FI – Fysiikka
13.9.2023
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.
Huom.! Tehtävässä 4 on erillinen ohje vastaamatta jättämisestä.
Osa 1: 20 pisteen tehtävä
Vastaa tehtävään 1.1. Monivalintatehtäviä fysiikan eri osa-alueilta 20 p.
Valitse jokaisessa osatehtävässä 1.1–1.10 parhaiten soveltuva vaihtoehto. Oikea vastaus 2 p., väärä vastaus 0 p., ei vastausta 0 p.
1.1 Fissio ja fuusio ovat ydinreaktioita, joita voidaan hyödyntää energian tuotannossa. Mikä seuraavista väitteistä on oikein? 2 p.
1.2 Istahdat kuumassa saunassa puiselle lauteelle, josta pilkistää metallisen naulan kanta. Lauteeseen verrattuna naula tuntuu ihoasi vasten paljon polttavammalta, koska 2 p.
1.3 Auto vetää asuntovaunua ja etenee vaakasuoralla moottoritiellä tasaisella vauhdilla. Asuntovaunuun kohdistuvien voimien summa 2 p.
1.4 Paksun metallilangan halkaisija on kaksinkertainen ohuen langan halkaisijaan verrattuna. Langat ovat yhtä pitkiä. Ohuen langan resistanssi on R. Paksun langan resistanssi on 2 p.
1.5 Matkustat veneellä Helsingistä suoraan Tallinnaan. Kuljet tasan puolet matkasta nopeudella v ja loppuosan nopeudella 2v. 2 p.
1.6 Akvaariossa kelluu muovinen leluvene, jossa on kivi. Kun kivi siirretään veneestä akvaarion pohjalle, vedenpinnan korkeus akvaariossa 2 p.
1.7 Laatikko liukuu pöydällä, ja kitka pienentää sen vauhtia. Kitkavoiman tekemä työ 2 p.
1.8 Maapallon pyörimisakseli on kallistunut noin 23 ° ratatason normaaliin nähden (kuva). Jos kallistuskulma olisi 0 °, 2 p.
1.9 Kun paristokäyttöinen lamppu sytytetään, 2 p.
1.10 Muoviputkeen on työnnetty pulloharja alhaalta (kuva). Pienen kitkavoiman takia harja pysyy putkessa. Kun putken yläpäähän lyödään lujaa kumisella nuijalla, putki liikahtaa alaspäin. Lyönnin seurauksena harja 2 p.
Osa 2: 15 pisteen tehtävät
Vastaa neljään tehtävään.2. Pirttikoski 15 p.
Aineistossa 2.A on veden virtaaman vuorokausikeskiarvo (yksikkönä m3/s) Rovaniemen Pirttikosken voimalaitoksessa 1.2.–31.7.2022.
2.1 Esitä vuorokaudessa virranneen veden tilavuus vuoden alusta lasketun päivän numeron funktiona. 5 p.
2.2 Minkä kuukauden aikana vettä virtasi eniten, ja mikä oli sinä kuukautena virranneen veden kokonaistilavuus? 5 p.
2.3 Pirttikosken voimalaitoksessa vesi putoaa 26 metriä. Kuinka paljon energiaa voimalaitos olisi enintään voinut tuottaa 13.3.2022, jos koko voimalaitoksen läpi virtaavan veden potentiaalienergia olisi voitu hyödyntää? 5 p.
3. Olomuodon muutos 15 p.
Pakastimesta otetaan jääpala, jonka massa on 0,050 kg ja jonka lämpötila on −18,0 ºC. Jääpala pudotetaan lämpöeristettyyn muoviastiaan, jossa on 0,40 kg vettä lämpötilassa +1,0 ºC. Vedessä on lämpömittari. Odotetaan, kunnes mittarin lukema ei enää muutu. Sillä hetkellä astiassa on jääpala ja nestemäistä vettä.
Mikä on lämpötila lopussa? Määritä jääpalan massan muutos.
4. Monivalintatehtäviä virtapiireistä 15 p.
Aineisto
Kuvassa 4.A on kolme virtapiiriä. Kaikki jännitelähteet, vastukset ja johtimet ovat ideaalisia ja keskenään identtisiä. Valitse jokaisessa osatehtävässä tilannetta parhaiten kuvaava vaihtoehto. Oikea vastaus 2 p. tai 3 p., väärä vastaus 0 p., ei vastausta 0 p.
Jos olet aloittanut tehtävään vastaamisen, mutta et haluakaan jättää tehtävää arvosteltavaksi, valitse jokaisessa osatehtävässä vaihtoehto ”En vastaa”.
4.1 Virtapiirin 1 johtimiin on merkitty neljä pistettä A–D. Tarkastellaan potentiaalia pisteissä A, B, C ja D. Tällöin 2 p.
4.2 Tarkastellaan piirin 1 sähkövirtaa pisteissä A–D. Tällöin 2 p.
4.3 Vertaa sähkövirtojen suuruuksia piirin 1 pisteessä C ja piirin 2 pisteessä G. Tulos on, että 2 p.
4.4 Vertaa potentiaalia piirin 1 pisteessä C piirin 2 pisteeseen G. Tulos on, että 2 p.
4.5 Vertaa sähkövirtojen suuruuksia piirin 1 pisteessä C ja piirin 3 pisteessä M. Tulos on, että 2 p.
4.6 Vertaa sähkövirtojen suuruuksia piirin 2 pisteessä E ja piirin 3 pisteessä K. Tulos on, että 2 p.
4.7 Miten piireissä 1, 2 ja 3 kulutetut sähkötehot vertautuvat toisiinsa? 3 p.
5. Automatka 15 p.
Autolla ajetaan tasaisella nopeudella Helsingistä Hyvinkäälle ja sitten Hyvinkäältä takaisin Helsinkiin. Helsingin ja Hyvinkään välinen etäisyys tietä pitkin on 58 km. Helsingissä lähtöpaikan korkeus merenpinnasta on 17 m ja Hyvinkäällä kohteen korkeus merenpinnasta 105 m. Auton massa on 1 600 kg, ja sen bensiinimoottorin hyötysuhde on 24 %. Voit olettaa, että vastusvoimat ovat keskimäärin yhtä suuret meno- ja paluumatkalla. Bensiinin lämpöarvo on 31,2 MJ/l.
5.1 Kuinka monta litraa enemmän bensiiniä kuluu menomatkalla kuin paluumatkalla? 9 p.
5.2 Jos menomatka ajetaan suuremmalla nopeudella kuin paluumatka, miten tämä vaikuttaa bensiininkulutuksen eroon meno- ja paluumatkan välillä? 6 p.
6. Äänet Marsissa 15 p.
Vuonna 2022 NASAn Perseverance-mönkijä onnistui tallentamaan ääniaaltoja Marsin pinnalla. Äänen nopeudeksi Marsissa mitattiin noin 240 m/s alle 400 hertsin taajuuksilla ja noin 250 m/s korkeammilla taajuuksilla. Samanlaisen äänilähteen tuottamat äänet havaittiin Marsissa noin 20 desibeliä heikompina kuin Maassa. Marsin pinnalla kaasukehän tiheys on 0,02 kg/m3, kun taas Maan ilmakehän tiheys merenpinnan tasolla on noin 1,2 kg/m3.
6.1 Miksi ääniaaltojen esiintyminen Marsin kaasukehässä oli merkittävä löydös, joka kohahdutti tiedemaailmaa? 3 p.
6.2 Miten äänen nopeuden ja taajuuden keskinäinen riippuvuus Marsissa eroaa niiden riippuvuudesta Maan pinnalla? 3 p.
6.3 Havainnollistetaan Marsissa havaittua 20 dB:n eroa Maan pinnalla tehtävällä kokeella. Kuinka paljon äänen intensiteettiä Maassa on kasvatettava suhteessa alkuperäiseen intensiteettiin, jos intensiteettitasoa halutaan kasvattaa 20 dB? 5 p.
6.4 Pohdi annettujen tietojen perusteella, millainen olisi puheen tai musiikin kuuntelukokemus Marsissa verrattuna Maahan olettaen, että äänien kuuntelu Marsissa olisi mahdollista ilman suojausjärjestelyjä. 4 p.
7. Deuterium-plasma 15 p.
Korkeassa lämpötilassa materiaali on neljännessä olomuodossa eli plasmana, jota voi kuvata ionisoituneeksi kaasuksi. Plasmamuodossa atomien ytimet ja elektronit liikkuvat vapaana toisistaan. Plasmaa voidaan ohjata sähkö- ja magneettikentillä.
Deuterium on raskas vety, jonka ytimessä on protoni ja neutroni. Näin ollen deuteriumplasma koostuu elektroneista sekä deuteriumytimistä eli deuteroneista.
7.1 Plasmaa sisältävässä laitteessa on aluksi homogeeninen magneettikenttä mutta ei sähkökenttää. Deuteronin ja elektronin alkunopeus on magneettikenttää vastaan kohtisuorassa. Miten deuteroni ja elektroni liikkuvat magneettikentässä? Millä kahdella tavalla niiden liikkeet eroavat toisistaan? 6 p.
7.2 Plasmaa sisältävään laitteeseen, jossa on homogeeninen magneettikenttä, kytketään homogeeninen sähkökenttä, joka on samansuuntainen magneettikentän kanssa. Deuteronin alkunopeus on magneettikenttää vastaan kohtisuorassa. Selitä, miksi sähkökentän kytkemisen jälkeen deuteroni liikkuu kuvan 7.A mukaista ruuviviivan muotoista rataa. 5 p.
7.3 Fuusioreaktorissa polttoaine on plasmana. Miksi juuri sähkö- ja magneettikenttiä käytetään fuusioreaktorissa plasman ohjaamiseen? Miksi plasma pyritään pitämään tiheänä? 4 p.
8. Jodihoito 15 p.
Aineisto
Kilpirauhassyöpää hoidetaan poistamalla kilpirauhanen leikkauksella. Jäljelle jäänyt rauhaskudos tuhotaan radioaktiivisella jodin isotoopilla I-131, sillä kehossa jodia kertyy erityisesti kilpirauhaskudokseen. Tutustu tekstiin 8.A ja vastaa osatehtäviin 8.1–8.3.
8.1 Kirjoita I-131:n hajoamisyhtälö. 3 p.
8.2 Hajoamisen seurauksena syntyy myös gammasäteilyä, kun tytärytimen viritystila purkautuu. Määritä gammasäteilyn puoliintumispaksuus. Vertaile jodihoidossa syntyneen beeta- ja gammasäteilyn soveltuvuutta syöpäsolujen tuhoamiseen. 6 p.
8.3 Potilaalle juotetaan I-131:tä sisältävää nestettä, jonka aktiivisuus on 6,5 GBq. Jodista 20 % sitoutuu jäljelle jääneeseen kilpirauhaskudokseen ja loppuosa leviää ympäri kehoa. Kuinka monta täyttä vuorokautta radioaktiivisen jodin antamisesta pitää odottaa, kunnes potilas voidaan kotiuttaa? 6 p.
Osa 3: 20 pisteen tehtävät
Vastaa kahteen tehtävään.9. Juoksupyöränosturi 20 p.
Antiikin ja keskiajan rakennustyömailla käytettiin laajalti videon 9.A esittämää juoksupyöränosturia. Kun ihminen kävelee juoksupyörän sisällä, kuormaan kiinnitetty köysi kelautuu juoksupyörän akselille asennetun rummun ympärille ja kuorma nousee. Kuvassa 9.B hahmotetaan juoksupyöränosturin rakennetta sivulta ja edestä nähtynä. Kuvassa nosturia on yksinkertaistettu, ja siinä esitetään vain nosturin toimintaperiaatteen ymmärtämisen kannalta olennaiset osat. Juoksupyörän halkaisija on 4,0 m ja rummun halkaisija on 0,34 m. Kuorman massa on 420 kg ja henkilön massa on 81 kg. Laitteistossa esiintyvää kitkaa ei oteta huomioon.
9.1 Selitä sopivan kuvion avulla, mitkä voimat aiheuttavat momentin rummun ja juoksupyörän yhteisen akselin suhteen. Mihin kohtaan juoksupyörällä ihmisen on asetuttava seisomaan, jotta kuorma alkaisi nousta? Anna vastauksesi pystysuunnan ja ihmisen jalkaterien kautta kulkevan juoksupyörän säteen välisen kulman α avulla. 12 p.
9.2 Kun ihminen alkaa kävellä, juoksupyörä pyörii tasaisesti 2,0 kierrosta minuutissa. Määritä kuorman nopeus ja nosturin teho. 4 p.
9.3 Antiikin Roomassa juoksupyöränostureilla nostettiin ihmisvoimin useiden tonnien kuormia esimerkiksi Colosseumia ja Pantheonia rakennettaessa. Millä eri tavoilla kuvan 9.B esittämää nosturia voidaan kehittää, jotta sillä olisi mahdollista nostaa raskaampia kappaleita? 4 p.
10. Sukellus 20 p.
Aineisto
- Teksti: Sukellustaulukkojen tärkeys turvallisessa sukeltamisessa
- Taulukko: Enimmäissukellusaika eri syvyyksissä ilman dekompressiopysähdysten tarvetta
- Taulukko: Uusintasukelluksen enimmäiskesto sukelluksien välisen tauon funktiona, kun ensimmäinen sukellus 24 metrin syvyyteen on kestänyt 35 minuutin enimmäisajan
Lue teksti 10.A sukellustaulukkojen hyödyistä ja vastaa osatehtäviin 10.1–10.4.
10.1 Määritä sukeltajan kehoon vaikuttava paine 65 metrin syvyydessä, jos ilmanpaine meren pinnan tasolla on 101,3 kPa. 3 p.
10.2 Erittäin pitkäkestoisessa sukelluksessa 65 metrin syvyydessä sukeltaja on hengittänyt paineistettua tavallista ilmaa, jossa on 78 % typpeä. Sukeltaja nousee liian äkillisesti pintaan, eikä yhtään ylimääräistä typpeä ehdi poistua sukeltajan kehosta. Määritä sukeltajan vereen ylimääräisestä typestä aiheutuneiden kuplien kokonaistilavuus millilitroissa. Sukeltajan veren tilavuus ja lämpötila ovat 5,0 litraa ja 37 °C. Ilmanpaine meren pinnan tasolla on 101,3 kPa. Henryn lain mukainen verrannollisuuskerroin typelle on 6,0 μmol/(m3 · Pa). 7 p.
10.3 Määritä taulukon 10.B ja jonkin graafiseen esitykseen tehdyn sovituksen avulla enimmäisaika, jonka sukeltaja voi viipyä 10 metrin syvyydessä ilman että hänen on tarpeen tehdä erillistä dekompressiopysähdystä nousun aikana. 4 p.
10.4 Määritä taulukon 10.C ja graafiseen esitykseen tehdyn sovituksen avulla ihmiskehon ylimääräisen typen puoliintumisaika eli aika, jossa puolet ylimääräisestä typestä on poistunut sukeltajan kehosta. 6 p.
11. Kylmälaukku 20 p.
Aineisto
Tavalliseen vaihtojännitteeseen (~ 230 V) kytkettäviä laitteita voidaan käyttää autossa vaihtosuuntajan eli invertterin avulla. Invertteri tuottaa auton akun 12 V:n tasajännitteestä vaihtojännitettä.
11.1 Invertteriin kytketty kylmälaukku jää toimimaan pienellä teholla pysäköinnin jälkeen. Kuinka kauan kestää, että auton akun varaustila laskee täydestä 20 %:iin, kun kylmälaukku toimii jatkuvasti keskimääräisellä 35 watin teholla? Invertterin hyötysuhde on 87 %, ja auton akun kapasiteetti on 60 Ah. 4 p.
11.2 Invertteriltä täydellä teholla toimivalle kylmälaukulle menevän sähkövirran suuruus ja jännite mitattiin (aineisto 11.A). Määritä kylmälaukun keskimääräinen tehonkulutus. 10 p.
Kokeen tehtävät loppuvat tähän.
Lähteet
- 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.