna 15 p.
2. Varatut pingispallot Aineisto15 p.
3. Pitkäjousi Aineisto15 p.
4. Heiluri Aineisto15 p.
5. Nuppineulat Aineisto15 p.
6. Radioaktiivinen hajoaminen Aineisto15 p.
7. Apollo 1115 p.
Osa III: 20 pisteen tehtävät
Vastaa kahteen tehtävään.
1. Pysäköintitutka Aineisto20 p.
2. Lentävä rengas Aineisto20 p.
3. Galaksi Aineisto20 p.

Koe yhteensä120 p.

Osa II: 15 pisteen tehtävät

Vastaa neljään tehtävään.

2. Sauna 15 p.

Leo ja Jukka saunovat lämpötilaan 90 °C lämmitetyssä saunassa ja kiistelevät siitä, kannattaako kiukaalle heittää kylmää (lämpötila 7 °C) vai lämmintä (lämpötila 40 °C) vettä. Leon mielestä kylmä vesi jäähdyttää kiviä liikaa, kun taas Jukan mielestä löylyveden lämpötilalla ei ole juurikaan merkitystä.

Kiukaassa on 100 kg kiuaskiviä, ja niiden lämpötila on 250 °C. Kivien ominaislämpökapasiteetti on 1,30 kJ/(kg K). Vettä heitetään kiukaalle 0,30 litraa. Veden keskimääräinen höyrystymislämpötila kiuaskivien pinnalla on 90 °C.

2.1. Kuinka monta prosenttia enemmän kylmän löylyveden käyttö vähentää kiuaskiviin varastoitunutta energiaa kuin lämpimän veden käyttö? 7 p.

2.2. Kuinka paljon kiuaskivien lämpötila laskee koko kivimassassa keskimäärin, kun käytetään kylmää (7 °C) löylyvettä? 4 p.

2.3. Selitä fysikaalisia käsitteitä käyttäen, mihin perustuu heti löylynheiton jälkeen iholla tuntuva lämmittävä vaikutus. 4 p.

3. Varatut pingispallot 15 p.

Aineisto

Kuva: Tilannekuva

Varattujen kappaleiden vuorovaikutusta tutkittiin kuvan 3. A mukaisella koejärjestelyllä. Siinä kaksi samanlaista hopeoitua pingispalloa on ripustettu hyvin ohuen kuparilangan avulla roikkumaan eristekoukusta. Lankojen pituus ripustuspisteestä pallojen keskipisteeseen on L = 130 cm ja yhden pallon massa m = 3,0 g. Kun Van de Graaffin generaattorista tuodaan varausta kuparilankojen yläpäähän, havaitaan pallojen keskipisteiden etäisyyden kasvavan arvoon d = 12 cm.

3.1. Piirrä vasemmanpuoleisen pingispallon voimakuvio, ja nimeä palloon vaikuttavat voimat. 5 p.

3.2. Mitä voit sanoa pallojen varauksien merkeistä ja keskinäisestä suuruudesta? Määritä pallojen sähkövaraukset. 10 p.

4. Pitkäjousi 15 p.

Aineisto

Pitkäjousi on perinteinen jousiase. Pitkäjousen jännittämiseen tarvittava voima F_L riippuu pituudesta, johon jousi jännitetään (ns. vetopituus L, kuva 4. A). Voiman riippuvuus vetopituudesta on esitetty taulukossa 4. B.

4.1. Esitä graafisesti voima F_L vetopituuden funktiona. Kuinka suuren työn voima tekee, kun pitkäjousi jännitetään 0,70 m:n vetopituuteen? 7 p.

4.2. Pitkäjouseen asetetaan nuoli, jonka massa on 490 graania (1 graani = 64,79891 mg), ja jousi jännitetään 0,70 m:n vetopituuteen. Kuinka suuren lähtönopeuden vaakasuoraan ammuttu nuoli voi korkeintaan saada? 8 p.

5. Heiluri 15 p.

Aineisto

Kuva: Kaaviokuva heilurista

5.1. Tehtävänäsi on rakentaa kaaviokuvan 5. A tyyppinen heiluri. Mitä eri tekijöitä sinun tulee ottaa huomioon, jotta rakentamasi heilurin heilahtelun vaimeneminen olisi mahdollisimman vähäistä? 6 p.

5.2. Mitä tarkoitetaan harmonisella värähtelyllä? Suunnittele koe, jolla voit tutkia, onko rakentamasi heiluri harmoninen värähtelijä, ja kuvaile kokeen toteutus. Kerro perustellen, millaista lopputulosta odotat kokeestasi. 9 p.

6. Nuppineulat 15 p.

Aineisto

Kuva: Välineet

Metalliset nuppineulasi putoavat lattialle, ja osa niistä päätyy lattialautojen välissä olevaan, 1,5 mm:n levyiseen rakoon, josta niiden noukkiminen sormin ei onnistu.

Miten saat lattiaa vahingoittamatta nuppineulat noukittua lattian raosta, kun käytettävissäsi ovat aineistokuvassa 6. A olevat välineet?

Ratkaisustasi tulee käydä yksityiskohtaisesti ilmi,

miten käytät valitsemiasi välineitä
mihin fysiikan ilmiöön tai ilmiöihin ratkaisusi perustuu
miten voit säädellä ratkaisussasi käyttämäsi menetelmän tehokkuutta
mitä turvallisuustekijöitä pitää käyttämässäsi menetelmässä ottaa huomioon.

7. Radioaktiivinen hajoaminen 15 p.

Aineisto

Cesiumin radioaktiivista isotooppia Cs-137 käytetään muun muassa materiaalien paksuuksien ja virtauksien määrittämiseen teollisuudessa ja syövän hoitoon sairaaloissa. Sitä syntyy ytimien fissioreaktioissa ydinvoimaloissa.

7.1. Aineistossa 7. A on esitetty cesiumin radioaktiivisen isotoopin Cs-137 hajoamiskaavio. Mitä säteilyä syntyy siirtymissä a, b ja c? Perustele vastauksesi. 5 p.

7.2. Erään radioaktiivisen lähteen lähettämän 662 keV:n gammasäteilyn vaimenemista alumiinissa tutkittiin lisäämällä lähteen ja säteilynilmaisimen väliin yksitellen 10,0 mm:n vahvuisia alumiinilevyjä ja mittaamalla kussakin vaiheessa säteilyn intensiteetti I fotoneina aikayksikössä. Aineistossa 7. B on esitetty kulloisetkin alumiinilevyjen yhteenlasketut paksuudet ja säteilyn intensiteetit. Esitä mitatut intensiteetit alumiinin paksuuden funktiona, ja sovita mittauspisteisiin intensiteetin kuvaaja I(x), jossa x on alumiinikerroksen paksuus. 5 p.

7.3. Kuinka paksu alumiinikerros tarvitaan siihen, että 662 keV:n gammasäteilyn intensiteetti pienenee kymmenesosaan alkuperäisestä arvostaan? 5 p.

8. Apollo 11 15 p.

Apollo 11 -kuulennolla heinäkuussa 1969 komento-, huolto- ja kuumoduulin yhdistelmä asettui kiertämään Kuuta likimain ympyrän muotoiselle radalle, jonka korkeus Kuun pinnasta oli 110 km. Kun lennon alusta oli kulunut aikaa 100 h 12 min, kuumoduuli irrotettiin moduuliyhdistelmästä, ja se vei Neil Armstrongin ja Edwin Aldrinin Kuun pinnalle. Michael Collins jäi kiertämään Kuuta komento- ja huoltomoduulissa. Kuussa käynnin jälkeen kuumoduuli telakoitui takaisin komento- ja huoltomoduuliin. Tällöin lennon alusta oli kulunut aikaa 128 h 3 min.

8.1. Kuinka monta kertaa Collins ehti kiertää Kuun yksinään? 10 p.

8.2. Selitä, miksi Collins koki olevansa painoton kiertäessään Kuuta. 5 p.

Osa III: 20 pisteen tehtävät

Vastaa kahteen tehtävään.

9. Pysäköintitutka 20 p.

Aineisto

Kuva: Pysäköintitutkan toimintaperiaate

Pysäköintitutka on ajoneuvon pysäköintiä avustava järjestelmä. Se toimii ajoneuvon perä- tai etuosassa olevien ultraäänilaitteiden lähettämien ultraäänipulssien avulla. Yksinkertaisessa järjestelmässä laite ei pysty samanaikaisesti sekä lähettämään että vastaanottamaan ultraäänisignaalia. Sen sijaan se lähettää tasaisin välein ultraäänipulsseja ja rekisteröi pulssien välisinä aikoina ympäristöstä tulevaa samantaajuista ultraääntä (katso kuva 9. A). Järjestelmä määrittää pulssien avulla etäisyyden esteeseen, ja mikäli este on lähellä ajoneuvoa, kuljettajaa varoitetaan.

9.1. Erään laitteen valmistaja ilmoittaa, että etäisyyden esteeseen pitää olla vähintään 15 cm, jotta laite havaitsee sen luotettavasti. Esteen maksimietäisyys riippuu laitteen herkkyydestä. Selitä lyhyesti, miten etäisyysmittaus ultraäänilaitteella toimii. Kerro myös, miksi mittaus ei toimi, jos etäisyys on liian lyhyt tai liian pitkä. 7 p.

9.2. Määritä ultraäänipulssin kesto ja itse ultraäänen aallonpituus ja taajuus, jos yhdessä pulssissa on 90 värähtelyjaksoa ja luotettavien mittauksien minimietäisyys on 15 cm. Ilman lämpötila on 20,0 °C. 6 p.

9.3. Äänen nopeus ilmassa on verrannollinen ilman lämpötilan neliöjuureen, eli $v\sim\sqrt{T}$ . Minimietäisyys on 15 cm, kun lämpötila on 20,0 °C. Määritä luotettavien mittauksien minimietäisyyden muutos, kun ilman lämpötila nousee 45,0 °C:een. Kuinka suuri on ultraäänen aallonpituuden suhteellinen muutos? Muuttuuko ultraäänipulssin kesto? 7 p.

10. Lentävä rengas 20 p.

Aineisto

Aineistoissa 10. A, 10. B ja 10. C on videot kolmesta kokeesta. Kokeissa käytetään käämiä, joka koostuu 600 lankakierroksesta. Käämin sydämenä on rautatanko. Käämi on kytketty sarjaan tasajännitelähteen ja kytkimen kanssa. Ensimmäisessä kokeessa käämin päälle asetetaan alumiinirengas, jonka jälkeen käämiin kytketään sähkövirta. Toisessa kokeessa sama toistetaan katkaistulla alumiinirenkaalla. Kolmannessa kokeessa käytetään ehjää alumiinirengasta, joka on jäähdytetty nestetypellä.

10.1. Selitä, miksi ensimmäisen kokeen (video 10. A) rengas lennähtää ylös, kun käämiin kytketään sähkövirta. 6 p.

10.2. Selitä, miksi toisen kokeen (video 10. B) katkaistu rengas ei lennähdä ylös. 3 p.

10.3. Selitä, miksi kolmannen kokeen (video 10. C) jäähdytetty rengas lennähtää korkeammalle kuin ensimmäisen kokeen rengas. 3 p.

10.4. Selitä yksityiskohtaisesti, mitä rautatangossa tapahtuu, kun käämiin kytketään sähkövirta. 4 p.

10.5. Lentäisikö alumiinirengas yhtä korkealle ensimmäisessä kokeessa (video 10. A), jos käämin sydämenä oleva rautatanko korvattaisiin messinkitangolla? Perustele vastauksesi. 4 p.

11. Galaksi 20 p.

Aineisto

11.1. Lehdistötiedotteessa 11. A kerrotaan etäisen galaksin GN-z11 löytymisestä vuonna 2016. Vastaa aineiston luettuasi seuraaviin kysymyksiin lyhyesti.

Kuinka vanha on tuntemamme maailmankaikkeus?

Mistä aiheutuu kaukaisten galaksien lähettämän valon kosminen punasiirtymä?

Mistä tutkijat päättelevät, että GN-z11 on kasvuvaiheessa oleva nuori galaksi?

6 p.

11.2.
Vuonna 2016 havaittu galaksi GN-z11 on yksi kaukaisimmista tunnetuista galakseista. Kosmologiassa suuret etäisyydet ilmaistaan kosmisen punasiirtymän avulla. Punasiirtymän mittana käytetään suuretta $z=\frac{\lambda_h-\lambda}{\lambda}$ , jossa $\lambda_h$ on mittauksissa havaittu aallonpituus ja $\lambda$ galaksin lähettämän säteilyn aallonpituus. Kuva 11. B esittää suureen $z$ arvon mittaustulosta galaksin GN-z11 tapauksessa.

Mihin aallonpituuden arvoon arvioit vedyn spektrin Lymanin $\alpha$ -viivan (aallonpituus 121,57 nm) siirtyneen havaitussa spektrissä?
6 p.

11.3.
Sähkömagneettisen säteilyn Dopplerin lain mukaan $\lambda_h = \lambda\sqrt{\frac{1+\displaystyle{\frac{v}{c}} }{1-\displaystyle{\frac{v}{c}} }}$ , jossa $v$ on galaksin loittonemisnopeus ja $c$ valonnopeus.

Määritä galaksin GN-z11 loittonemisnopeus ja Hubblen lain $v= H_0d$ avulla galaksin etäisyys $d$ . $(H_0 =22\frac{{\rm km/s}}{{\rm Mly}})$
8 p.

Lähteet

Lähde: YTL.
Lähde: YTL.
Lähde: YTL.

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

FI – Fysiikka

Osa I: 20 pisteen tehtävä

1. Monivalintatehtäviä fysiikan eri osa-alueilta 20 p.

1.1. Jalkapalloilija potkaisee palloa. Mikä seuraavista väittämistä pitää paikkansa potkun tapahtuessa? 2 p.

1.2. Mikä seuraavista vaihtoehdoista on oikein? Välittömästi lyönnin jälkeen golfpalloon vaikuttavat 2 p.

1.3. Laskuvarjohyppääjä leijailee varjo auki tasaisella nopeudella alaspäin. Mikä seuraavista vaihtoehdoista kuvaa tilannetta oikein? 2 p.

1.4. Sählypallo heitetään kohti tyhjää juomatölkkiä. Törmäyksessä tölkin kylkeen syntyy iso lommo. Mikä seuraavista pitää paikkansa törmäyksessä? 2 p.

1.5. Uimari pulahtaa kylmään (10 °C) järviveteen. Mikä seuraavista lämmönsiirtotavoista siirtää tilanteessa eniten energiaa pois uimarin iholta? 2 p.

1.6. Missä seuraavista energianmuutoksista on huonoin hyötysuhde? 2 p.

1.7. Virtajohdin on magneettikentässä kuvan mukaisesti. Johtimessa on 3 ampeerin sähkövirta. Mitä voidaan sanoa johtimeen vaikuttavasta magneettisesta voimasta? 2 p.

1.8. Aalto etenee vinosti rajapinnan läpi toiseen, aalto-opillisesti erilaiseen väliaineeseen. Mikä seuraavista pitää tilanteessa paikkansa? 2 p.

1.9. Kuvan virtapiiriin on merkitty pisteet K ja L. Mikä seuraavista väittämistä on oikein? 2 p.

1.10. Pientä negatiivisesti varattua hiukkasta pidetään paikallaan kuvan mukaisessa sähkökentässä. Mihin suuntaan hiukkanen lähtee liikkumaan, kun se vapautetaan? 2 p.

Osa II: 15 pisteen tehtävät

2. Sauna 15 p.

2.1. Kuinka monta prosenttia enemmän kylmän löylyveden käyttö vähentää kiuaskiviin varastoitunutta energiaa kuin lämpimän veden käyttö? 7 p.

2.2. Kuinka paljon kiuaskivien lämpötila laskee koko kivimassassa keskimäärin, kun käytetään kylmää (7 °C) löylyvettä? 4 p.

2.3. Selitä fysikaalisia käsitteitä käyttäen, mihin perustuu heti löylynheiton jälkeen iholla tuntuva lämmittävä vaikutus. 4 p.

3. Varatut pingispallot 15 p.

3.1. Piirrä vasemmanpuoleisen pingispallon voimakuvio, ja nimeä palloon vaikuttavat voimat. 5 p.

3.2. Mitä voit sanoa pallojen varauksien merkeistä ja keskinäisestä suuruudesta? Määritä pallojen sähkövaraukset. 10 p.

4. Pitkäjousi 15 p.

4.1. Esitä graafisesti voima FL vetopituuden funktiona. Kuinka suuren työn voima tekee, kun pitkäjousi jännitetään 0,70 m:n vetopituuteen? 7 p.

4.2. Pitkäjouseen asetetaan nuoli, jonka massa on 490 graania (1 graani = 64,79891 mg), ja jousi jännitetään 0,70 m:n vetopituuteen. Kuinka suuren lähtönopeuden vaakasuoraan ammuttu nuoli voi korkeintaan saada? 8 p.

5. Heiluri 15 p.

5.1. Tehtävänäsi on rakentaa kaaviokuvan 5. A tyyppinen heiluri. Mitä eri tekijöitä sinun tulee ottaa huomioon, jotta rakentamasi heilurin heilahtelun vaimeneminen olisi mahdollisimman vähäistä? 6 p.

5.2. Mitä tarkoitetaan harmonisella värähtelyllä? Suunnittele koe, jolla voit tutkia, onko rakentamasi heiluri harmoninen värähtelijä, ja kuvaile kokeen toteutus. Kerro perustellen, millaista lopputulosta odotat kokeestasi. 9 p.

6. Nuppineulat 15 p.

7. Radioaktiivinen hajoaminen 15 p.

7.1. Aineistossa 7. A on esitetty cesiumin radioaktiivisen isotoopin Cs-137 hajoamiskaavio. Mitä säteilyä syntyy siirtymissä a, b ja c? Perustele vastauksesi. 5 p.

7.3. Kuinka paksu alumiinikerros tarvitaan siihen, että 662 keV:n gammasäteilyn intensiteetti pienenee kymmenesosaan alkuperäisestä arvostaan? 5 p.

8. Apollo 11 15 p.

8.1. Kuinka monta kertaa Collins ehti kiertää Kuun yksinään? 10 p.

8.2. Selitä, miksi Collins koki olevansa painoton kiertäessään Kuuta. 5 p.

Osa III: 20 pisteen tehtävät

9. Pysäköintitutka 20 p.

9.2. Määritä ultraäänipulssin kesto ja itse ultraäänen aallonpituus ja taajuus, jos yhdessä pulssissa on 90 värähtelyjaksoa ja luotettavien mittauksien minimietäisyys on 15 cm. Ilman lämpötila on 20,0 °C. 6 p.

10. Lentävä rengas 20 p.

10.1. Selitä, miksi ensimmäisen kokeen (video 10. A) rengas lennähtää ylös, kun käämiin kytketään sähkövirta. 6 p.

10.2. Selitä, miksi toisen kokeen (video 10. B) katkaistu rengas ei lennähdä ylös. 3 p.

10.3. Selitä, miksi kolmannen kokeen (video 10. C) jäähdytetty rengas lennähtää korkeammalle kuin ensimmäisen kokeen rengas. 3 p.

10.4. Selitä yksityiskohtaisesti, mitä rautatangossa tapahtuu, kun käämiin kytketään sähkövirta. 4 p.

10.5. Lentäisikö alumiinirengas yhtä korkealle ensimmäisessä kokeessa (video 10. A), jos käämin sydämenä oleva rautatanko korvattaisiin messinkitangolla? Perustele vastauksesi. 4 p.

11. Galaksi 20 p.

Lähteet

4.1. Esitä graafisesti voima F_L vetopituuden funktiona. Kuinka suuren työn voima tekee, kun pitkäjousi jännitetään 0,70 m:n vetopituuteen? 7 p.