FYSIIKAN KOE 11.3.2015 HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ

 FYSIIKAN KOE 11.3.2015 HYVÄN VASTAUKSEN PIIRTEITÄ Alla oleva vastausten piirteiden, sisältöjen ja pisteitysten luonnehdinta ei sido ylioppilas‐
tutkintolautakunnan arvostelua. Lopullisessa arvostelussa käytettävistä kriteereistä päät‐
tää tutkintoaineen sensorikunta. Fysiikka pyrkii ymmärtämään luonnon perusrakennetta, luonnonilmiöiden perusmekanisme‐
ja ja niiden säännönmukaisuuksia. Fysiikassa käsitteellinen tieto ja tietorakenteet pyritään ilmaisemaan mahdollisimman kattavina ja yleisinä. Kokeellinen menetelmä on fysiikan tie‐
don perusta, ja saavutettu tieto esitetään usein matemaattisina teoriarakenteina ja malleina. Malleilla on keskeinen asema myös kehitettäessä, sovellettaessa ja käytettäessä näin saavu‐
tettua tietoa. Fysiikan tiedonhankinnalle, tiedon esittämiselle ja sen soveltamiselle on tyypil‐
listä teorian ja kokeellisuuden nivoutuminen toisiinsa. Fysiikan kokeessa arvioinnin kohteita ovat sekä fysikaalisen tiedon ymmärtäminen että tie‐
don soveltamisen taito lukion opetussuunnitelman perusteiden mukaisesti. Kokeessa arvioi‐
daan myös kokelaan kokeellisen tiedonhankinnan ja ‐käsittelyn taitoja. Näitä ovat mm. ko‐
keensuunnittelu, yleisimpien mittavälineiden käytön hallinta, tulosten esittäminen ja tul‐
kitseminen sekä johtopäätösten tekeminen. Luonnontieteiden ja teknologian alaan liittyviä ongelmia ratkaistaan käyttäen ja soveltaen fysiikan käsitteitä ja käsiterakenteita. Luovuutta ja kekseliäisyyttä osoittavat ratkaisut katsotaan erityisen ansiokkaiksi. Arviointiin vaikuttavat myös kokelaan vastausten selkeys, asiasisällön johdonmukaisuus ja jäsentyneisyys. Fysiikan tehtävän vastaus sisältää vastauksen perustelut, ellei tehtävänannossa ole toisin mainittu. Kokelas osaa yhdistellä tietoa ja soveltaa oppimaansa. Vastaus osoittaa, että koke‐
las on tunnistanut oikein fysikaalisen ilmiön ja tarkastelee tilannetta fysikaalisesti mielekkääl‐
lä tavalla. Kokelas osaa kuvata sovellettavan fysikaalisen mallin ja perustella, miksi mallia voidaan käyttää kyseisessä tehtävässä. Usein vastauksessa tarvitaan tilannekuvioita, voima‐
kuvioita, kytkentäkaavioita tai graafista esitystä. Kuviot, kaaviot ja graafiset esitykset ovat selkeitä ja oppiaineen yleisten periaatteiden mukaisia. Voimakuviossa todelliset voimat ero‐
tetaan vektorikomponenteista selkeästi. Matemaattista käsittelyä edellyttävissä tehtävissä suureyhtälöt ja kaavat on perusteltu taval‐
la, joka osoittaa kokelaan hahmottaneen tilanteen, esimerkiksi lähtien jostain fysiikan perus‐
laista tai ‐periaatteesta. Vastauksessa on esitetty tarvittavat laskut sekä muut riittävät perus‐
telut ja lopputulos. Laskemista edellyttävissä osioissa suureyhtälö on ratkaistu kysytyn suu‐
reen suhteen, ja tähän suureyhtälöön on sijoitettu lukuarvot yksikköineen. Fysiikan kokeessa kaikki funktio‐, graafiset ja symboliset laskimet ovat sallittuja. Symbolisen laskimen avulla tehdyt ratkaisut hyväksytään, kunhan ratkaisusta käy ilmi, mihin tilanteeseen ja yhtälöihin ratkaisu symboleineen perustuu. Laskimen avulla voidaan ratkaista yhtälöitä ja tehdä pää‐
telmiä kuvaajista tehtävänannon edellyttämällä tavalla. Tehtävän eri osat arvostellaan 1/3 pisteen tarkkuudella, ja loppusumma pyöristetään koko‐
naisiksi pisteiksi. Fysiikan koe 11.3.2015 Hyvän vastauksen piirteitä Tehtävä1
Oikeatpaikka–nopeus‐kuvaajaparit:
a b c d e f
5 4 7 1 2 6
1piste/kohta
Tehtävä2
a)
Kuvaaja3p.
b)Piste,jossasammakonratanopeusonsuurin,onmerkittykuvaajaanpunaisella
ympyrällä.
1p.,kunpiirrettypisteonkuvaajallaoikeidendatapisteidenvälissä.
c) Hetkellinenkiihtyvyyshetkellä0,24sonnopeudenkuvaajalletätähetkeävastaavaan
pisteeseenpiirretyntangenttisuorankulmakerroin.
1p.(tangenttisuorapiirretty)
Määritetäänkulmakerroinkahdentangenttisuoranpisteenavulla.
0,24s
4,9 3,2 m/s
0,30 0,15 s
11,333333m/s
11m/s 1p.
Fysiikan koe 11.3.2015 Hyvän vastauksen piirteitä Tehtävä3
a)Vedenlämpötilalaskeetunninkuluessa1,2C.Oletetaan,ettävedentiheysontasan1kg/L.
Lämpötilanlaskiessavedestäympäristöönsiirtyvälämpöon
∆
4,19
∙°
∙ 45,0kg ∙ 37,0
35,8 °C
226260J
226kJ. 2p.
b)Jottavesipysyisivakiolämpötilassa,tunninaikanaveteenonsiirrettäväQ:nverranlämpöä.
Keskimääräinenlämmitystehoon
62,85W
62,9W.
2p.
c) Vetoketjunkohdallaeristäväämateriaaliaeiole.Metallinenvetoketjujohtaahyvinlämpöä,
jasenlämpökapasiteettionpieni,jolloinsenlämpötilanouseehelpostilähelle
makuupussinsisälämpötilaa.
2p.
Tehtävä4
a) Ilmantaitekerroinon1,00,eliseonpienempikuinsarveiskalvontaitekerroin1,38.Kun
valonsädekulkeeoptisestiharvemmastaoptisestitiheämpäänaineeseenrajapinnanläpi,
setaittuupinnannormaalinsuuntaan.Tätensarveiskalvomuodostaakaukaisestaesineestä
todellisenkuvantarkannäkemisenalueelleverkkokalvolle,jokaonnoin2,5cm:npäässä
rajapinnasta.Valontaittumiskulmasaadaantaittumislaista
∙ sin
∙ sin 1,00
sin
sin
0,72 ∙ sin 1,38
Kunvalonsädetuleevedestäsarveiskalvoon,setaittuumyöställöinkohtipinnan
normaalia,koskavedentaitekerroin1,33onpienempikuinsarveiskalvontaitekerroin.
Vedentaitekerroinonkuitenkinpaljonsuurempikuinilmantaitekerroin,jolloinvalonsäde
taittuupaljonvähemmänkuintullessaanilmastasilmään.Taittumiskulmasaadaan
taittumislaista
1,33
sin
sin
0,96 ∙ sin 1,38
Taittumislainavullavoidaantodeta,ettätaittumiskulmavalontullessavedestäsilmään
onhyvinlähellätulokulmaa,jolloinvalonsäteeteivätleikkaaverkkokalvolla. 2p.
Tämäaiheuttaasen,ettätarkkaakuvaakaukaisestaesineestäeimuodostu,kutenallaoleva
kuvaosoittaa.Tällöinihmineneinäetarkastikaukaisiaesineitävedessä. Fysiikan koe 11.3.2015 Hyvän vastauksen piirteitä 1p.
Kunvedessäkäytetäänuimalaseja,silmäneteenjääohutilmakerros,jokamahdollistaatarkan
näkemisen.Tällöintilannevastaatehtävänannossaesitettyäkuvaa,jossasilmäonilmassa.
uimalasit vettä ilmaa 1p.
b) Koverasilmälasinlinssihajottaakaukaisestaesineestätulevatvalonsäteet,jolloinkuva
muodostuusilmässäkauemmaskuinilmansilmälaseja.Ilmansilmälasejakaukaisenesineen
kuvamuodostuuverkkokalvoneteen,jolloinlikinäköinenhenkilöeinäekaukaisiaesineitä
tarkasti.Tämäjohtuusiitä,ettälikinäköisenhenkilönsilmämunaonliianpitkä,eli
verkkokalvontarkannäkemisenalueonliiankaukanasarveiskalvonpinnastasilmän
taittokykyynnähden.
Sarveiskalvonkaarevuussädettäonmuutettavasiten,ettäkuvamuodostuisi
korjausleikkauksenjälkeenkauemmaskuinennenleikkausta.Tämäsaadaanaikaan
vähentämälläsarveiskalvonkuperuuttaelikasvattamallakaarevuussädettä.
2p.
(Joskaarevuussädettäpienennetään,pintaonentistäkuperampijakuvamuodostuisientistä
lähemmäsrajapintaajakauemmasverkkokalvoa.Kaukonäköisenihmisentaittovirheen
korjausleikkauksessakaarevuussädettäonpienennettävä.)
Fysiikan koe 11.3.2015 Hyvän vastauksen piirteitä Tehtävä5
a)Langanjakitkajarrunvälinenkitkavuorovaikutusvaikuttaamolempiinyhtävoimakkaasti,
jotenkumpaankinkohdistuvatvoimat(kitkavoimajasenvastavoima)ovatyhtäsuuret.
Nämäovatkoetilanteessaainoatvaunujenliikettämuuttavatvoimat.
LasketaanvaunuunAkohdistuvavoima.
NewtonII:
VaununAkeskikiihtyvyyssaadaansovittamallatehtäväpaperinvaununAnopeuden
kuvaajaansuoraaikavälillä0s–0,8s,jamäärittämälläsuorankulmakerroinkahden
suoraltaluetunpisteenavulla.
,
,
,
/
,
0,35625m/s Kitkajarrunlankaankohdistamakitkavoima:
0,222kg ∙ 0,35625m/s
0,0790875N
0,079N
2p.
b)NewtoninIIIlainmukaanvaunuunBkohdistuvavoimaonitseisarvoltaanyhtäsuurikuin
vaunuunAkohdistuvavoima,muttavastakkaissuuntainen.
VaununBkiihtyvyyssaadaanvastaavallatavallakuinvaununAkiihtyvyys.
,
,
,
/
,
0,2m/s VaununBmassa:
,
0,3954375kg
, /
0,40kg
2p.
Massanvoiratkaistamyösliikemääränsäilymislainavulla.
c) Koskamikäänulkoinenvoimaeimuutavaunujenliikettä,systeeminliikemääräsäilyy.
Tällöinvaunujenyhteinenmassakeskipisteeteneetasaisellanopeudella,jokaonsama
kuinvaunujenyhteinennopeus ennenjousenlaukaisua.Jarrutuksenpäätyttyä
vaunujennopeudetovatajanhetkellät=0,97syhtäsuuret,
0,16 m⁄s,jokaonmyössysteeminmassakeskipisteennopeus.
2p.
Näinollen =0,16m/s.
Fysiikan koe 11.3.2015 Hyvän vastauksen piirteitä Tehtävä6
a)Maapallonradansäde
149,597 ∙ 10 m
Maapallonmassa
m=5,9737∙1024kg
Maapallonsäde
r=6,371∙106m
KiertoaikaAuringonympäri
T=365d
Maapallonkeskinopeusradalla
v=29,78km/s
Pyörähdysaikaakselinsaympäri t=24h
1p.
Tehtäväntilanteessaratanopeudensuuruusonvakio,koskaMaahankohdistuva
gravitaatiovoimasuuntautuukohtiradankeskipistettäjaonsitenainakohtisuorassarataa
vastaan.SiksigravitaatiovoimaeipystymuuttamaanMaanratanopeudensuuruutta.
Kiertoliikkeenliike‐energia:
∙ 5,9737 ∙ 10 kg ∙ 29780m/s
2,6488831 ∙ 10 J
2,65 ∙ 10 J
1p.
1p.
Pyörimisenergia:
∙ ∙
∙
∙ ∙ 5,9737 ∙ 10 kg ∙ 6,371 ∙ 10 m
∙
∙
2,5646073 ∙ 10 J 2,56 ∙ 10 J
∙
b)Maapallonmekaaninenkokonaisenergiakoostuugravitaatiovuorovaikutuksen
potentiaalienergiasta,rataliikkeenliike‐energiastajapyörimisenergiasta.
1p.
Ympyräradallaauringonympäripotentiaalienergiaonvakio
,
missä onmaapallonmassa, auringonmassa, ympyräradansädeja gravitaatiovakio.
Ympyräradansaaaikaiseksiauringongravitaatiovoima,jokaNewtoninIIlainmukaan
saaaikaanmaapallonnormaalikiihtyvyyden
suuruuson
,missänormaalikiihtyvyyden
japainovoimansuuruuson
.
Fysiikan koe 11.3.2015 Hyvän vastauksen piirteitä 1p.
Maapallonliike‐energiaradallaanon
1
2
joten
1
2
1
2
2
Mekaaninenkokonaisenergiaon
2,6488831 ∙ 10 J 2,5646073 ∙ 10 J
2,65 ∙ 10 J.
2,6486267 ∙ 10 J
1
2
,
.
1p.
Tehtävä7
a)
b)
a)
–Käytetäänoikeitakytkentäsymbolejajajohdinliitoksetmerkittytaineerottuvatselvästi.
–Paristotonkytkettysarjaan.
–LamputBjaConkytkettyrinnan. –LampunApaikkaonpiirrettyoikeinsuhteessaparistojennapaisuuteen.
Myöstoisinpiirrettykytkentäkaaviohyväksytään,kunhanseonoikein.
b)
–VirtamittarionpiirrettylampunCkanssasarjaan.
–JännitemittarionpiirrettylampunArinnalle.
Fysiikan koe 11.3.2015 Hyvän vastauksen piirteitä 1p.
1p.
1p.
1p.
1p.
1p.
Tehtävä8 a)Merivedessäonyhtäsuuretmäärätpositiivisiajanegatiivisiaioneja.Jännitteensynnyttämä
sähkökenttäsaaionitliikkeeseen.Sähkövirtaonionienliikettä.
1p.
b)Moottorintyöntövoimasyntyymagneettikentänjaliikkuvienionienvälisestä
vuorovaikutuksesta.KunelektrodienvälilläkulkeevirtaI,ioneihinkohdistuu
magneettinenvoima,jokaonyhtäsuurisekäpositiivisilleettänegatiivisilleioneille.
Kokonaisvoima,jokakohdistuuvaraustakuljettaviinioneihin,onF=IlB,jaseon
merivedenvirtauksensuuntainen.
VastaavastilaivaankohdistuuNewtoninIII:nlainmukaisestisamansuuruinenmutta
vastakkaissuuntainenvoima.
1p.
1p.
1p.
c) KunelektrodienvälilläkulkeevirtaI,ioneihinkohdistuumagneettinenvoima
700A ∙ 0,30m ∙ 15T
Laivaankohdistuvatyöntövoimaonyhtäsuuri. 3150N
3,2kN
Fysiikan koe 11.3.2015 Hyvän vastauksen piirteitä 2p.
Tehtävä9
a)Absorptiossakvartsikideottaavastaanfotoninenergian,
jonkaonvastattavajotakinvyöhykkeeltätoiselletapahtu‐
vansiirtymänenergiaerotusta.Fotonienergianjasäteilyn
aallonpituudenvälinenyhteyson∆
,josta
∆
.
1p.
AbsorptioA→B:fotonienenergiat
2,50eV–3,50eVvastaavataallonpituuksia
354nm–496nm.
AbsorptioA→C:fotonienenergiat
4,00eV–4,75eVvastaavataallonpituuksia
261nm–310nm.
AbsorptioB→C:fotonienenergiat
1,00eV–1,75eVvastaavataallonpituuksia
709nm–1240nm 1p.
Emissiossarakennesiirtyyalempaanenergiatilaanjalähettääsamallafotonin,jonka
energiavastaavyöhykkeeltäBtaiCvyöhykkeelleAtapahtuvansiirtymänenergiaerotusta.
Tällöinemittoituvansäteilynaallonpituuson354nm–496nmtai261nm–
310nm. 1p.
1p.
b)Emissiospektrissäeinäyyksittäisiäsiirtymiävastaaviaviivoja,vaankaksi
yhtenäisempääkaistaa,joistatoinenkattaaaallonpituudet354nm–496nmjatoinen
aallonpituudet261nm–310nm. 2p.
Fysiikan koe 11.3.2015 Hyvän vastauksen piirteitä Tehtävä10
a)
PisteessäBkuulaanvaikuttavatkuulan
paino ̅ ,radantukivoima jakitkavoima
.
PisteessäAkuulaanvaikuttavatkuulan
paino ̅ jaradantukivoima .
0.
Rajatapauksessa
1p.+1p.
b)Kuulanmekaaninenkokonaisenergiasäilyy,elipotentiaalienergian,liike‐energianja
rotaatioenergianmuutostensummaonnolla.Alkutilanteessa
0,
0.
∆
∆
∆
0
∆
0
Vierimisehto:
(1)
(2)
2p.
PisteessäArajatilanteessapallonjaradanvälinentukivoimaonnolla,japallonpainoyksin
aiheuttaaympyräradannormaalikiihtyvyyden.
NewtoninIIlainmukaan:
,missäρonpallonpainopisteenradansäde:
Saadaan
(3)
.
Sijoittamallaumpinaisenpallonhitausmomentti
1p.
,(2)ja(3)lausekkeeseen(1)
saadaan
∙
∙ 2
∙
0
Fysiikan koe 11.3.2015 Hyvän vastauksen piirteitä 1p.
Tehtävä11
a)
b)
3p./oikeakuva
Johtavanpallokuorensisäpintaonnegatiivisestivarautunut,ulkopintapositiivisestivarautunut,
japallokuoressaolevienvaraustensummaonnolla.Eristeessätapahtuupolarisaatiota,joka
heikentääkenttää.
Sähkökentänsuuntaonpositiivisestanegatiiviseen.Kenttäviivojaonyhtäpaljonpallokuoren
sisä‐jaulkopuolella.Johtavanpallokuorensisälläeiolekenttäviivoja.Eristepallokuoressaon
vähemmänkenttäviivojakuinsenulkopuolella.
Tehtävä+12
a)Höyrynpaine25°C:nlämpötilassa 1p.
b)Kunventtiilionkiinni,kaasu‐janestefaasiovatpullossatasapainossa,japullossaon
vallitsevaalämpötilaavastaavakylläisenhöyrynpaine.Kunventtiiliavataan,kaasua
purkautuuulos,jolloinpainepullossapyrkiilaskemaan.Tällöinnestealkaakiehua.
2p.
c) Kylläisenhöyrynpainejasitenmyöskaasusuihkunvoimakkuusriippuuvainlämpötilasta,
eipullossaolevannesteenmäärästä.
2p.
d)Kunkaasuapäästetäänulosvakiomäärä,myösnestettähöyrystyypullossavakiomäärä.
Nesteenhöyrystyminenvaatiivakiomääränenergiaa,janesteensisäenergiavähenee
vastaavallamäärällä.Sisäenergianpieneneminenjohtaalämpötilanlaskuun.Mitä
vähemmännestettäon,sitäsuurempionlämpötilanlasku,kunnesteluovuttaatietyn
energiamäärän.
2p.
Fysiikan koe 11.3.2015 Hyvän vastauksen piirteitä e)Kaasuvoidaannesteyttääpuristamalla,joslämpötilaonkaasunkriittisenpisteen
alapuolella.Ilmakoostuuläheskokonaantypestäjahapesta.Taulukostanähdään,että
huoneenlämpötilaonpaljonnäidenkaasujenkriittisiälämpötilojakorkeampi.Näinollen
ilmaaeivoihuoneenlämpötilassapakatapaineastiaanniin,ettäastiassaolisiilmaamyös
nestemäisessäolomuodossa.Tetrafluorietaanillepakkaaminenonnistuu,koska
huoneenlämpötilaonkaasunkriittistälämpötilaamatalampi.
2p.
Tehtävä+13
a)
Hiukkasfysiikanstandardimallikuvaaaineenrakennettajavuorovaikutuksia
perushiukkastenjaperusvuorovaikutustentasolla.Mallinlähtökohtanaovathavaitut
symmetriatjasäilymislait.
Perushiukkaset:Standardimallinmukaanainekoostuuperushiukkasista,joitaovatkvarkit
jaleptonit.Kaikkiaankvarkkejaonkuusierilaji(u,d,s,c,bjat),samoinleptoneitaonkuusi
erilajia(e,νe,μ,νμ,τ,ντ).Lisäksihiukkasfysiikanstandardimalliinkuuluvatkvarkkienja
leptonienantihiukkaset.Standardimallinmukaanaineenperushiukkasetjaniiden
antihiukkasetkummatkinjakautuvatkolmeenperheeseen,jotkaovatelektronin,myoninja
taunperheet.Jokaiseenperheeseenkuuluuneljäperushiukkasta,kaksikvarkkiajakaksi
leptonia.
2p.
b)
Perusvuorovaikutukset:Hiukkasfysiikanstandardimallikuvaaperushiukkastenvälisiä
perusvuorovaikutuksia,joitaovatsähkömagneettinenvuorovaikutus,vahvavuorovaikutus
jaheikkovuorovaikutus.Neljäsperusvuorovaikutuseligravitaatiovuorovaikutuseiole
mukanastandardimallissa.Standardimalliselittääperusvuorovaikutukset
välittäjähiukkastenavulla.Sähkömagneettisenvuorovaikutuksenvälittäjähiukkanenon
fotoni(γ),vahvanvuorovaikutuksengluoni(g),jaheikonvuorovaikutuksen
välittäjähiukkasiaovatvälibosonit(W+,W‐jaZ0).
2p.
c)
StandardimallissahiukkastenmassatselitetäänHiggsinkentänavulla.Kokoavaruuden
täyttäväHiggsinkenttävuorovaikuttaahiukkastenkanssa,minkäseurauksenailmenevää
hiukkasenhitauttakutsummemassaksi.Malliennustaauudenhiukkasenelins.Higgsin
bosonin,jonkatuotostahiukkaskiihdyttimilläonjosaatukokeellisestiviitteitä.
2p.
Fysiikan koe 11.3.2015 Hyvän vastauksen piirteitä d)
Neutriinojentutkiminenonvaikeaaerityisestisiitäsyystä,ettänevuorovaikuttavatvain
heikonvuorovaikutuksenkautta.Tämäntakianiitäeikyetähavaitsemaantavanomaisilla
hiukkasilmaisimilla,joissavuorovaikutuksentodennäköisyysonhäviävänpieni.Ilman
vuorovaikutustahiukkastaeivoidahavaita.Pieniosaneutriinoistavoidaankuitenkin
havaitahyvinsuurillahiukkasilmaisimilla.
1p.
Higgsinhiukkasentutkiminenonvaikeaaerityisestikahdestasyystä:EnsinnäHiggsin
hiukkasenmassaonniinsuurieliylisatakertainenprotoninmassaanverrattuna,että
sentuottaminenonnistuuvainkaikkeinsuurienergisimmilläolemassaolevilla
1p.
hiukkaskiihdyttimillä(EinsteininkaavanE=mc2mukaisesti).
Toiseksihiukkaskiihdyttimilläaikaansaaduissahiukkastörmäyksissämuiden
tavanomaisempienhiukkastenohessavainerittäinharvointuotetaanHiggsinhiukkanen.
Tällöinsensignaalinlöytäminensuurestatuotetustadatamäärästäonhaasteellista.
1p.
Fysiikan koe 11.3.2015 Hyvän vastauksen piirteitä