FI – Fysiikka
15.9.2021
Koe koostuu 11 tehtävästä, joista vastataan seitsemään. Tehtävät on jaettu kolmeen osaan. Osassa 1 on yksi, kaikille pakollinen 20 pisteen tehtävä. Osassa 2 on seitsemän 15 pisteen tehtävää, joista vastataan neljään. Osassa 3 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.
Osa 1: 20 pisteen tehtävä
Vastaa tehtävään 1.1. Täydennystehtäviä fysiikan eri osa-alueilta 20 p.
1.1 Täydennä lause 2 p.
Aurinkokuntaa koossa pitävä vuorovaikutus on nimeltään .
1.2 Täydennä lause 2 p.
Atomiydintä pitää koossa vuorovaikutus.
1.3 Täydennä lause 2 p.
Kun kappaleseen kohdistuva kokonaisvoima on nollasta poikkeava, kappale on liikkeessä.
1.4 Täydennä lause 2 p.
Kahden kappaleen törmätessä kimmottomasti toisiinsa kappaleiden yhteenlaskettu säilyy.
1.5 Täydennä lause 2 p.
Kun kolikon lämpötilaa kasvatetaan, kolikon paksuus .
1.6 Täydennä lause 2 p.
Kun termodynaamiseen systeemiin tuodaan lämpömäärä Q ja systeemi tekee työn W , jolle pätee |W| = |Q|, systeemin lämpötila .
1.7 Täydennä lause 2 p.
Kun viulun kieltä kiristetään, kielen lähettämän äänen aallonpituus .
1.8 Täydennä lause 2 p.
Valon kulkiessa ilmasta lasiin valon pysyy vakiona.
1.9 Täydennä lause 2 p.
Kaksi varattua muovipalloa vetää toisiaan puoleensa, jos niillä on varaukset.
1.10 Täydennä lause 2 p.
Induktiolain mukaan suljettuun johdinsilmukkaan syntyvän sähkövirran saa aikaan .
Osa 2: 15 pisteen tehtävät
Vastaa neljään tehtävään.2. Sulkapallo 15 p.
2.1 Esitä graafisesti sulkapallon mitattu nopeus ajan funktiona. Esitykseen ei tarvitse tehdä graafista tasoitusta. 4 p.
2.2 Päättele graafisesta esityksestä, millä hetkellä sulkapallo on korkeimmillaan. Millä aikavälillä pallon nopeus on likimain vakio? 4 p.
2.3 Ilmanvastuksen suuruudelle F_D pätee malli F_D = \frac{1}{2} C \rho A v^2, jossa C on kappaleen muodosta riippuva kerroin, \rho on ilman tiheys (1,22 kg/m3), A on kappaleen poikkipinta-ala ja v on kappaleen nopeus. Tarkastele aikaväliä, jolla pallon nopeus on likimain vakio. Määritä kerroin C kokeessa käytetylle sulkapallolle. 7 p.
3. Lämmitysvastuksen teho 15 p.
4. Ilmapallo 15 p.
4.1 Mitä ilmapallolle tapahtuu, kun sitä hangataan vaatteisiin? 3 p.
4.2 Selitä, miksi ilmapallo tarttuu seinään ja pysyy siinä paikallaan. Piirrä selityksesi tueksi kuvaan 4.A ilmapalloon vaikuttavien voimien voimavektorit ja nimeä voimat. 8 p.
4.3 Miksi ilmapallo alkaa jonkin ajan kuluttua laskeutua seinää pitkin alas? 4 p.
5. Keinu 15 p.
Olet rakentamassa kesämökin pihaan sukulaislapsille keinua (kuva 5.A). Kaikki muut tarvikkeet ovat asianmukaiset, mutta keinun naruiksi on saatavilla vain ohutta pyykkinarua, jonka ”murtolujuudeksi” valmistaja ilmoittaa 65 kg.
Missä kohtaa keinun liikerataa keinun naruihin kohdistuu suurin kuormitus? Perustele vastauksesi. Määritä, kuinka suuri keinujan massa voi enintään olla, jotta narut eivät katkeaisi hänen keinuessaan. Oleta, että keinuja heilahtaa suurimmillaan 90°:n kulmaan pystysuunnasta.
6. Huilu ja klarinetti 15 p.
6.1 Määritä perussävelen taajuus sekä vastaava aallonpituus. 5 p.
6.2 Selvitä fysikaalisesti perustellen, esittääkö kuvan 6.A spektri A huilulla vai klarinetilla soitetun sävelen spektriä. 10 p.
7. Sähkömoottori 15 p.
7.1 Piirrä kuvaan 7.A niiden voimien voimavektorit, jotka pyörittävät silmukkaa. 4 p.
7.2 Johda lauseke silmukkaan kohdistuvan momentin M suuruudelle kiertokulman θ funktiona. Mikä on momentin suurin arvo? 8 p.
7.3 Moottorin silmukassa on kommutaattori (merkintä C kuvassa 7.A), joka kääntää silmukassa olevan virran suunnan. Miksi tämä on moottorin toiminnan kannalta tärkeää? 3 p.
8. Fuusio 15 p.
8.1 Selitä fuusioreaktorin toimintaperiaate. 9 p.
8.2
Oletetaan, että tulevaisuudessa fuusioenergialla voidaan korvata laajamittaisesti fissioenergia. Pohdi perustellen, koskevatko seuraavat fissiovoimaloista esitetyt väittämät myös fuusiovoimaloita.
- Voimalalle sopivan sijoituspaikan löytäminen on vaikeaa.
- Voimalan synnyttämän jätteen sijoittaminen on ongelmallista.
- Joillekin valtioille reaktorin hankkiminen on poliittisesti vaikeaa niiden kansainvälisten suhteiden takia.
6 p.
Osa 3: 20 pisteen tehtävät
Vastaa kahteen tehtävään.9. Keittolevyt 20 p.
9.1 Kuvaile pääpiirteissään, miten vertailet keittolevyjen energiatehokkuutta. Mitä ja miten mittaat tai määrität? Erittele mitä tekijöitä tulee ottaa huomioon, jotta tulokset olisivat mahdollisimman luotettavia. 10 p.
9.2 Hahmottele graafinen esitys siitä, millaista mittausdataa oletat mittauksista saatavan. Halutessasi voit käyttää tulosten esittämisen apuna aineiston 9.B piirrospohjaa. 6 p.
9.3 Tutkimuksessa osoittautuu, että toinen keittolevyistä on energiatehokkaampi. Mistä fysikaalisista syistä ero energiatehokkuudessa johtuu? 4 p.
10. Radiometrinen mittaus 20 p.
Radiometrisiä eli säteilyn käyttöön perustuvia mittauksia käytetään teollisuudessa silloin, kun olosuhteet eivät salli käyttää muita mittausmenetelmiä tai kun kohteena on ihmisille ja ympäristölle vaarallinen materiaali. Näillä mittausmenetelmillä voidaan myös valvoa ja ohjata tuotannon eri vaiheita, esimerkiksi materiaalivirtoja, prosessin kulkua häiritsemättä.
Radiometrisellä tiheysmittarilla voidaan gammasäteilyn avulla määrittää suljetussa putkessa kulkevan aineen tiheys koskematta aineeseen tai vaikuttamatta aineen virtaukseen. Tiheyden määrittäminen perustuu säteilyn vaimenemiseen mitattavassa aineessa. Vaimenemisen voimakkuuden ilmaisee aineen absorptiokerroin (heikennyskerroin), joka on suoraan verrannollinen aineen tiheyteen.
Radiometrinen mittauslaitteisto koostuu säteilylähteestä, ilmaisimesta ja mittauselektroniikasta (kuva 10.A). Ilmaisimella havaitaan säteilyn intensiteetin vaihteluita, jotka aiheutuvat säteilylähteen ja ilmaisimen välissä virtaavan aineen tiheyden muutoksista eli muutoksista absorption määrässä.
Eräs radiometrinen tiheysmittauslaitteisto mittaa putkessa virtaavan nesteen ja kaasun kokonaistiheyttä. Intensiteettikuvaajan (kuva 10.B) minimikohdat (intensiteettitaso I_1) vastaavat tilanteita, joissa säteilylähteen ja ilmaisimen välissä olevassa putkenosassa on ainoastaan nestettä. Maksimikohdat (intensiteettitaso I_2) vastaavat puolestaan tilanteita, joissa putkenosassa on ainoastaan kaasua. Mittauspisteet on annettu myös taulukkomuodossa aineistossa 10.C. Nesteen absorptiokerroin \mu_1 on suurempi kuin kaasun absorptiokerroin \mu_2.
Laitteiston säteilylähteenä toimii radioaktiivinen isotooppi Am-241, jonka puoliintumisaika on T_{1/2}=432,2 vuotta. Am-241-isotoopin alfahajoamisten yhteydessä syntyy 59,5409 keV:n gammakvantteja. Säteilyn läpäisemän materiaalivirran paksuutena käytetään sen keskimääräistä paksuutta x.
10.1 Kirjoita hajoamisyhtälö isotoopin Am-241 alfahajoamiselle ja selitä lyhyesti, mistä gammakvantti syntyy. 4 p.
10.2 Osoita, että nesteen ja kaasun absorptiokertoimien erotukselle \Delta \mu=\mu_1-\mu_2 pätee yhtälö \Delta\mu= \displaystyle{\frac{1}{x}}\ln\left(\displaystyle{\frac{I_2}{I_1}}\right). 4 p.
10.3 Neste-kaasuseokselle voidaan esittää niin sanottu efektiivinen absorptiokerroin \mu=\mu_1-\alpha(\mu_1-\mu_2), jossa \alpha on kaasun suhteellinen osuus neste-kaasuseoksen tilavuudesta. Oleta, että virtausnopeus on vakio ja että mittausarvot on saatu tasaisin aikavälein. Putken geometria ei vaikuta intensiteettimittauksiin. Määritä prosentteina kaasun keskimääräinen osuus putkessa virtaavasta materiaalista koko mittauksen aikana (kuva 10.B ja mittausaineisto 10.C). Anna vastaus kolmen merkitsevän numeron tarkkuudella. 8 p.
10.4 Kuinka paljon maksimi-intensiteetin ja minimi-intensiteetin välinen erotus \Delta I_0=I_1-I_2 muuttuu kymmenessä vuodessa? 4 p.
11. Gravitaatiokentän voimakkuuden mittaaminen 20 p.
11.1 Miksi ja miten maapallon paikalliset massanmuutokset vaikuttavat satelliitin liikkeeseen? Miksi satelliitteja tarvitaan kaksi? 4 p.
11.2 Miksi esimerkiksi vuoristot ja muut maanpinnan muodot eivät näy aineiston 11.B kuvissa? 3 p.
11.3 Kuinka suuren suhteellisen muutoksen satelliitin putoamiskiihtyvyydessä GRACE-järjestelmä pystyy aineiston mukaan havaitsemaan? 8 p.
11.4 Mitä sellaista tietoa gravitaatiokentän mittauksella saadaan, jota on vaikea saada muilla mittaustavoilla? 5 p.
Tarkista, että vastasit ohjeiden mukaiseen määrään tehtäviä. Älä jätä mitään merkintöjä sellaisen tehtävän vastaukselle varattuun tilaan, jota et halua jättää arvosteltavaksi.