Fysik, hösten 2023 – studentprovets uppgifter och lösningar
Studentprovet i Fysik hösten 2023 (13.9.2023), Studentexamensnämnden (SEN): 20 uppgifter eller deluppgifter. Flest uppgifter hörde till delområdena Kraft och rörelse (5), Energi och värme (4), Periodisk rörelse och vågor (4). Medelsvårighet 3,1/5; svårast var uppgifterna 1.10, 3, 5.1. Poänggränser: L 86 / 120 p, när genomsnittet 2023–2026 är 87 p. Varje uppgift har en förklaring och beskrivningen av goda svar (hyvän vastauksen piirteet).
Förklaringarna är tills vidare på finska.
L 86E 64M 45C 30B 20A 15Max 120
Uppgifter och lösningar
1.12 p
Fission och fusion är kärnreaktioner som kan utnyttjas vid energiproduktion. Vilket av följande påståenden är korrekt?
Bygger på en studentexamensuppgift (syksy 2023, fysiikka, tehtävä 1.1). De felaktiga svarsalternativen kommer inte från det ursprungliga provet. Kysymys ja oikea vastaus ovat alkuperäisestä kokeesta; väärät vaihtoehdot on laadittu tähän sovellukseen.
Beskrivning av goda svar
Oikea vastaus: fuusiossa yhdistyy kaksi kevyttä ydintä, ja fissiossa hajoaa yksi raskas ydin (2 p.).
Förklaring
Oikea vaihtoehto on a: fuusiossa kaksi kevyttä ydintä yhdistyy raskaammaksi, fissiossa yksi raskas ydin halkeaa kahdeksi keskiraskaaksi.
Molemmat vapauttavat energiaa, koska sidosenergia nukleonia kohti kasvaa: se on suurimmillaan raudan (A ≈ 56) ympäristössä. Kevyillä ytimillä, kuten vedyllä ja heliumilla, yhdistyminen kasvattaa sidosenergiaa nukleonia kohti, joten fuusio tuottaa energiaa; Aurinko ja tulevat fuusioreaktorit toimivat näin. Raskailla ytimillä, kuten uraani-235:llä, halkeaminen kahdeksi keskiraskaaksi ytimeksi kasvattaa sidosenergiaa nukleonia kohti, joten fissio tuottaa energiaa; nykyiset ydinvoimalat perustuvat siihen.
Vaihtoehto b vaihtaa käsitteiden nimet keskenään. Vaihtoehdot c ja d väittävät molempien reaktioiden olevan samanlaisia, mikä on mahdotonta, koska sama muutos ei voi vapauttaa energiaa sekä keventäen että raskauttaen ytimiä.
Vastaus: a (2 p.).
Bearbetad från SEN:s uppgift (materialet borttaget) · original
1.22 p
Du sätter dig i en het bastu på en lave av trä där huvudet av en metallspik sticker upp. I jämförelse med laven känns spiken mycket mer brännande mot din hud eftersom
Bygger på en studentexamensuppgift (syksy 2023, fysiikka, tehtävä 1.2). De felaktiga svarsalternativen kommer inte från det ursprungliga provet. Kysymys ja oikea vastaus ovat alkuperäisestä kokeesta; väärät vaihtoehdot on laadittu tähän sovellukseen.
Beskrivning av goda svar
Oikea vastaus: naulan lämmönjohtavuus on suurempi kuin lauteen (2 p.). Metalli johtaa lämpöä ihoon nopeasti, vaikka lämpötilat ovat samat.
Förklaring
Oikea vaihtoehto on a: naula tuntuu polttavammalta, koska metalli johtaa lämpöä ihoon paljon nopeammin kuin puu.
Saunassa laude ja naula ovat samassa lämpötilassa, joten vaihtoehto b on väärin. Kosketuksessa ihon ja esineen välinen lämpövirta riippuu lämmönjohtavuudesta: metallin lämmönjohtavuus on satoja kertoja puun lämmönjohtavuutta suurempi, joten naulasta virtaa ihon pintaan lämpöä nopeasti ja iho kuumenee hetkessä. Puu johtaa lämpöä huonosti, ja sen pinta jäähtyy ihon kosketuksessa nopeasti, joten se tuntuu miedommalta.
Vaihtoehto c: metallin ominaislämpökapasiteetti on itse asiassa pienempi kuin puun, eikä se selitä kosketustuntemuksen nopeutta. Vaihtoehto d: lämpösäteily ei riipu ratkaisevasti materiaalista tässä tilanteessa, eikä se selitä eroa, joka tuntuu vasta koskettaessa.
Vastaus: naulan lämmönjohtavuus on suurempi kuin lauteen (2 p.).
Bearbetad från SEN:s uppgift (materialet borttaget) · original
1.32 p
En bil drar en husvagn och framskrider med en jämn fart på en vågrät motorväg. Summan av krafterna som påverkar husvagnen
Bygger på en studentexamensuppgift (syksy 2023, fysiikka, tehtävä 1.3). De felaktiga svarsalternativen kommer inte från det ursprungliga provet. Kysymys ja oikea vastaus ovat alkuperäisestä kokeesta; väärät vaihtoehdot on laadittu tähän sovellukseen.
Beskrivning av goda svar
Oikea vastaus: on nolla (2 p.). Tasaisessa liikkeessä kiihtyvyys on nolla, joten Newtonin II lain mukaan voimien summa on nolla.
Förklaring
Oikea vaihtoehto on a: tasaisessa suoraviivaisessa liikkeessä kiihtyvyys on nolla, joten kappaleeseen kohdistuvien voimien summa on nolla.
Newtonin II laki ∑Fˉ=maˉ ei tee eroa levon ja tasaisen liikkeen välillä. Asuntovaunuun vaikuttavat auton vetovoima eteenpäin, ilmanvastus ja vierimisvastus taaksepäin sekä paino alaspäin ja tien tukivoima ylöspäin. Kun vauhti on vakio, vetovoima on täsmälleen yhtä suuri kuin vastusvoimien summa, ja pystysuunnassa tukivoima kumoaa painon. Kokonaisvoima on siis nollavektori.
Vaihtoehdot b ja c sekoittavat yhden voiman ja voimien summan: vetovoima ja vastukset ovat olemassa, mutta ne kumoavat toisensa. Vaihtoehto d unohtaa tukivoiman. Yleinen ajatusvirhe on, että liike vaatii liikkeen suuntaisen nettovoiman; todellisuudessa nettovoimaa tarvitaan vain nopeuden muuttamiseen.
Vastaus: voimien summa on nolla (2 p.).
Bearbetad från SEN:s uppgift (materialet borttaget) · original
1.42 p
Diametern på en tjock metalltråd är dubbelt så stor som diametern på en tunn tråd. Trådarna är lika långa. Resistansen hos den tunna tråden är R. Den tjocka trådens resistans är
Bygger på en studentexamensuppgift (syksy 2023, fysiikka, tehtävä 1.4). De felaktiga svarsalternativen kommer inte från det ursprungliga provet. Kysymys ja oikea vastaus ovat alkuperäisestä kokeesta; väärät vaihtoehdot on laadittu tähän sovellukseen.
Beskrivning av goda svar
Oikea vastaus: 41R (2 p.). Resistanssi on kääntäen verrannollinen poikkipinta-alaan, joka nelinkertaistuu halkaisijan kaksinkertaistuessa.
Förklaring
Oikea vaihtoehto on a: halkaisijan kaksinkertaistuessa poikkipinta-ala nelinkertaistuu, joten resistanssi putoaa neljäsosaan, 41R.
Johtimen resistanssi on R=ρAl, missä ρ on aineen resistiivisyys, l pituus ja A poikkipinta-ala. Pyöreän langan pinta-ala on A=π(2d)2=4πd2, eli se on verrannollinen halkaisijan neliöön. Kun d→2d, niin A→4A. Koska langat ovat samaa ainetta ja yhtä pitkiä, Rpaksu=ρ4Al=4R.
Vaihtoehto b olisi oikea, jos ala kaksinkertaistuisi; virhe syntyy, kun halkaisijaa ei koroteta toiseen potenssiin. Vaihtoehdot c ja d ovat suunnaltaan väärin, sillä paksumpi lanka johtaa paremmin: elektroneilla on enemmän tilaa kulkea rinnakkain.
Vastaus: 41R (2 p.).
Bearbetad från SEN:s uppgift (materialet borttaget) · original
1.52 p
Du färdas med båt raka vägen från Helsingfors till Tallinn. Du färdas exakt halva sträckan med hastigheten v och resten av vägen med hastigheten 2v. Din medelhastighet under hela resan var
Bygger på en studentexamensuppgift (syksy 2023, fysiikka, tehtävä 1.5). De felaktiga svarsalternativen kommer inte från det ursprungliga provet. Kysymys ja oikea vastaus ovat alkuperäisestä kokeesta; väärät vaihtoehdot on laadittu tähän sovellukseen.
Beskrivning av goda svar
Oikea vastaus: 34v (2 p.). Keskinopeus on koko matka jaettuna kokonaisajalla, ei nopeuksien keskiarvo.
Förklaring
Oikea vaihtoehto on a: keskinopeus on kokonaismatka jaettuna kokonaisajalla, ja hitaammalla osuudella kuluu enemmän aikaa, joten tulos on alle nopeuksien keskiarvon.
Olkoon koko matka 2s. Ensimmäiseen puolikkaaseen kuluu aika t1=vs ja toiseen t2=2vs. Kokonaisaika on t=vs+2vs=2v3s. Keskinopeus on vˉ=t2s=3s/(2v)2s=34v.
Vaihtoehto b, 23v, on nopeuksien aritmeettinen keskiarvo, ja se pätisi vain, jos molemmilla nopeuksilla ajettaisiin yhtä kauan (ei yhtä pitkä matka). Vaihtoehto c on hitaampi kuin kumpikaan osanopeus, mikä on mahdotonta, ja d olettaisi koko matkan nopeudella 2v.
Tarkistus: 34v≈1,33v on välillä v ja 2v ja lähempänä hitaampaa nopeutta, kuten pitääkin.
Vastaus: 34v (2 p.).
Bearbetad från SEN:s uppgift (materialet borttaget) · original
1.62 p
I ett akvarium flyter en leksaksbåt av plast och i båten ligger en sten. Då stenen flyttas från båten till akvariets botten kommer vattennivån i akvariet att
Bygger på en studentexamensuppgift (syksy 2023, fysiikka, tehtävä 1.6). De felaktiga svarsalternativen kommer inte från det ursprungliga provet. Kysymys ja oikea vastaus ovat alkuperäisestä kokeesta; väärät vaihtoehdot on laadittu tähän sovellukseen.
Beskrivning av goda svar
Oikea vastaus: laskee (2 p.). Veneessä kivi syrjäyttää painonsa verran vettä, pohjalla vain tilavuutensa verran.
Förklaring
Oikea vaihtoehto on a: vedenpinta laskee, koska veneessä kivi syrjäyttää painonsa verran vettä mutta pohjalla vain tilavuutensa verran.
Kun kivi on kelluvassa veneessä, vene ja kivi ovat tasapainossa: noste on yhtä suuri kuin niiden yhteinen paino. Arkhimedeen lain mukaan syrjäytetyn veden paino on siis kiven painon mkg suuruinen, ja syrjäytetty tilavuus on V1=ρvesimk. Pohjalla kivi syrjäyttää vain oman tilavuutensa V2=ρkivimk. Koska kiven tiheys on veden tiheyttä suurempi, V2<V1: syrjäytetty vesimäärä pienenee ja pinta laskee.
Vaihtoehto d on vastakkainen: juuri suuri tiheys saa pinnan laskemaan. Jos kiven tiheys olisi yhtä suuri kuin veden, pinta ei muuttuisi (vaihtoehto c). Yleinen virhe on ajatella, että pohjalle upotettu esine aina nostaa pintaa.
Vastaus: laskee (2 p.).
Bearbetad från SEN:s uppgift (materialet borttaget) · original
1.72 p
En låda glider på ett bord och friktion saktar ner dess fart. Arbetet som friktionskraften utför
Bygger på en studentexamensuppgift (syksy 2023, fysiikka, tehtävä 1.7). De felaktiga svarsalternativen kommer inte från det ursprungliga provet. Kysymys ja oikea vastaus ovat alkuperäisestä kokeesta; väärät vaihtoehdot on laadittu tähän sovellukseen.
Beskrivning av goda svar
Oikea vastaus: on negatiivinen (2 p.). Kitkavoima on liikkeelle vastakkainen, joten sen tekemä työ pienentää liike-energiaa.
Förklaring
Oikea vaihtoehto on a: kitkavoima on liikkeen suunnalle vastakkainen, joten sen tekemä työ on negatiivinen ja liike-energia pienenee.
Voiman tekemä työ on W=Fscosα, missä α on voiman ja siirtymän välinen kulma. Liukukitka osoittaa aina liikettä vastaan, joten α=180∘, cosα=−1 ja W=−μNs<0. Työperiaatteen mukaan kokonaisvoiman työ on liike-energian muutos, W=ΔEk, joten negatiivinen työ tarkoittaa hidastumista: liike-energia muuttuu lämmöksi laatikon ja pöydän kosketuspinnoilla.
Vaihtoehdot b ja d ovat ristiriidassa sen kanssa, että laatikko hidastuu; positiivinen työ kasvattaisi liike-energiaa. Vaihtoehto c pätisi vain, jos voima olisi kohtisuorassa liikettä vastaan, kuten tukivoima. Yleinen virhe on unohtaa työn etumerkki ja tarkastella vain sen suuruutta.
Vastaus: kitkavoiman työ on negatiivinen (2 p.).
Bearbetad från SEN:s uppgift (materialet borttaget) · original
1.82 p
Maapallon pyörimisakseli on kallistunut noin 23° ratatason normaaliin nähden (kuva). Jos kallistuskulma olisi 0°,
Bygger på en studentexamensuppgift (syksy 2023, fysiikka, tehtävä 1.8). Bilden eller tabellen har gjorts om. De felaktiga svarsalternativen kommer inte från det ursprungliga provet.
Material KuvaMaapallon akselin kallistus
Bild: Abipreppi
Beskrivning av goda svar
Oikea vastaus: maapallolla ei esiintyisi vuodenaikoja (2 p.). Vuodenajat johtuvat pyörimisakselin kallistumisesta suhteessa ratatasoon.
Förklaring
Oikea vaihtoehto on a: vuodenajat johtuvat pyörimisakselin kallistuksesta, joten ilman kallistusta niitä ei olisi.
Nykyisen 23,4∘:n kallistuksen takia pohjoinen pallonpuolisko on kesällä kallellaan kohti Aurinkoa: Aurinko paistaa korkeammalta, säteily jakautuu pienemmälle pinta-alalle ja päivä on pitkä, joten pinta lämpenee. Talvella tilanne on päinvastainen. Jos akseli olisi kohtisuorassa ratatasoa vastaan, Aurinko paistaisi joka päivä samalta korkeudelta jokaisella leveyspiirillä ja päivä olisi aina 12 tuntia; lämpötilat vaihtelisivat leveyspiirin mukaan mutta eivät vuoden mittaan.
Vaihtoehto b on väärin, koska vuodenaikojen syy poistuisi kokonaan. Vaihtoehto c sekoittaa kallistuksen ja pyörimisnopeuden; vuorokauden pituus riippuu pyörimisestä, ei kallistuksesta. Vaihtoehto d: Maan saama kokonaissäteily ei muuttuisi. Yleinen virhe on selittää vuodenajat Maan etäisyydellä Auringosta.
Vastaus: maapallolla ei esiintyisi vuodenaikoja (2 p.).
Bygger på en studentexamensuppgift (syksy 2023, fysiikka, tehtävä 1.9). De felaktiga svarsalternativen kommer inte från det ursprungliga provet. Kysymys ja oikea vastaus ovat alkuperäisestä kokeesta; väärät vaihtoehdot on laadittu tähän sovellukseen.
Beskrivning av goda svar
Oikea vastaus: pariston sähköinen kokonaisvaraus ei muutu (2 p.). Paristo ei kuluta varausta vaan energiaa; virtapiirissä varaus säilyy.
Förklaring
Oikea vaihtoehto on a: paristo luovuttaa energiaa, ei varausta, ja sen kokonaisvaraus pysyy nollana.
Paristo on kokonaisuutena sähköisesti neutraali: sen navoilla on yhtä suuret vastakkaismerkkiset varaukset, ja summa on nolla. Kun lamppu sytytetään, virtapiirissä varaukset kiertävät suljettua silmukkaa: elektronit lähtevät negatiiviselta navalta, kulkevat lampun läpi ja palaavat positiiviselle navalle, ja pariston sisällä kemiallinen reaktio kuljettaa varausta takaisin. Varaus säilyy Kirchhoffin virtalain mukaisesti: piirin jokaiseen pisteeseen tulee yhtä paljon varausta kuin siitä lähtee. Paristo kuluu, koska sen kemiallinen energia muuttuu lampussa valoksi ja lämmöksi.
Vaihtoehto c on yleinen harhaluulo: elektronit eivät kulu, ne vain siirtävät energiaa. Vaihtoehdot b ja d rikkoisivat varauksen säilymislakia.
Vastaus: pariston sähköinen kokonaisvaraus ei muutu (2 p.).
Bearbetad från SEN:s uppgift (materialet borttaget) · original
1.102 p
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
Bygger på en studentexamensuppgift (syksy 2023, fysiikka, tehtävä 1.10). Bilden eller tabellen har gjorts om. De felaktiga svarsalternativen kommer inte från det ursprungliga provet.
Material KuvaPulloharja muoviputkessa
Bild: Abipreppi
Beskrivning av goda svar
Oikea vastaus: harja liikahtaa putken suhteen ylöspäin (2 p.). Harjan hitauden takia se pyrkii pysymään paikallaan, kun putki liikahtaa alaspäin.
Förklaring
Oikea vaihtoehto on a: harja on hidas ja pyrkii pysymään paikallaan, joten kun putki nytkähtää alaspäin, harja jää putken suhteen ylemmäs.
Tarkastellaan tilannetta Newtonin I lain avulla. Nuija antaa putkelle lyhyessä ajassa suuren alaspäin suuntautuvan impulssin. Harjaan vaikuttaa vain pieni kitkavoima, joka ei ehdi lyönnin aikana kiihdyttää sitä samaan nopeuteen kuin putki; harja jatkaa hitautensa vuoksi likimain levossa maan suhteen. Koska putki siirtyy alaspäin ja harja jää lähes paikoilleen, harja on lyönnin jälkeen putken sisällä aiempaa ylempänä. Sama ilmiö näkyy, kun pöytäliina vedetään nopeasti astioiden alta.
Vaihtoehto b vaatisi, että harjaan kohdistuisi suurempi alaspäin suuntautuva voima kuin putkeen, mitä pieni kitka ei tuota. Vaihtoehto c pätisi vain, jos kitka olisi riittävän suuri lukitsemaan harjan putkeen.
Vastaus: harja liikahtaa putken suhteen ylöspäin (2 p.).
En isbit med massan 0,050 kg och temperaturen −18,0 °C tas ur frysen. Isbiten läggs i en värmeisolerad plastbehållare som innehåller 0,40 kg vatten vid temperaturen +1,0 °C. I vattnet finns en termometer. Vi väntar tills termometerns utslag inte längre förändras. Vid den tidpunkten finns det en isbit och flytande vatten i behållaren. Vad är temperaturen i slutskedet? Bestäm förändringen i isbitens massa.
Beskrivning av goda svar
Kun jää ja vesi ovat tasapainossa, lämpötila on 0 °C. Jään lämpeneminen: Qj=cjmjΔTj≈2090⋅0,05⋅18J=1881J; veden jäähtyminen: Qv=cvmvΔTv≈−1673J. Eristetyssä systeemissä lämpöjen summa on nolla, joten olomuodon muutokseen liittyy QΔm=−208J, eli osa vedestä jäätyy: Δm=Q/s≈208J/(334J/g)≈0,62g. Jääpalan massa siis kasvaa 0,62 g. Pisteytys: loppulämpötila 0 °C (3 p.); suureyhtälö Q=cmΔT (2 p.) ja sen oikea soveltaminen (2 p.); suureyhtälö Q=sm (2 p.); energian säilymisen oikea soveltaminen kolmeen lämpöön (2 p.); todettu, että jääpalan massa kasvaa (2 p.); tulos 0,61–0,63 g (2 p.). Tyypillinen virhe: unohdetaan veden jäätyminen ja saadaan loppulämpötilaksi hieman alle 0 °C.
Förklaring
Avainajatus: kun astiassa on lopussa sekä jäätä että vettä, lämpötila on 0∘C, ja energiatase kertoo, että osa vedestä jäätyy jääpalan pintaan.
1. Loppulämpötila (3 p.): jää ja vesi voivat olla tasapainossa vain sulamispisteessä, joten T=0∘C. 2. Lämpenemisen yhtälö (2 + 2 p.): jään lämpeneminen nollaan vaatii Qj=cjmjΔTj=2090⋅0,050⋅18J≈1880 J; veden jäähtyminen 1,0∘C:sta luovuttaa Qv=4180⋅0,40⋅1,0J≈1670 J. 3. Olomuodon muutos (2 p.): Q=sm, jäätymislämpö s=334 kJ/kg. 4. Energian säilyminen (2 p.): Qj+Qv+QΔm=0, joten QΔm≈−210 J: vesi luovuttaa puuttuvan lämmön jäätymällä. 5. Massan muutos (2 + 2 p.): Δm=334J/g210J≈0,62 g, ja jääpalan massa kasvaa.
Yleinen virhe: unohdetaan jäätyminen ja saadaan loppulämpötila hieman alle nollan.
En bil körs med jämn hastighet från Helsingfors till Hyvinge och tillbaka från Hyvinge till Helsingfors. Avståndet mellan Helsingfors och Hyvinge längs vägen är 58 km. Utgångspunkten i Helsingfors är vid en höjd på 17 m över havsnivån och målet i Hyvinge är vid 105 m över havsnivån. Bilens massa är 1 600 kg och verkningsgraden för dess bensinmotor är 24 %. Du kan anta att motståndskrafterna i genomsnitt är lika stora för både tur- och returresan. Värmevärdet för bensin är 31,2 MJ/l. Hur många fler liter bensin förbrukas på turresan än på returresan?
Beskrivning av goda svar
Menomatkalla Emeno=mgΔh+W ja paluumatkalla Epaluu=−mgΔh+W, joten ΔE=2mgΔh=2762496J. Koska ΔE=ηHΔV, kulutusero on ΔV=2mgΔh/(ηH)=0,37l. Pisteytys: selitetty energian muuttuminen potentiaalienergiaksi ja vastusvoimien työksi (2 p.); kytketty lämpöarvo ratkaisuun suureyhtälöllä (2 p.); johdettu suureyhtälö poltetun bensiinin tilavuudelle (2 p.); oikea lopputulos 2–3 merkitsevän numeron tarkkuudella (3 p.). Tyypillinen virhe: vastusvoimien työ puuttuu ratkaisusta.
Förklaring
Avainajatus: meno- ja paluumatka eroavat vain potentiaalienergian muutoksen merkissä, joten kulutusero on kaksinkertainen nousun potentiaalienergia jaettuna litrasta saatavalla mekaanisella energialla.
1. Energiatarkastelu (2 p.): menomatkalla Emeno=mgΔh+W, missä W on vastusvoimien työ, ja paluumatkalla Epaluu=−mgΔh+W. Erotus on ΔE=2mgΔh; vastustyö supistuu pois. 2. Lämpöarvo ja hyötysuhde (2 p.): ΔE=ηHΔV. 3. Suureyhtälö (2 p.): ΔV=ηH2mgΔh. 4. Lukuarvot (3 p.): Δh=105−17=88 m, joten ΔE=2⋅1600kg⋅9,81m/s2⋅88m≈2,76 MJ ja ΔV=0,24⋅31,2MJ/l2,76MJ≈0,37 l.
Vastaus: menomatkalla kuluu noin 0,37 litraa enemmän. Matkaa 58 km ei tarvita, koska vastustyö on sama molempiin suuntiin. Yleinen virhe: hyötysuhde unohtuu tai vastusvoimien työ jää perustelematta.
En bil körs med jämn hastighet från Helsingfors till Hyvinge och tillbaka från Hyvinge till Helsingfors. Avståndet mellan Helsingfors och Hyvinge längs vägen är 58 km. Utgångspunkten i Helsingfors är vid en höjd på 17 m över havsnivån och målet i Hyvinge är vid 105 m över havsnivån. Bilens massa är 1 600 kg och verkningsgraden för dess bensinmotor är 24 %. Du kan anta att motståndskrafterna i genomsnitt är lika stora för både tur- och returresan. Värmevärdet för bensin är 31,2 MJ/l. Hur påverkas skillnaden mellan bensinförbrukningen på tur- och returresan om man på turresan kör med en högre hastighet än på returresan?
Beskrivning av goda svar
Suuremmalla nopeudella vastusvoimien tekemä työ on menomatkalla suurempi, joten ΔE=2mgΔh+Wmeno−Wpaluu>2mgΔh: kulutusero kasvaa. Pisteytys: tunnistettu vastusvoimien työ suuremmaksi suuremmalla nopeudella (2 p.); todettu kulutuksen olleen alun perin suurempaa menomatkalla (2 p.); oikea johtopäätös (2 p.). Riittämätöntä: pelkkä toteamus, että nopeuden kasvaessa kulutus kasvaa.
Förklaring
Avainajatus: suurempi nopeus kasvattaa vastusvoimien työtä menomatkalla, joten meno- ja paluumatkan kulutusero kasvaa entisestään.
Rakenna vastaus kolmeen osaan: 1. Vastusvoimat (2 p.): ilmanvastus kasvaa nopeuden mukana, likimain nopeuden neliössä, joten samalla matkalla vastusvoimien tekemä työ Wmeno on suurempi kuin hitaammin ajetulla paluumatkalla Wpaluu. 2. Lähtötilanne (2 p.): jo yhtä suurilla nopeuksilla menomatka kulutti enemmän, koska auto nousi 88 m ylöspäin: Emeno=mgΔh+W ja Epaluu=−mgΔh+W. 3. Johtopäätös (2 p.): nyt ΔE=2mgΔh+Wmeno−Wpaluu>2mgΔh, joten energian ja bensiinin kulutusero kasvaa.
Täysien pisteiden vastaus perustelee sekä vastustyön kasvun että sen, että ero lisätään jo olemassa olevaan potentiaalienergiasta johtuvaan eroon. Pelkkä toteamus "nopeuden kasvaessa kulutus kasvaa" ei riitä, koska se ei kerro, miten ero meno- ja paluumatkan välillä muuttuu.
År 2022 lyckades NASA:s strövare Perseverance spela in ljudvågor på Mars yta. Hastigheten för ljudet på Mars uppmättes till ungefär 240 m/s för frekvenser under 400 hertz och ungefär 250 m/s för högre frekvenser. Ljud producerat från likadana källor observerades vara ungefär 20 decibel svagare på Mars än på jorden. Densiteten för gasatmosfären på Mars yta är 0,02 kg/m³, medan densiteten för atmosfären vid havsnivån på jorden är ungefär 1,2 kg/m³. Varför var förekomsten av ljudvågor i Mars gasatmosfär en betydande upptäckt som skakade om vetenskapsvärlden?
Beskrivning av goda svar
Ääniaalto tarvitsee edetäkseen väliaineen, ja oli ajateltu, että Marsin kaasukehän tiheys tai paine tai molemmat ovat liian alhaisia aallon etenemiseen. Pisteytys: tunnistettu väliaineen tarve (1 p.); viitattu Marsin kaasukehän pieneen paineeseen tai tiheyteen (2 p.). Ei hyväksytä spekulaatiota elämästä Marsissa.
Förklaring
Avainajatus: ääni on mekaaninen aalto, joka tarvitsee väliaineen, ja Marsin kaasukehä on niin harva, ettei sen uskottu kuljettavan ääntä havaittavasti.
Ääniaalto etenee väliaineen hiukkasten paine- ja tiheysvaihteluina; tyhjiössä ääntä ei ole lainkaan (1 p.). Marsin pinnalla kaasukehän tiheys on 0,02kg/m3, vain noin 1/60 Maan ilmakehän tiheydestä, ja paine on alle prosentin Maan pintapaineesta. Näin harvassa kaasussa hiukkasten törmäykset ovat harvinaisia ja aaltoenergia vaimenee nopeasti, joten oli epäselvää, syntyisikö ja etenisikö äänenä havaittava aalto lainkaan, ja pystyisikö mikrofoni rekisteröimään sen (2 p.). Perseverancen tallenne osoitti, että ääni etenee, vaikkakin 20 dB heikompana ja taajuudesta riippuvalla nopeudella.
Täysien pisteiden vastaus sisältää molemmat osat: väliaineen tarve ja kaasukehän pieni tiheys tai paine. Spekulointi elämästä Marsissa ei tuota pisteitä.
År 2022 lyckades NASA:s strövare Perseverance spela in ljudvågor på Mars yta. Hastigheten för ljudet på Mars uppmättes till ungefär 240 m/s för frekvenser under 400 hertz och ungefär 250 m/s för högre frekvenser. Ljud producerat från likadana källor observerades vara ungefär 20 decibel svagare på Mars än på jorden. Densiteten för gasatmosfären på Mars yta är 0,02 kg/m³, medan densiteten för atmosfären vid havsnivån på jorden är ungefär 1,2 kg/m³. Hur skiljer sig det ömsesidiga beroendet mellan ljudets hastighet och frekvens på Mars från deras beroende på jordens yta?
Beskrivning av goda svar
Maan pinnalla äänen nopeus on kuuloalueen taajuuksilla likimain vakio taajuuden funktiona, kun taas Marsissa nopeus riippuu taajuudesta. Pisteytys: todettu äänen nopeuden olevan Maassa vakio (3 p.). Tyypillinen virhe: väitetään äänen nopeuden muuttuvan yhtälön v=λf mukaan.
Förklaring
Avainajatus: Maan pinnalla äänen nopeus ei riipu taajuudesta, mutta Marsissa se riippuu, sillä siellä korkeat äänet etenevät nopeammin kuin matalat.
Maan ilmakehässä äänen nopeus on kuuloalueella likimain vakio, noin 340 m/s, riippumatta siitä, onko ääni matala vai korkea; se riippuu vain väliaineen ominaisuuksista, kuten lämpötilasta. Marsin hiilidioksidipitoisessa harvassa kaasukehässä nopeus on tehtävän mukaan noin 240 m/s alle 400 Hz:n taajuuksilla ja noin 250 m/s sitä korkeammilla: väliaine on dispersiivinen. Ero johtuu siitä, että hiilidioksidimolekyylien värähtelyvapausasteet ehtivät reagoida vain matalilla taajuuksilla.
Täysien pisteiden vastaus toteaa selvästi, että Maassa nopeus on taajuudesta riippumaton vakio, toisin kuin Marsissa (3 p.).
Yleinen virhe on päätellä yhtälöstä v=λf, että nopeus kasvaisi taajuuden mukana. Yhtälö kertoo vain, että annetulla nopeudella aallonpituus lyhenee taajuuden kasvaessa; nopeuden määrää väliaine.
Hur mycket måste ljudets intensitet ökas i förhållande till den ursprungliga intensiteten om vi vill öka ljudnivån med 20 dB?
Beskrivning av goda svar
Intensiteettitason yhtälöstä L=10dB⋅log(I/I0) seuraa log(I1/I2)=2, eli I1/I2=100: intensiteetti on satakertaistettava. Pisteytys: ratkaisu perusteltu intensiteettitason logaritmisuudella tai suureyhtälöllä (2 p.); oikea lopputulos yhden numeron tarkkuudella (3 p.).
Förklaring
Avainajatus: desibeliasteikko on logaritminen, ja jokainen 10 dB vastaa intensiteetin kymmenkertaistumista, joten 20 dB vaatii satakertaisen intensiteetin.
Intensiteettitaso määritellään L=10dB⋅logI0I. Kahden tason erotukselle saadaan L1−L2=10dB⋅logI2I1. Sijoitetaan haluttu muutos L1−L2=20 dB: logI2I1=2, joten I2I1=102=100.
Vastaus: intensiteetti on kasvatettava satakertaiseksi (5 p.).
Pisteytyksessä ratkaisu on perusteltava intensiteettitason logaritmisuudella tai suureyhtälöllä (2 p.), ja lopputulos 100 ilmoitetaan yhden numeron tarkkuudella (3 p.). Muistisääntö: +3 dB kaksinkertaistaa, +10 dB kymmenkertaistaa ja +20 dB satakertaistaa intensiteetin. Yleinen virhe on ajatella, että 20 dB:n lisäys tarkoittaisi intensiteetin kasvua 20-kertaiseksi tai 20 prosentilla; taso ei ole verrannollinen intensiteettiin.
Bearbetad från SEN:s uppgift (materialet borttaget) · original
6.44 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. Pohdi annettujen tietojen perusteella, millainen olisi puheen tai musiikin kuuntelukokemus Marsissa verrattuna Maahan olettaen, että äänien kuuntelu Marsissa olisi mahdollista ilman suojausjärjestelyjä.
Beskrivning av goda svar
Marsissa kaikki äänet kuultaisiin noin 20 dB vaimeampina. Lisäksi yli 400 Hz:n äänet etenevät noin 4 % nopeammin kuin matalat äänet, joten ne saapuisivat kuulijalle aiemmin ja puhe tai musiikki kuulostaisi epäselvältä. Pisteytys: tunnistettu äänien kuuluminen vaimeampina (2 p.); tunnistettu puheen tai musiikin meneminen epäselväksi äänen erilaisen etenemisnopeuden takia (2 p.).
Förklaring
Avainajatus: Marsissa äänet olisivat paljon hiljaisempia ja lisäksi vääristyneitä, koska eri taajuudet saapuvat kuulijalle eri aikaan.
1. Voimakkuus (2 p.): sama äänilähde havaitaan Marsissa noin 20 dB heikompana, mikä vastaa intensiteetin pienenemistä sadasosaan. Puhe kuulostaisi kuiskaukselta ja musiikkia pitäisi kuunnella hyvin läheltä; harva kaasukehä (0,02kg/m3) ei siirrä äänienergiaa tehokkaasti. 2. Epäselvyys (2 p.): alle 400 Hz:n äänet etenevät noin 240 m/s ja korkeammat noin 250 m/s, eli noin 4% nopeammin. Esimerkiksi 100 m:n matkalla korkeat äänet saapuvat noin 17 ms ennen matalia. Puheen konsonantit ja musiikin eri sävelet erkanevat toisistaan ajassa, joten sanat ja soinnut puuroutuvat, ja vaikutus kasvaa etäisyyden mukana.
Täysien pisteiden vastaus perustelee molemmat havainnot annetuilla luvuilla: vaimeus 20 dB:n erolla ja epäselvyys nopeuksien erolla. Pelkkä "ääni kuuluisi huonommin" ei riitä ilman kytkentää taajuusriippuvaan nopeuteen.
Vid hög temperatur är materian som ett plasma, vilket kan beskrivas som en joniserad gas: atomernas kärnor och elektroner rör sig fritt från varandra, och ett plasma kan styras med el- och magnetfält. Deuterium är tungt väte i vars kärna det finns en proton och en neutron; ett deuteriumplasma innehåller därmed elektroner och deuteroner. I en anordning som innehåller ett plasma finns till en början ett homogent magnetfält men inget elektriskt fält. Begynnelsehastigheterna för en deuteron och en elektron är vinkelräta mot magnetfältet. Hur rör sig deuteronen och elektronen i magnetfältet? På vilka två sätt skiljer sig deras rörelser från varandra?
Beskrivning av goda svar
Homogeenisessa magneettikentässä molemmat kulkevat ympyrärataa vakiovauhdilla magneettikenttää vastaan kohtisuorassa tasossa. Massaeron takia ympyräratojen säteet ovat erilaiset, ja varauksen vastakkaisen merkin takia kiertosuunnat ovat vastakkaiset. Pisteytys: mainittu ympyrärata (2 p.), erilainen säde (2 p.) ja vastakkainen kiertosuunta (2 p.). Tyypillinen virhe: tarkastellaan vain alkutilannetta.
Förklaring
Avainajatus: magneettikentän voima on aina kohtisuorassa nopeutta vastaan, joten kumpikin hiukkanen kulkee ympyrärataa vakiovauhdilla, mutta massan ja varauksen merkin erot muuttavat radan sädettä ja kiertosuuntaa.
1. Ympyrärata (2 p.): Lorentzin voima F=∣q∣vB on kohtisuorassa nopeutta ja kenttää vastaan, joten se ei tee työtä; vauhti pysyy vakiona ja voima toimii keskihakuisena voimana. Rata on ympyrä kenttää vastaan kohtisuorassa tasossa. 2. Säde (2 p.): yhtälöstä ∣q∣vB=rmv2 saadaan r=∣q∣Bmv. Deuteronin massa on noin 3700-kertainen elektronin massaan, ja varausten itseisarvot ovat samat, joten samalla nopeudella deuteronin rata on paljon suurempi (ja kiertoaika T=2πm/(∣q∣B) pidempi). 3. Kiertosuunta (2 p.): voiman suunta Fˉ=qvˉ×Bˉ riippuu varauksen merkistä, joten positiivinen deuteroni ja negatiivinen elektroni kiertävät vastakkaisiin suuntiin.
Täysien pisteiden vastaus kuvaa koko liikkeen, ei vain alkuhetken voimaa. Yleinen virhe on tarkastella pelkkää alkutilannetta.
Bränslet i en fusionsreaktor är i form av ett plasma. Varför används just el- och magnetfält för att styra plasmat i en fusionsreaktor? Varför försöker man hålla plasmat tätt?
Beskrivning av goda svar
Plasman lämpötila on niin korkea (10⁶…10⁸ K), että rakennemateriaalit sulaisivat plasman koskettaessa niitä, eikä koossapito onnistu kiinteillä rakenteilla; kosketukset vältetään sähkö- ja magneettikentillä. Kun plasman tiheys kasvaa, fuusioreaktioiden todennäköisyys kasvaa. Pisteytys: mainittu plasman korkea lämpötila ja liitetty se seinämateriaalien sulamiseen (2 p.); liitetty suurempi tiheys reaktioiden suurempaan todennäköisyyteen (2 p.).
Förklaring
Avainajatus: plasma on liian kuumaa koskettamaan mitään materiaalia, joten sitä pidetään koossa kentillä, ja tiheä plasma tuottaa enemmän fuusioreaktioita.
1. Kentät koossapitäjinä (2 p.): fuusio vaatii, että ytimet ylittävät sähköisen poistovoiman, mikä onnistuu vasta noin 107–108 K:n lämpötilassa. Mikään kiinteä seinä ei kestä tätä: rakennemateriaalit sulaisivat ja höyrystyisivät, ja plasma jäähtyisi ja saastuisi kosketuksessa. Koska plasma koostuu varatuista hiukkasista, ionit ja elektronit seuraavat magneettikentän kenttäviivoja ja niitä voidaan ohjata Lorentzin voimalla Fˉ=qvˉ×Bˉ; tokamakissa rengasmainen kenttä pitää plasman irti seinistä. 2. Tiheys (2 p.): fuusioreaktio syntyy, kun kaksi ydintä törmäävät riittävällä energialla. Reaktionopeus on verrannollinen törmäysten määrään eli hiukkastiheyden neliöön, joten tiheämmässä plasmassa reaktioita tapahtuu todennäköisemmin ja tehontuotto kasvaa.
Täysien pisteiden vastaus yhdistää korkean lämpötilan materiaalien sulamiseen ja tiheyden reaktioiden todennäköisyyteen.
Kilpirauhassyövän hoidossa käytetään radioaktiivista jodin isotooppia I-131, joka hajoaa beetamiinushajoamisella. Kirjoita I-131:n hajoamisyhtälö.
Bygger på en studentexamensuppgift (syksy 2023, fysiikka, tehtävä 8.1). Uppgiften har formulerats om. Aineistoon viittaava lause on poistettu, koska osatehtävä ei tarvitse aineistoa.
Beskrivning av goda svar
Hajoamisyhtälö on 131I→131Xe+β−+νˉe. Yhtälö kokonaan oikein (3 p.). Tyypillisiä virheitä: neutrino puuttuu tai reaktiotuotteena on väärä alkuaine.
Förklaring
Avainajatus: beetamiinushajoamisessa ytimen neutroni muuttuu protoniksi, jolloin järjestysluku kasvaa yhdellä, massaluku säilyy ja ytimestä lähtee elektroni ja antineutrino.
Kirjoita yhtälö vaiheittain: 1. Lähtöydin: jodin järjestysluku on Z=53 ja massaluku A=131, siis 53131I. 2. Tytärydin: Z kasvaa yhdellä arvoon 54, joka on ksenon; A pysyy 131:nä, siis 54131Xe. 3. Hiukkaset: beetahiukkanen β− eli elektroni −10e ja elektronin antineutrino νˉe.
Yhtälö: 53131I→54131Xe+β−+νˉe.
Tarkista säilymislait: massaluvut 131=131+0+0 ja varaukset 53=54−1+0. Täysin oikea yhtälö antaa 3 p.
Yleisimmät virheet: antineutrino jätetään pois (se tarvitaan energian, liikemäärän ja leptoniluvun säilymiseksi) tai tytärytimeksi valitaan väärä alkuaine, esimerkiksi telluuri, joka syntyisi beetaplushajoamisessa.
Bearbetad från SEN:s uppgift (materialet borttaget) · original
Uppgifter som saknas
Sidan innehåller inte hela provet: uppgifter som bygger på provets bilagematerial (texter, bilder, tabeller) har utelämnats eller omformulerats av upphovsrättsskäl. Hela provet med bilagor finns hos Studentexamensnämnden.