Fysiikka 2007/kevät

Fysiikan ylioppilaskoe oli tänä vuonna melko helppo.
11.00 neljä tehtävää valmiina
12.00 viisi
14.00 kuusi
14.50 seitsemän tehtävää valmiina
Ajan- ja osaamisenpuutteen takia tein vain seitsemän tehtävää, mutta ne teinkin sitten huolella.
 
1. Kuvassa on joitakin paikan s, nopeuden v ja kiihtyvyyden a kuvaajia. Perustele, mitkä kuvaajista voivat esittää seuraavia liikkeitä:
a) vakionopeudella etenevä polkupyöräilijä
b) pysäkille tasaisesti jarruttava raitiovaunu
c) suoraan alaspäin putoava tennispallo.
Tämä perustehtävä oli sikäli vaikea, että perustelujen täytyy olla todella hyvät täysien pisteiden saamiseksi.
 
2. Kulmin lentomäen lähtöpuomi on asetettu 66 m:n korkeudelle hyppyrin nokasta. Hyppääjä lähtee levosta liukumaan pitkin vauhtimäkeä ja saavuttaa hyppyrin nokalla nopeuden 101 km/h. Kuinka suuren työn liikevastusvoimat tekevät liu’un aikana? Hyppääjän ja varusteiden yhteinen massa on 71 kg.
Tein tämän energiaperiaatteella, E(A) – W = E(B) <-> E(pA) – W = E(kB). Piirsin myös hyvin yksinkertaistetun kuvan, jossa näkyivät ainakin nollataso ja korkeus.
 
3. Selitä lyhyesti käsitteet ja selvennä kutakin esimerkin avulla:
a) värähdysliike
b) mekaaninen aaltoliike
c) pitkittäinen aaltoliike
d) ultraääni.
Tätä tehtävää en tehnyt. En olisi osannut selittää kaikkea.
 
4. Messinkikuula on ohueen teräslevyyn poratussa reiässä oheisen kuvan mukaisesti. Lämpötilassa 21,5 ºC kuulan halkaisija on 25,232 mm ja reiän 25,220 mm. Lämpötilaa muutetaan siten, että kuula ja levy ovat koko ajan samassa lämpötilassa. Missä lämpötilassa kuula putoaa reiän läpi?
Hetken pohdittuani tajusin, että kun lämpötila laskee, kuula pienenee ja reikä suurenee. Sain lämpötilaksi noin 7 celsiusta. Mahtoiko olla oikein? (Mrr, Abifarmissa sanottiin, että reikäkin pienenee. No onpa ärsyttävää. Oikea vastaus on –31 celsiusta. Nyt on tyhmä olo.)
 
5. Kun auto rullaa vaihde vapaalla alas mäkeä, sen tasainen nopeus on 15 m/s. Kuinka suuri on auton moottorista otettu teho nopeudessa 15 m/s, kun autoa kiihdytetään ylöspäin samaa mäkeä siten, että sen kiihtyvyys on 1,5 m/s2? Oletetaan, että 89 % moottorin tehosta saadaan välitettyä auton vetäville pyörille. Tien nousu on 0,95 m 10 m:n matkalla, ja auton massa on 1 340 kg.
Laskin vapaasta mäenlaskusta vastusvoimat siten, että kulkusuunnan suuntainen painovoiman komponentti on suuruudeltaan yhtä suuri kuin vastusvoimat. Oletin sitten, että mm. saman nopeuden takia vastusvoimat ovat yhtä suuret, kun ajetaan ylämäkeen. Sieltä sitten ratkaisin tehon kaavalla 0,89P=Fv, missä F = kiihdyttävä voima = 2G(x) + ma. On huomattava myös, että mäen kaltevuuskulman sini on 0,95m/10m.
 
6. a) Selosta lyhyesti, mitä tarkoitetaan kappaleen hitausmomentilla. Mitkä tekijät vaikuttavat hitausmomentin suuruuteen?
b) Kuvan mukaisessa laitteessa herkästi laakeroidun pyörän säde on 0,30 m. Kun pyörän ympärille kierretyn ohuen vaijerin varassa riippuva 48 kg:n kuorma lähtee putoamaan, sen kiihtyvyys on 6,1 m/s2. Kuinka suuri on pyörän hitausmomentti?
Enhän minä nyt mitään hitausmomenttia osaa selittää! Enkä muutenkaan muistanut kunnolla hitausmomenttia, vaikka sitä opettajan kanssa viime viikolla kävin läpi. En siis tehnyt.
 
7. a) Kuvassa on esitetty konstantaanilangasta valmistetun tarkkuusvastuksen, volframilankaisen hehkulampun ja NTC-termistorin I = I(U)-
ominaiskäyrät. Päättele, mikä kuvaajista kuuluu mihinkin laitteeseen.
b) Esitä kytkentä, jolla voidaan mitata virtapiirissä olevan laitteen tehonkulutus.
c) Sinkkilevy ja kuparilevy työnnetään raakaan perunaan. Miksi levyjen välille syntyy jännite? Kummasta levystä tulee positiivinen napa?
Tämä nyt on kaikkein vaikein tehtävä minulle. En tiedä, mikä on tarkkuusvastus tai NTC-termistori. En edes käynyt sähköopin kurssia, vaikkakin kävin sähkömagnetismin! En siis tehnyt.
 
8. Tiepalveluauto ajaa nopeudella 95 km/h Tampereelta suoraan länteen. Kuinka suuri jännite syntyy auton 1,5 m pitkän pystysuoran antennin päiden välille, kun Maan magneettikentän magneettivuon tiheys on 54 μT ja inklinaatio 72º? Deklinaatio voidaan olettaa nollaksi.
Kumpi antennin pää on korkeammassa potentiaalissa?
Tällaisia tehtäviä käytiin läpi sähkömagnetismissa, mutta en muistanut. Niinpä en tehnyt!
9. Lyhytikäisen 12N-isotoopin β+-hajoamisen tulosydin 12C jää hajoamisen jälkeen viritystilaan. Ydin siirtyy perustilaan emittoimalla gammafotonin, jonka energia on 15,102 MeV. Laske 12C-ytimen gammaemissiossa saama liike-energia (rekyylienergia). Oletetaan, että ydin ei liiku fotonin emittoitumissuunnassa ennen emissiota. Kuinka suuri on 12C-ytimen viritystilan energia?
Ensin mietin, etten osaisi tällaista tehdä. Miten muka lasketaan fotonin liikemäärä? Mutta sitten silmään osui MAOLin kätevä kaava p=E/c. "Liikemäärä säilyy." Liikemäärä on alussa ja lopussa 0, joten m(12C)*v + E(γ)/c = 0 <-> v = E(γ)/cm(12C). Sitten liike-energian kaavalla E=½mvv. Ajattelin, että ytimen viritystilan energia taas olisi gammakvantin energian ja hiiliytimen liike-energian summa, muistaakseni noin 15,112 MeV.
 
10. Ilmakiväärin luodin nopeuden mittaamiseksi tasapaksu puusauva ripustettiin yläpäästään kuvan mukaisesti siten, että se pääsi
heilahtamaan kiinteän akselin A ympäri. Puusauvan pituus oli 30 cm ja massa 420 g. Luoti (m = 0,511 g) ammuttiin siten, että se osui vaakasuoralla, akselia vastaan kohtisuoralla nopeudella sauvan alapäähän upoten siihen. Kuinka suuri oli luodin nopeus, kun sauva heilahti
törmäyksen jälkeen 25° pystysuoraan suuntaan nähden?
Tällaisenkin tehtävän olin käynyt läpi kerratessani, mutta ei kerta kaikkiaan tullut mieleen, miten se tehtiinkään!
 
11. Kalorimetrissä, jonka lämpökapasiteetti on 120 J/°C, on 150 g punaista pakkasnestettä.
Nestettä lämmitetään uppokuumentimella 15,2 W:n vakioteholla, jolloin nesteen lämpötila
muuttuu ajan funktiona oheisen taulukon mukaisesti:
t/min 0    2,0  4,0  6,0  8,0  10,0 12,0 14,0 16,0
θ /°C 21,8 25,8 30,1 34,2 38,1 42,0 45,6 49,8 53,6

Määritä taulukon perusteella piirrettyä kuvaajaa hyväksi käyttäen pakkasnesteen ominaislämpökapasiteetti.
Tämän tehtävän tekeminen vaati miettimistä. Ominaislämpökapasiteetin yksikkö on [c]=[Q]/([θ][m]), lämpökapasiteetin [C]=[Q]/[θ]. Kun piirtää kuvaajan, sen kulmakerroin on t/θ. Koko systeemin lämpökapasiteetti on yhteensä C=Q/θ=Pt/θ. Kalorimetrin C on kerrottu, joten voidaan ratkaista punaisen pakkasnesteen lämpökapasiteetti. Kun se jaetaan pakkasnesteen massalla 0,150kg, saadaan ominaislämpökapasiteetti. t/θ saadaan itse piirretyn kuvaajan kulmakertoimesta.
 
+12. Kiinteiden kappaleiden välistä kitkaa voidaan tunnetusti pienentää käyttämällä voiteluöljyä. Öljyn juoksevuutta kuvaa suure viskositeetti η. Kun kappale liikkuu väliaineessa niin pienellä nopeudella, ettei synny pyörteitä, kappaleeseen vaikuttava väliaineen vastus on
verrannollinen aineen viskositeettiin. Niinpä nesteessä pienehköllä nopeudella v liikkuvaan r-säteiseen palloon kohdistuva väliaineen vastus saadaan yhtälöstä Fv = 6πrηv. Tämän perusteella voidaan määrittää nesteen viskositeetti mittaamalla nesteessä putoavan pallon ns.
rajanopeus eli nopeus silloin, kun pallo putoaa vakionopeudella.
a) Mihin perustuu kitkan pieneneminen voiteluöljyä käytettäessä? (2 p.)
b) Selitä rajanopeuden syntyminen. (2 p.)
c) Eräässä kokeessa annettiin pallon (r = 2,0 mm, ρ1 = 1,05 g/cm3) pudota öljyssä ( ρ2 = 0,921 g/cm3), jolloin rajanopeudeksi mitattiin 13,4 mm/s. Määritä öljyn viskositeetti. (5 p.)
Kokeilin nyt tätäkin sitten viimeiseksi. a-kohtaan minulle tuli hyvin lyhyt vastaus, b-kohdassa selitin voimakuviolla, että rajanopeudessa väliaineen vastus on yhtä suuri kuin painon ja nosteen erotus. c-kohdasta sain suuremman vastauksen kuin mitä luokkaa viskositeetit yleensä ovat, joten epäilen jotenkin, että se meni väärin.
 
+13. Energiaa voidaan sähköverkon ansiosta tuottaa keskitetysti hyvinkin kaukana kulutuspaikasta. Tarkastele sähköisen energiansiirron periaatetta ja toteutusta käyttäen esimerkkinä energian siirtymistä Loviisan ydinvoimalan generaattorin navoista (20 kV) pienoisakkuun
(1,2 V), joka on kytkettynä pistorasiassa olevaan akkulaturiin Pihtiputaalla. Tee selkoa siirtoverkon jännitteistä, jännitteen muuttamisesta, tarvittavista laitteista ja niiden toiminnan fysikaalisista periaatteista sekä siirtoverkossa tapahtuvista energiahäviöistä.
Taas sähköoppia, jota en osaa.
 
Jos kuvitellaan ylioptimistisesti, että sain keskimäärin 5 pistettä joka tehtävästä, yhteispistemäärä olisi 35. Viime syksynä sillä olisi saanut E:n (raja 30 p.), keväällä 2006 nipin napin E:n (raja 34 p.). Todennäköisesti saan vähemmän pisteitä, joten olisiko arvosanani sitten M…
 
Eväät: Kaksi Reissumies-leipää, Fazerin Maya-suklaata, kaksi klementiiniä, taskumatillinen mehua ja 0,5 litraa lähdevettä. En syönyt muuta kuin suklaan ihan lopuksi, sillä ei ollut nälkä mutta oli kiire. Ja epäilen, että maanantainen väsähtämiseni kokeessa johtui osittain siitä, että verensokerit heittelehtivät napostelemisen takia. (Sivuhuomautus. Eräänä iltana kun minulta mitattiin verensokeri ja olin syönyt karkkia, tulos oli vain vähän päälle 4 mmol/l.)
 
Kaverit: Fysiikkaa kirjoittivat mm. Lauri* ja Jokke*, filosofiaa TrakTori*, psykologiaa Taavi*. Vaikka Jokke lähti vain vähän ennen minua, en ehättänyt häntä.
 
WC-käynnit: yksi.
 
Mainokset

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

%d bloggers like this: