FI – Fysiikka

1.1 Vauhdittomassa pituushypyssä ponnistetaan mahdollisimman pitkälle ilman alkuvauhtia. Mitä voit sanoa hyppääjään kohdistuvasta kokonaisvoimasta ponnistushetkellä? 2 p.

1.2 Autot A ja B etenevät liikenneympyrässä samaa ympyrärataa pitkin. Auton A nopeus on 20 km/h, ja auton B nopeus on 40 km/h. Mikä seuraavista väittämistä on tosi? 2 p.

1.3 Mitä tapahtuu ilmapallon sisällä olevalle ilmalle, kun ilmapallo puhkeaa äkillisesti? 2 p.

1.4 Tarkastellaan kahta suljettua virtapiiriä, joissa on samanlainen akku teholähteenä. Virtapiiriin 1 on kytketty yksi hehkulamppu, ja virtapiiriin 2 on kytketty kaksi hehkulamppua rinnan. Kaikki lamput ovat samanlaisia. Mikä seuraavista väitteistä on tosi? 2 p.

1.5 Elektroni saapuu homogeeniseen sähkökenttään kohtisuorasti kenttäviivoja vastaan. Miten elektroni käyttäytyy tultuaan sähkökenttään? 2 p.

1.6 Biljardipallo A törmää paikoillaan olevaan samanlaiseen palloon B. Pallo A jää törmäyksen jälkeen paikoilleen, kun taas pallo B alkaa liikkua eteenpäin. Oletetaan, että törmäys on kimmoinen. Mikä seuraavista kokonaisliikemäärää ja pallojen yhteenlaskettua liike-energiaa koskevista väittämistä on tosi? 2 p.

1.7 Pilvenpiirtäjän korkeus on 400 m, ja kovassa tuulessa sen huippu heilahtelee jaksollisesti ääriasennosta toiseen. Mikä on pilvenpiirtäjässä etenevän, perusvärähtelyä vastaavan aallon aallonpituus? 2 p.

1.8 Katuporan äänen intensiteettitaso 10 metrin etäisyydellä porasta on 100 dB. Kuinka suuri on kahden katuporan yhdessä tuottaman äänen intensiteettitaso samalla etäisyydellä? 2 p.

1.9 Kun johdinsilmukkaa pyöritetään magneettikentässä, siihen indusoituu lähdejännite. Mikä seuraavista muutoksista kasvattaa eniten johtimeen indusoituvan lähdejännitteen huippuarvoa? 2 p.

1.10 Laserpulssilla irrotetaan metallikappaleesta elektroneja. Miten voidaan kasvattaa irtoavien elektronien liike-energiaa? 2 p.

2.1

Roottorin koolla on merkittävä vaikutus tuulivoimalan tuottamaan sähkötehoon. Roottorin kokoa kuvaa pyyhkäisypinta-ala, joka tarkoittaa roottorin lapojen kärkien piirtämän ympyrän pinta-alaa (kuva 2.A).

Taulukossa 2.B on annettu valmistajien tuulivoimaloille ilmoittamat tehot. Määritä taulukon tietojen perusteella, kuinka paljon tuulivoimalan teho tyypillisesti kasvaa, jos roottorin pyyhkäisypinta-ala kasvaa 25 m². Käytä graafista esitystä.

12 p.

2.2 Nimeä kolme fysikaalisten tieteiden osa-aluetta, joiden asiantuntemusta tarvitaan tuulivoimalan suunnittelussa tai rakentamisessa. 3 p.

3.1 Määritä kaasun paine, kun kaasun lämpötila on saavuttanut loppulämpötilan 24 ˚C. 8 p.

3.2 Selitä käsitteitä lämpö ja työ käyttäen, mitä muutoksia kaasun sisäenergiassa tapahtuu

• kaasun puristuksen aikana
• kaasun lämpötilan muuttuessa kohti laboratorion lämpötilaa.

7 p.

4.1 Mikä on suurin valaistusvoimakkuuden arvo, jolla ledi vielä palaa? 3 p.

4.2 Mikä on ledin kynnysjännitteen arvo? 3 p.

4.3 Mitkä ovat vastusten R₁ ja R_LDR resistanssien arvot, kun valaistusvoimakkuus on 540 lx? 4 p.

4.4 Tarkastellaan niitä valaistusvoimakkuuden arvoja, joilla ledi ei pala. Kasvaako vai pieneneekö piirin valovastuksen resistanssi valovoimakkuuden kasvaessa tällä alueella? 5 p.

5.1 Hissin ollessa paikallaan opiskelija kiinnittää kännykkänsä riippumaan jousivaa’an koukkuun. Vaaka näyttää arvoa 1,93 N. Hissin lähdettyä liikkeelle vaa’an lukema on 2,23 N. Kumpaan suuntaan ja kuinka suurella kiihtyvyydellä hissi liikkuu? 8 p.

5.2 Hissin lähtiessä liikkeelle opiskelija havaitsee jousivaa’an jousen venyvän 4,5 cm lisää. Kuinka suuri on jousivaa’an jousen jousivakio? 7 p.

6.1 Kuinka suuri on ollut Itämeren korkeimpien yksittäisten aaltojen amplitudi? 2 p.

Vastaus: m

6.2 Kuinka suuri on Itämeren tyypillisessä aallokossa korkeimpien aaltojen taajuus? 2 p.

Vastaus: Hz

6.3 Kuinka suurella nopeudella Itämeren tyypillisen aallokon korkeimmat aallot etenevät syvässä vedessä? 2 p.

Vastaus: m/s

6.4 Aalloista annettujen tietojen perusteella voidaan päätellä Itämeren syvyyden olevan tyypillisesti alle 2 p.

6.5 Aalloista annettujen tietojen perusteella voidaan päätellä Itämeren syvyyden olevan tyypillisesti yli 2 p.

6.6 Mitä tarkoittaa aineistossa käytetty termi pyyhkäisymatka? 2 p.

6.7 Tarkastellaan yleisesti tilannetta, jossa veden aallot lähestyvät rantaa vinosti. Ranta on loivasti madaltuva. Mikä seuraavista aaltoliikkeen ominaisuuksista ei tällöin muutu? 3 p.

7.1 Määritä hiukkasen varauksen etumerkki ja hiukkasen massa. 11 p.

7.2 Selitä, miksi hiukkasen on täytynyt kulkea kuvassa nuolella merkittyyn suuntaan eikä päinvastaiseen suuntaan. 4 p.

8.1 Kirjoita reaktioyhtälö välivaiheineen neutronikaappauksesta lopputuotteisiin. 5 p.

8.2 Reaktiossa vapautuu lopulta alfahiukkanen, tytärydin ja gammahiukkanen. Vertaile näiden hiukkasten merkitystä syöpäsolujen paikallisessa tuhoamisessa. 6 p.

8.3 Tekstissä 8.A kerrotaan, että aiemmin boori-neutronikaappaushoidossa tarvitut neutronit saatiin ydinreaktorista. Kerro, kuinka neutroneita tuotetaan ydinreaktorissa. Miten uusi tekniikka eroaa tästä? 4 p.

9.1

Maissipellolle Auringosta tuleva vuosittainen energia pinta-alaa kohden on keskimäärin 1,46 MWh/m².

Laske bioetanoliin pohjautuvan energiantuotannon maksimaalinen hyötysuhde (eli hyödynnettävän energian ja Auringosta tulleen energian suhde), jos korkeintaan 44 % etanolin vapautuvasta energiasta saadaan hyötykäyttöön.

6 p.

9.2

Sekä maissin viljely että varsinainen etanolituotanto vaativat Auringosta tulevan energian lisäksi myös pienen määrän muuta ulkoista energiaa, niin sanottua prosessienergiaa. Prosessin tuotolla tarkoitetaan prosessista saatavan nettoenergian määrän eli tuotetun energian ja prosessienergian erotuksen suhdetta prosessienergiaan.

Laske bioetanoliin pohjautuvan energian tuotto prosentteina, jos viljelyyn ja etanolivalmistukseen kulunut prosessienergia on 7 460 kJ jokaista etanolilitraa kohden.

5 p.

9.3

Bioetanolista saatavan energiantuotannon lisäksi maissia voi hyödyntää myös polttamalla maissinviljelystä syntyvän biojätteen kaukolämpövoimalassa, jossa 85 % biojätteiden sisältämästä energiasta saadaan hyötykäyttöön. Maissipelloille voitaisiin vaihtoehtoisesti asentaa aurinkokennoja viljelyn sijaan. Aurinkokennojen avulla on mahdollista hyödyntää 18 % Auringon säteilevästä energiasta.

Kuinka moninkertainen olisi samalta pellolta kennoilla kerätty aurinkoenergia verrattuna maissinviljelystä saatuun bioenergiaan?

4 p.

9.4

Etanoliauton polttomoottorilla saadaan etanolin energiasta hyötykäyttöön ainoastaan 44 %. Etanolia käyttävässä autossa 65 litran polttoainetankki takaa kuitenkin riittävän toimintasäteen. Sähköauton sähkömoottori hyödyntää sen sijaan jopa 89 % akun varastoituneesta energiasta, mutta tavallisen sähköauton akun energiatiheys on vain noin 150 Wh/kg.

Kuinka suuri pitää sähköauton akun massan olla, jotta täyteen ladatun sähköauton ja täyteen tankatun etanoliauton hyödynnettävien energioiden määrät olisivat yhtä suuret?

5 p.

10.1 Piirrä kuva lieriöön vaikuttavista voimista kuvan 10.B mukaisessa tilanteessa. 4 p.

10.2 Onko lieriöön vaikuttava kitka liuku- vai lepokitkaa? 2 p.

10.3 Aineistossa 10.C on esitetty simuloimalla määritetty lieriöön kohdistuva tukivoima. Miksi tukivoimalla on paikallisia maksimi- ja minimiarvoja? 5 p.

10.4 Videossa 10.A havaitaan, että lieriö irtoaa jossain vaiheessa alustasta. Vastaa aineiston 10.C perusteella, millä ajanhetkellä tämä tapahtuu. 4 p.

10.5 Taulukossa 10.D on esitetty massakeskipisteen tason suuntainen nopeus ajan funktiona. Määritä sopivaa graafista esitystä käyttäen arvo, jota lieriön massakeskipisteen tason suuntainen kiihtyvyys lähestyy liikkeen edetessä. 5 p.

11.1 Intensiteettijakauman muodossa erottuu selkeitä kuoppia kohdissa A ja B. Mikä on kohdan A kuoppaa vastaava aallonpituusväli? Mistä nämä kuopat intensiteettijakaumassa johtuvat? 6 p.

11.2

Mitattuun dataan on sovitettu mustan kappaleen säteilyspektri. Kuinka suuri on sovitteen perusteella maapallon pintalämpötila? Hyödynnä tässä Wienin siirtymälakia taajuuden suhteen esitettynä:

f_{\rm max}=\frac{\alpha}{h}k\,T,

jossa h on Planckin vakio, k on Boltzmannin vakio ja α ≈ 2,8214.

8 p.

11.3 Kuva 11.B esittää yläilmakehästä mitattua lämpösäteilyn intensiteetin alueellista jakaumaa maapallolla. Jakauma on keskiarvoistettu vuosilta 2003–2011. Selitä lyhyesti, mitkä tekijät vaikuttavat säteilyn alueellisiin vaihteluihin. 6 p.