FI – Fysiikka
27.3.2024
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. Monivalintatehtäviä fysiikan eri osa-alueilta 20 p.
Valitse jokaisessa osatehtävässä parhaiten soveltuva vaihtoehto. Oikea vastaus 2 p., väärä vastaus 0 p., ei vastausta 0 p.
1.1 Kahdeksasluokkalainen mittaa 60 metrin juoksuun kuluvan ajan älypuhelimen ajanottotoiminnolla. Millä tarkkuudella tulos on mielekästä ilmoittaa? 2 p.
1.2 Missä seuraavista mittaustuloksista on suurin suhteellinen virhe? 2 p.
1.3 Mikä on kodin sähkösaunan energiankulutuksen suuruusluokka yhdellä saunomiskerralla? 2 p.
1.4 Mikä seuraavista matkustusmuodoista kuluttaa eniten energiaa yhtä henkilöä ja yhtä kilometriä kohti? 2 p.
1.5 Miten ilmakehän kasvihuonekaasut lämmittävät maapalloa? 2 p.
1.6 Millä voimalaitostyypillä Suomessa tuotetun sähköenergian määrä on kasvanut eniten 2020-luvulla? 2 p.
1.7 Mikä perusvuorovaikutuksista on voimakkain hyvin pienillä etäisyyksillä (< 1 fm)? 2 p.
1.8 Kuinka suuri osa maailmankaikkeuden koostumuksesta on tuntemaamme tavallista ainetta? 2 p.
1.9 Kuulakärkikynän kierrejousta puristetaan kokoon 2,5 N:n voimalla, jolloin se lyhenee 0,1 cm. Voidaanko tämän perusteella päätellä, että 2 500 N:n voimalla venytettäessä kyseisen jousen pituus kasvaa 100 cm? 2 p.
1.10 Havaitusta uudesta fysikaalisesta ilmiöstä luotiin malli, jonka pätevyyttä testattiin kokeellisesti. Mallin mukainen ennuste ja kokeellinen tulos olivat ristiriidassa. Miten tutkimuksen tulee edetä tästä? 2 p.
Osa 2: 15 pisteen tehtävät
Vastaa neljään tehtävään.2. Omenamehupuristin 15 p.
Omenamehupuristimella (kuva 2.A) tehdään omenoista tuoremehua. Omenat murskataan ja pannaan suodatinpussiin ja edelleen kuvassa näkyvään metalliastiaan. Metalliastian seinät ovat täynnä reikiä, jotta mehu pääsee valumaan ulos. Puristimen kampea pyörittämällä mäntä painuu alaspäin ja puristaa omenamurskaa.
Puristimen kampea kierrettiin yksi kierros kerrallaan ja ulos valuneen mehun tilavuus mitattiin. Mittaustulokset on esitetty aineistossa 2.B.
2.1 Esitä graafisesti mehun tilavuus männän ylimmästä asemastaan liikkuman matkan funktiona. Yksi kammen kierros vastaa 4,0 mm:n pystysuoraa liikettä. Esityksessä tulee näkyä mittaustuloksia vastaavat pisteet, mutta ei pisteitä yhdistäviä viivoja. 5 p.
2.2 Kuten kuvasta 2.A näkyy, kampea pitää kiertää useita kierroksia ennen kuin mäntä saavuttaa omenamurskeen. Määritä osatehtävässä 2.1 piirtämääsi kuvaajaa pohjana käyttäen, kuinka paljon mehua omenoista saatiin ennen kuin mäntä saavutti murskeen. 4 p.
2.3 Omenoiden puristusta jatkettiin siihen asti, että kampea oli kierretty yhteensä 79 kierrosta. Mehua saatiin samassa suhteessa tilavuuden pienenemiseen verrattuna. Arvioi graafista esitystä käyttäen, kuinka paljon mehua omenoista kokonaisuudessaan saatiin. 6 p.
3. Uudenvuodentinojen valaminen 15 p.
Tinojen valaminen on suomalainen uudenvuodenperinne. Liedellä sulatetaan pienessä kauhassa kiinteää ainetta, usein pienen hevosenkengän muotoista tinapalaa. Sula aines kaadetaan nopeasti kylmään veteen, jossa se jähmettyy satunnaiseen muotoon. Aiemmin tinapala oli lyijyä, mutta 2020-luvulla lyijyn käyttäminen kiellettiin ympäristösyistä. Jotkut käyttävät metallin korvikkeena tavallista kidesokeria. Kidesokerin ominaisuuksia on esitetty taulukossa 3.A.
3.1 Osoita, että kidesokerin sulattamiseen tarvitaan 8,2 kJ energiaa, jos huoneenlämpöistä (21°C) sokeria otetaan kaksi ruokalusikallista (30 ml). 7 p.
3.2 Osatehtävän 3.1 sokerimäärä sulatetaan levyllä, jonka teho on 1 200 W. Sulaminen kestää 2,5 minuuttia. Määritä sulattamisen hyötysuhde. 4 p.
3.3 Video 3.B esittää rinnakkain lyijyn ja sokerin kuumentamista liedellä samoissa olosuhteissa. Lyijykimpale sulaa kokonaan lyhyen ajan kuluessa, mutta sokerikekoa sulatettaessa osa sokerista ei sula pitkään aikaan. Mistä ero johtuu? 4 p.
4. Voimat 15 p.
Valitse osatehtävien tilanteissa voimakuvioista A–D se, joka kuvaa parhaiten tarkasteltavaan kappaleeseen vaikuttavia ulkoisia voimia. Kappale liikkuu kaikissa tilanteissa oikealle. Kirjoita vastauskenttään valitsemasi voimakuvion kirjain ja nimeä tähän voimakuvioon piirretyt voimat.
4.1 Ilmassa lentävä nuoli. 4 p.
4.2 Heiton jälkeen jään pinnalla liukuva curling-kivi. 5 p.
4.3 Uimarin selkään hihnalla kiinnitetty, vedessä liikkuva uimapoiju. 6 p.
5. Eksoplaneetan kiertoaika 15 p.
Aineisto
Vierasta tähteä kiertävää planeettaa kutsutaan eksoplaneetaksi. Eksoplaneetta voidaan löytää esimerkiksi siten, että tähden valon intensiteetin havaitaan pienenevän aina, kun eksoplaneetta kulkee tähden editse (kuva 5.A).
5.1 Kuvassa 5.B on esitetty erään tähden valon suhteellisen intensiteetin ajallinen vaihtelu Kepler-satelliitin mittaamana. Kuinka monta prosenttia tähden pinta-alasta planeetta enimmillään peittää? 3 p.
5.2 Määritä kuvan 5.B avulla tähteä kiertävän eksoplaneetan kiertoaika. 4 p.
5.3 Täydennä eksoplaneetan voimakuvio kuvaan 5.C tai vastaavaan itse piirtämääsi kuvaan. Liitä kuvakaappaus vastaukseesi. Eksoplaneetan kiertorata on likimain ympyrä. Laske ympyräradan säde, kun tähden massa on 1,52 kertaa Auringon massa. 8 p.
6. Pölyhiukkanen kondensaattorissa 15 p.
Levykondensaattorin levyjen välinen ilmarako on 2,6 mm. Kondensaattori kytketään jännitelähteeseen, jonka lähdejännite on 36 V. Tällöin positiivisesti varautuvalla levyllä ollut pölyhiukkanen saa 5,7 pC:n varauksen ja irtoaa levyltä. Hiukkasen massa on 3,3 mg.
6.1 Kuinka suuri on sähkökentän voimakkuus levyjen välissä, ja minkä suuntainen se on? 4 p.
6.2 Kuinka suuri on pölyhiukkaseen kohdistuva sähköinen voima? 3 p.
6.3 Tarkastellaan vain hiukkaseen vaikuttavaa sähköistä voimaa. Millaista hiukkasen liike on? Kuinka pitkä aika hiukkaselta kuluu matkaan kondensaattorin negatiivisesti varautuneelle levylle, kun hiukkanen lähtee levosta? 8 p.
7. Leijulauta 15 p.
Aineisto
Vuonna 1989 ilmestyneessä Paluu tulevaisuuteen II -elokuvassa päähenkilö Marty McFly matkustaa aikakoneella tulevaisuuteen vuoteen 2015. Marty käyttää tulevaisuuden kaupungissa liikkumiseen leijulautaa.
Vuonna 2015 esiteltiin leijulaudan prototyyppi, jolla voi leijailla kuparilattian päällä (kuva 7.A). Leijulaudan sisällä olevat moottorit pyörittävät kestomagneetteja.
7.1 Miksi leijulaudan pyörivät magneetit mahdollistavat leijumisen kuparilattian päällä? 6 p.
7.2 Miksi leijuminen ei onnistu asfaltin päällä? 3 p.
7.3 Mitä voimia lautaan vaikuttaa kuvan 7.A tilanteessa? 3 p.
7.4 Miksi lattia lämpenee, vaikka lauta ei kosketa lattiaa? 3 p.
8. Ydinvoimalaitos Olkiluoto 3 15 p.
Olkiluoto 3 on ydinvoimalaitos Suomen länsirannikolla. Se tuottaa sähköä 1 600 MW:n teholla, ja sähköntuotannon hyötysuhde on 0,375. Käyttösuunnitelman mukaan laitos käy täydellä teholla yhtämittaisesti 330 vuorokautta vuodessa. Noin kuukauden kestävän käyttökatkon aikana laitosta huolletaan ja 32 tonnia käytettyä polttoainetta korvataan tuoreella polttoaineella seuraavaa käyttöjaksoa varten.
Ydinvoimalaitoksen energiantuotanto perustuu uraanin fissioreaktioon, jossa uraaniydin halkeaa kahdeksi keskiraskaaksi ytimeksi. Kussakin fissioreaktiossa vapautuu keskimäärin 0,20 GeV energiaa, jolla tuotetaan höyryä. Höyry pyörittää turbiinia ja turbiini generaattoria, joka tuottaa sähköenergiaa.
8.1 Kuinka monta fissioreaktiota tapahtuu sekunnissa Olkiluoto 3 -ydinvoimalaitoksessa, kun se käy täydellä teholla? 4 p.
8.2 Kuinka paljon polttoaineen massaa katoaa fissioreaktioiden takia vuodessa, kun laitos toimii käyttösuunnitelman mukaisesti? 4 p.
8.3 Jos saman sähkötehon tuottamiseen käytetään kivihiilivoimalaitosta, tarvittavan kivihiilen massa on 100 000-kertainen uraanipolttoaineen massaan verrattuna. Mistä tämä ero johtuu? 4 p.
8.4 Hiilivoima ja ydinvoima aiheuttavat käytön aikana ympäristölle haittoja ja riskejä. Kuvaile kolme merkittävää eroa hiilivoimalan ja ydinvoimalan välillä käytön aikaisissa haitoissa ja riskeissä. 3 p.
Osa 3: 20 pisteen tehtävät
Vastaa kahteen tehtävään.9. Aurinkovoimala 20 p.
Aineisto
Kuvassa 9.A on esitetty eteläsuomalaisen omakotitalon katolla olevista 18 aurinkopaneelista muodostuvan pienvoimalan tuottama sähköteho 3.8.2022. Kuvasta voidaan havaita, että teho vaihtelee nopeasti paneeleihin osuvan valon määrän mukaan. Taulukossa 9.B on esitetty aurinkopaneeleiden tuottama sähköteho ajan funktiona keskiyöstä alkaen useana päivänä samalla viikolla.
9.1 Aurinkopaneelien energiantuotanto riippuu kellonajasta. Ilmeisin tähän vaikuttava asia on se, että elokuussa aurinko nousee kello 5:n aikoihin ja laskee kello 22:n aikoihin. Mainitse kolme muuta asiaa, jotka vaikuttavat siihen, että energiantuotanto muuttuu vuorokauden mittaan. 3 p.
9.2 Kuinka paljon energiaa tällä pienvoimalalla pystyisi enimmillään tuottamaan yhdessä vuorokaudessa elokuun alussa? Laadi taulukon 9.B perusteella sopiva graafinen esitys, josta määrität enimmillään tuotettavissa olevan energian. 9 p.
9.3 Mihin aikaan päivästä ja kuinka pitkällä aikavälillä paneelien energiantuotanto olisi suurimmillaan osatehtävän 9.2 mukaisessa ideaalitilanteessa? 4 p.
9.4 Valmistajan antamien tietojen mukaan aurinkopaneelit pystyvät muuttamaan 19 % niihin osuvasta auringon säteilyenergiasta sähköenergiaksi. Mainitse kaksi seikkaa, jotka vaikuttavat siihen, että kaikkea paneeleihin osuvaa säteilyenergiaa ei voida muuttaa sähköenergiaksi. 4 p.
10. Autorata 20 p.
Leikkiauto kulkee autoradalla, jossa on kolme ympyränmuotoista pystysuoraa silmukkaa (video 10.A). Auto laukaistaan matkaan. Sopivalla alkuvauhdilla se kiertää kaikki kolme silmukkaa ja lennähtää sen jälkeen hyppyristä muoviastiaan. Silmukoiden halkaisijat ovat 51 cm, 38 cm ja 25 cm. Leikkiauton massa on 37 g.
10.1 Auto kulkee autoradan korkeimmassa kohdassa ylösalaisin mutta pysyy radalla. Mikä on sen pienin mahdollinen nopeus tässä kohdassa? 6 p.
10.2 Auto lähetetään radalle nopeudella 3,1 m/s. Radan läpi kulkenut auto lennähtää hyppyristä 32 cm:n korkeuteen ja laskeutuu takaisin radan tasolle 15 cm:n etäisyydelle lentoradan korkeimmasta kohdasta (kuva 10.B). Autoon ilmalennon aikana kohdistuvat vastusvoimat voidaan olettaa merkityksettömiksi, joten hypyn aikana auton nopeuden vaakasuora komponentti pysyy vakiona, mutta pystysuora komponentti muuttuu tasaisesti. Kuinka suuri oli autoon kohdistuvien vastusvoimien tekemä työ koko radan matkalla? 7 p.
10.3 Eri leikkiautot toimivat radalla hieman eri tavalla. Valitaan leikkiauto, jonka alkuvauhti ja vastusvoimat ovat sellaiset, että auto ohittaa ensimmäisen ja toisen silmukan korkeimmat kohdat pienimmillä mahdollisilla nopeuksilla. Pääseekö leikkiauto myös kolmannen silmukan läpi? Voit olettaa, että autoon vaikuttavat vastusvoimat ovat keskimäärin yhtä suuria radan kaikissa silmukoissa. 7 p.
11. Röntgendiffraktio ja elektronidiffraktio 20 p.
Tekstissä 11.A on kuvattu röntgendiffraktion ja elektronidiffraktion käyttöä kiteisen aineen rakenteen tutkimuksessa. Hyödynnä tekstiä vastatessasi osatehtäviin.
11.1 Johda aineiston 11.A kuvaa apuna käyttäen Braggin laki 2d sin θ = nλ, jossa θ on säteilyn ja atomitason välinen kulma, λ on säteilyn aallonpituus ja n on diffraktion kertaluku. 5 p.
11.2 Kuvassa 11.B on raudasta mitattu röntgendiffraktiokuvaaja, jossa näkyy kolme ensimmäisen kertaluvun (n = 1) intensiteettimaksimia. Mittaus tehtiin säteilyllä, jonka aallonpituus oli λ = 0,15406 nm. Mikä intensiteettimaksimeista (a, b, c) vastaa pienintä atomitasojen välistä etäisyyttä? Määritä kyseinen etäisyys. 5 p.
11.3 Eräässä röntgendiffraktiokokeessa käytetään molybdeenin niin sanottua Kα-röntgensäteilyä, jonka energia on 17,48 keV. Toisessa diffraktiokokeessa käytetään röntgensäteilyn sijasta elektroneja. Määritä elektronien nopeus prosentteina valon nopeudesta, kun elektronien de Broglien aallonpituus on yhtä suuri kuin röntgensäteilyn aallonpituus. 6 p.
11.4 Kuinka suuri kiihdytysjännite tarvitaan elektronien kiihdyttämiseksi osatehtävässä 11.3 kysyttyyn nopeuteen? 4 p.
Kokeen tehtävät loppuvat tähän.
Lähteet
- Lähde: YTL.
- Lähde: pixelboomcg. pixelboom.it. Pond5. https://images.pond5.com/flying-arrow-battle-animated-background-footage-087069131_prevstill.jpeg. Muokkaus: YTL.
- Lähde: Lilian Suwanrumpha / Getty. Daily Mail and General Trust plc.. Metro. https://metro.co.uk/wp-content/uploads/2022/02/PRI_221992808.jpg?quality=90&strip=all&zoom=1&resize=644%2C429. Julkaistu: 7.2.2022. Viitattu: 13.1.2023. Muokkaus: YTL.
- Lähde: Libor Janek. Mainos. 360swim. https://360swim.com/eshop/img/safety/italy-sestri-lavante-floating.jpg. Viitattu: 13.1.2023. Muokkaus: YTL.