FI – Fysiikka

24.9.2024

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 Kun jääpala sulaa vesilasissa, 2 p.

1.2 Jäätiköiden sulamisesta puhutaan paljon. Kun jäätikkö sulaa, 2 p.

1.3 Kun kitaran kieli värähtelee, 2 p.

1.4 Päistään kiinnitetty kitaran kieli värähtelee vapaana ja siitä syntyy ilmassa etenevä aalto. Kun kitaran kielen värähtelytaajuus kasvatetaan kaksinkertaiseksi, 2 p.

1.5 Kun pariston napoihin on kytketty vastus, vastuksessa 2 p.

1.6 Kun 1,5 kΩ:n vastus on kytketty 1,5 V:n pariston napojen väliin, vastuksen napojen välinen jännite on 1,5 V. Pidetään ensimmäinen vastus paikallaan ja kytketään saman pariston napojen väliin lisäksi kaksi keskenään sarjaan kytkettyä 1,5 kΩ:n vastusta. Tällöin ensimmäisen vastuksen napojen välinen jännite on 2 p.

1.7 Valitse oikea vaihtoehto. 2 p.

1.8 Valitse oikea vaihtoehto. 2 p.

1.9 Atomiytimen alfahajoamisessa ydin emittoi 2 p.

1.10 Parinmuodostuksessa 2 p.

Osa 2: 15 pisteen tehtävät

Vastaa neljään tehtävään.

2. Aitajuoksu 15 p.

Aineisto

  1. Mittausaineisto: McLaughlin: 400 metrin aitajuoksun juoksuvauhti ajan funktiona
  2. Mittausaineisto: Muhammad: 400 metrin aitajuoksun juoksuvauhti ajan funktiona
Vuonna 2021 aitajuoksija Sydney McLaughlin juoksi Yhdysvaltojen olympiakarsinnoissa 400 metrin aitajuoksun maailmanennätysajaksi 51,90 s. Samassa kilpailussa toiseksi tullut Dalilah Muhammad johti kilpailun alussa, mutta hävisi lopulta muutamilla sekunnin kymmenesosilla. Kilpailijoiden juoksuvauhti ajan funktiona on annettu mittausaineistoissa 2.A ja 2.B.

2.1 Laadi graafinen esitys McLaughlinin vauhdista ajan funktiona. Juoksun keskivaiheilla vauhdin voidaan havaita muuttuvan tasaisesti. Määritä kiihtyvyyden suuruus aikavälillä 8,0 s – 45 s. 7 p.

 

2.2 Juoksun keskivaiheilla McLaughlin pystyi kirimään Muhammadin etumatkan kiinni. Määritä graafisen esityksen avulla molempien juoksema matka aikavälillä 0–26 s. Kumpi johti kilpailua, kun matkaa oli juostu 26 sekuntia? 5 p.

 

2.3 Kuinka pitkän juoksumatkan jälkeen McLaughlin ohitti Muhammadin? 3 p.

 

3. Ilmalämpöpumppu 15 p.

Aineisto

  1. Kuva: Ilmalämpöpumpun energiavirtakaavio

Taloa jäähdytetään kuumana kesäpäivänä ilmalämpöpumpulla, joka siirtää lämpöä talon sisältä ulkoilmaan. Jäähdytyksen ansiosta talon sisälämpötila on 21 ˚C, kun ulkoilman lämpötila on 25 ˚C. Taloa jäähdyttävän ilmalämpöpumpun suorituskyky on 3,2. Lämpöpumppu kuluttaa tunnin aikana 1,6 kWh sähköenergiaa.

Ilmalämpöpumpussa on sisäyksikkö ja ulkoyksikkö. Talon ulkoseinään kiinnitetty ulkoyksikkö tekee työn lämmön siirtämiseen sisältä ulos. Ilmalämpöpumpun energiavirrat on esitetty kuvassa 3.A. Ilmalämpöpumpun suorituskyky jäähdytyksessä on talosta lämpönä pois siirretyn energian suhde pumpun tarvitsemaan sähköenergiaan.

3.1 Kuinka paljon lämpöä (yksikkönä kWh) siirtyy pois talosta tunnissa? 5 p.

 

3.2 Kuinka paljon lämpöä (yksikkönä kWh) siirtyy ulkoilmaan tunnissa? 5 p.

 

3.3 Ulkoilman lämpötila nousee 32 ˚C:een. Kuinka suuri lämpöpumpun sähkötehon tulee olla, jos talon sisälämpötilana halutaan edelleen pitää 21 ˚C? Voit olettaa, että lämpöpumpun suorituskyky ei riipu lämpötilasta. Voit olettaa myös, että lämpöä siirtyy taloon ulkoilmasta vain johtumalla ja johtumisen teho on verrannollinen lämpötilaeroon. 5 p.

 

4. Maanvyöry 15 p.

Kalliosta on irronnut lohkare, jonka massa on 2 200 kg. Se lähtee liikkeelle ja liukuu kallionrinnettä alaspäin. Rinteen kaltevuuskulma on 28º. Lohkareen ja kallionrinteen välinen liukukitkakerroin on 0,40.

4.1 Määritä lohkareen kiihtyvyys. 8 p.

 

4.2 Johda lauseke, joka esittää lohkareen liike-energiaa ajan funktiona. Laadi johtamasi lausekkeen avulla graafinen esitys liike-energiasta ajan funktiona välillä 0–10 s. 7 p.

 

5. Mars ja sen kuut 15 p.

Aineisto

  1. Taulukko: Mars, Phobos ja Deimos
  2. Animaatio: Phobosin ja Deimosin kiertoradat Marsin ympäri
Mars-planeetalla on kaksi kuuta, Phobos ja Deimos, joista suurempi Phobos kiertää lähempänä planeettaa ja pienempi Deimos kauempana. Kuiden kiertoradat ovat Marsin päiväntasaajan tasossa, ja radat ovat varsin tarkasti ympyränmuotoiset. Tietoja Marsista ja sen kuista on taulukossa 5.A ja kuiden kiertoradat on esitetty animaatiossa 5.B.

5.1 Laske Phobosin ja Deimosin välisen voiman suuruus, kun ne ovat lähimpänä toisiaan. Laske myös Mars-planeetan ja Deimosin välisen voiman suuruus. Mikä on voimien suuruuksien suhde? 6 p.

 

5.2 Piirrä Phobosin voimakuvio ja määritä Marsin massa Phobosin kiertoradan ominaisuuksien perusteella. Määritä sitten Marsin massa Deimosin kiertoradan ominaisuuksien perusteella. Miten tarkasti voit saamiesi tulosten perusteella ilmoittaa Marsin massan? 9 p.

 

6. Millikanin koetta mukaillen 15 p.

Kahden vaakasuuntaisen kondensaattorilevyn välissä havaitaan paikallaan leijuva öljypisara kuvan mukaisesti. Pisara on varautunut siten, että siinä on ylimääräisiä elektroneja. Levyjen välinen etäisyys on d = 2,0 cm ja jännite niiden välillä on 505 V. Öljypisaran säde on r = 1,1 µm ja öljyn tiheys on 753 kg/m3.

6.1 Piirrä pisaran voimakuvio. Kumpi levy, A vai B, on negatiivisesti varautunut? Perustele. 5 p.

 

6.2 Kuinka monta ylimääräistä elektronia öljypisarassa on? 10 p.

 

7. Sähkölukko 15 p.

Aineisto

  1. Kuva: Sähkölukko

Ovessa oleva sähkölukko avataan viemällä kulkutunniste lähelle lukulaitetta (kuva 7.A). Lukulaite luo ympärilleen magneettikentän, jossa tunniste aktivoituu ja oikean tunnisteen tapauksessa lukulaite avaa lukon.

Tunnisteen sijasta lukulaitteen pinnalle asetettiin käämi. Sen johtimien päiden välille oli kytketty vastus, jonka resistanssi oli 330 Ω kuvan 7.A mukaisesti. Tällöin oskilloskoopin avulla mitattiin vastuksen napojen välillä korkeataajuinen sinimuotoinen vaihtojännite, jonka amplitudi oli 1,2 V. Käämin oma resistanssi oli pieni, eikä käämi liikkunut mittauksen aikana.

7.1 Selitä miten vastuksen napojen välinen jännite syntyy. 4 p.

 

7.2 Käämiin kytketty vastus korvattiin toisella vastuksella, jonka resistanssi oli 1,0 kΩ. Kuinka suuri oli vaihtojännitteen amplitudi tämän vastuksen napojen välillä? Perustele vastauksesi. 4 p.

 

7.3 Käämiä siirrettiin kauemmaksi lukulaitteesta. Miksi mitatun jännitteen amplitudi pienenee? 4 p.

 
Valitse osatehtävässä 7.4 parhaiten soveltuva vaihtoehto. Vastattuasi osatehtävään voit vaihtaa vastausvaihtoehtoa, mutta et voi jättää osatehtävää enää kokonaan ilman vastausta. Jos olet aloittanut tehtävään vastaamisen, mutta et haluakaan jättää tehtävää arvosteltavaksi, merkitse vaihtoehto ”En vastaa.”. Oikea vastaus 3 p., väärä vastaus 0 p., ei vastausta 0 p.

7.4 Kuvissa on esitetty kuusi mahdollista kuvaajaa magneettivuon tiheydelle B (paksu yhtenäinen viiva). Jokaiseen kuvaajaan on piirretty myös vastuksen napojen välinen jännite V (katkoviiva) vertailun helpottamiseksi. Mikä kuvaajista vastaa parhaiten magneettivuon tiheyttä ajan funktiona käämin kohdalla? 3 p.

8. Ydinreaktioita varhaisessa maailmankaikkeudessa 15 p.

Aineisto

  1. Teksti ja kuva: Kevyiden ytimien synty
Lue aineisto 8.A ja vastaa seuraaviin osatehtäviin.

8.1 Laske, mikä oli neutronien osuus nukleoneista (R), kun maailmankaikkeuden lämpötila oli T=1,0\cdot 10^{10}\,{\rm K}. 5 p.

 

8.2 Kirjoita reaktioyhtälö reaktiolle, jossa neutroni muuttuu protoniksi. 2 p.

 

8.3 Kirjoita reaktioiden ketju, jossa protoneista ja neutroneista lopulta syntyy helium-4-ydin. Ketjun tulee olla sellainen, että kussakin reaktioyhtälössä vasemmalla puolella on vain kaksi hiukkasta tai ydintä. 3 p.

 

8.4 Tarkastele aineiston 8.A kuvaa. Mitä voidaan kuvan perusteella päätellä sen esittämästä teoreettisesta mallista suhteessa havaintoihin? Arvioi karkeasti heliumin ja vedyn massaosuuksien suhde kuvan havaintoja vastaavasta kohdasta. 5 p.

 

Osa 3: 20 pisteen tehtävät

Vastaa kahteen tehtävään.

9. Trampoliini 20 p.

Aineisto

  1. Taulukko: Trampoliinilla hyppivän fyysikon sijainti ajan funktiona
  2. Teksti: Trampoliinilla hyppimisen mekaniikkaa
Fyysikko hyppii trampoliinilla siten, että hän on osan hypystä ilmassa. Taulukossa 9.A on fyysikon sijainti pystysuunnassa eräinä ajan hetkinä. Tekstissä 9.B selitetään hyppimiseen liittyvää mekaniikkaa.

9.1 Selitä, miten taulukon 9.A perusteella voidaan laskea fyysikon nopeus. Piirrä kuvaaja, joka esittää fyysikon nopeutta kaikilla taulukon 9.A ajan hetkillä. 6 p.

 
Valitse jokaisessa osatehtävässä 9.2–9.4 parhaiten soveltuva vaihtoehto. Vastattuasi osatehtävään voit vaihtaa vastausvaihtoehtoa, mutta et voi jättää osatehtävää enää kokonaan ilman vastausta. Jos olet aloittanut tehtävään vastaamisen, mutta et haluakaan jättää tehtävää arvosteltavaksi, merkitse jokaiseen osatehtävään vaihtoehto ”En vastaa.”. Oikea vastaus 1 p., väärä vastaus 0 p., ei vastausta 0 p.

9.2 Mikä liikkeen malli kuvaa fyysikon liikettä ajan hetkellä t = 0,1\,{\rm s}? 1 p.

9.3 Mikä liikkeen malli kuvaa fyysikon liikettä ajan hetkellä t = 0,5\,{\rm s}? 1 p.

9.4 Millä ajan hetkellä liikkeen tyyppi muuttuu seuraavan kerran ajanhetken t = 0,5\,{\rm s} jälkeen? 1 p.

9.5 Määritä fyysikon suurin kiihtyvyys. 4 p.

 

9.6 Johda lauseke suurimmalle amplitudille A jolla fyysikon jalat eivät irtoa trampoliinilta. Käytä apunasi tekstiä 9.B. Mikä on suurin mahdollinen amplitudi, jolla jalat eivät irtoa trampoliinilta, jos fyysikon massa on 68 kg ja trampoliinin "jousivakio" on 4 600 N/m? 7 p.

 

10. Vesipullo 20 p.

Aineisto

  1. Kuva: Täysi vesipullo
  2. Taulukko: Veden lämpötila ajan funktiona
  3. Kuva: Jäähdytetty tyhjä pullo
Puolen litran vesipullo (kuva 10.A) otettiin jääkaapista olohuoneeseen. Pullossa olevan veden lämpötila mitattiin 5 minuutin välein 1,5 tunnin ajan (taulukko 10.B). Jääkaapin lämpötila oli 5,3 °C, olohuoneen lämpötila oli 21,9 °C, ja ulkoinen ilmanpaine oli normaalipaine.

10.1 Laadi graafinen esitys, josta ilmenee veden (taulukko 10.B) ja huoneen lämpötilaero ajan funktiona. Kuinka pitkän ajan kuluessa veden lämpötila olisi mittaustarkkuuden rajoissa saavuttanut huoneen lämpötilan? 7 p.

 

10.2 Vesipullo laitettiin takaisin jääkaappiin 1,5 tunnin jälkeen. Jääkaappi jäähdytti ideaalisella suorituskyvyllä, eli \varepsilon_{\rm max}=\frac{Q}{W}=\frac{1}{\eta_{\rm max}}-1, jossa Q on siirtynyt lämpömäärä, W on työ ja \eta_{\rm max} on ideaalinen hyötysuhde. Kuinka paljon ylimääräistä sähköenergiaa kului, kun vesi jäähtyi takaisin jääkaapin lämpötilaan? 5 p.

 

10.3 Samanlainen tyhjä pullo laitettiin jääkaappiin huoneenlämpöisenä ja odotettiin, kunnes se saavutti jääkaapin lämpötilan. Pullo alkoi jäähtyessään rutistua kasaan, kun pullon ja ulkoisen ilman paine-ero kasvoi 2,0 millibaariin (kuva 10.C). Määritä pullossa olevan ilman tilavuuden muutoksessa tehty työ, kun paine-ero pysyi vakiona muutoksen aikana. Selitä, miten pullon rutistuminen vaikutti pullossa olevan ilman jäähtymiseen verrattuna siihen, että pullo ei rutistuisi. 8 p.

 

11. Työselostus 20 p.

Aineisto

  1. Teksti: Työselostus

Lukiolaiset tekivät kokeellista tutkimusta jousivoimasta ja tuottivat tekemästään työstä työselostuksen (aineisto 11.A).

Arvioidessaan työselostusta opettaja jakoi sen katkoviivoin viiteen numeroituun osaan. Jokaisessa osassa on yksi tai useampia virheitä. Tehtäväsi on löytää jokaisesta osasta sen fysikaalisesti merkittävin yksittäinen virhe ja kertoa, miten virheen tekemisen sijasta toimitaan tai kuvataan toiminta työselostuksessa oikein. Huomaa, että jokaisen osatehtävän vastauksessa tulee olla mainittuna vain yksi virhe.

11.1 Mikä on työselostuksen osan 1 merkittävin virhe? Miten virheen tekemisen sijasta toimitaan tai kuvataan toiminta työselostuksessa oikein? 4 p.

 

11.2 Mikä on työselostuksen osan 2 merkittävin virhe? Miten virheen tekemisen sijasta toimitaan tai kuvataan toiminta työselostuksessa oikein? 4 p.

 

11.3 Mikä on työselostuksen osan 3 merkittävin virhe? Miten virheen tekemisen sijasta toimitaan tai kuvataan toiminta työselostuksessa oikein? 4 p.

 

11.4 Mikä on työselostuksen osan 4 merkittävin virhe? Miten virheen tekemisen sijasta toimitaan tai kuvataan toiminta työselostuksessa oikein? 4 p.

 

11.5 Mikä on työselostuksen osan 5 merkittävin virhe? Miten virheen tekemisen sijasta toimitaan tai kuvataan toiminta työselostuksessa oikein? 4 p.

 

Kokeen tehtävät loppuvat tähän.

Lähteet

  1. Lähde: YTL.
  2. Lähde: YTL.
  3. Lähde: YTL.
  4. Lähde: YTL.
  5. Lähde: YTL.
  6. Lähde: YTL.
  7. Lähde: YTL.

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