Digitaalinen fysiikan ylioppilaskoe. Ville Havu Fysiikan jaos

Transkriptio

1 Digitaalinen fysiikan ylioppilaskoe Ville Havu Fysiikan jaos

2 Sisältö Fysiikan kokeen rakenne Kokonaispisteiden jakautuminen osien A-D välillä Mallitehtäviä HUOM! Kalvoissa esitetty fysiikan kokeen rakenne on alustava suunnitelma, jonka pohjalta mallitehtävät on laadittu. Kokeen rakenne voi muuttua, mutta lopullisesta kokeen rakenteesta tullaan tiedottamaan hyvissä ajoin ennen ensimmäistä sähköistä koetta.

3 Digitaalisen fysiikan kokeen rakenne, alustava suunnitelma A-osa Monivalinta- tai yhdistelytehtäviä B-osa Graafinen tehtävä C-osa Kurssikohtaisia tehtäviä; vastaavat OPS:n mukaisia fysiikan oppimäärän syventäviä kursseja. D-osa Integroivat tehtävät yhdistelevät fysiikan eri osa-alueita ja tehtävien aiheet ovat ainerajoja ylittäviä

4 A- ja B-osat Monivalinta- ja yhdistelytehtävät testaavat fysiikan käsitteiden hallintaa ja fysikaalisen tilanteen hahmottamista. Kokelaan ei tarvitse tuottaa laajaa dokumenttia vastauksensa osana, mikä nopeuttaa vastaamista. Graafisen esittämisen ja kuvaajan lukemisen taitoja mittaava tehtävä A- ja B-osien yhteinen pistemäärä n A- ja B-osien maksimipistemäärä vastaa tavoitejakaumassa hyväksytyn kokeen rajaa (arvosana A).

5 Esimerkkitehtäviä: A-osa Monivalintatehtävä mekaniikasta: 1. Pallo pudotetaan korkealta sillalta. Kun pallo on pudonnut 4,0 m, pudotetaan toinen pallo. Palloihin vaikuttavaa ilmanvastusta ei oteta huomioon. Kun pallot jatkavat putoamistaan, mikä seuraavista on voimassa pallojen väliselle etäisyydelle Δh? a) Δh > 4,0 m b) Δh = 4,0 m c) Δh < 4,0 m

6 Esimerkkitehtäviä: A-osa Monivalintatehtäviä sähköstä: 3. Positiivisesti varattu hiukkanen päästetään levosta irti sähkökentässä. Mitä voit sanoa hiukkasen kiihtyvyydestä jonain myöhempänä ajanhetkenä? Hiukkasen kiihtyvyys on a) sähkökentän suuntainen. b) sähkökentän suunnalle vastakkaissuuntainen. c) kohtisuorassa sähkökenttää vastaan. d) nolla.

7 C-osa Kurssikohtaiset tehtävät vastaavat OPS:n mukaisia fysiikan oppimäärän syventäviä kursseja. Näissä tehtävissä kokelas osoittaa pystyvänsä tuottamaan perusteltuja ja loogisia, hyvin rakennettuja vastauksia kultakin fysiikan osaalueelta. C-osan pistemäärä n A+B+C-osien maksimipistemäärä vastaa tavoitejakaumassa arvosanaa M.

8 Esimerkkitehtäviä C-osa 3. Hyvin eristetyssä astiassa on vettä. Astiaan lisätään jäätä, alumiinia ja kuparia. Taulukossa on annettu veden, jään, alumiinin ja kuparin massat ja alkulämpötilat, kun aineet yhdistetään astiassa. massa (kg) Alkulämpötila ( C) vesi 2, jää 0,112 5,0 alumiini 0, kupari 0, a) Kuinka suuri on seoksen loppulämpötila? (8 p.) b) Kuinka suuri on seoksen loppulämpötila, jos veden alkulämpötila on 25 C, alumiinin 154 C ja kuparin 188 C? (4 p.)

9 Esimerkkitehtäviä C-osa 4. Äänitiedostossa on esitetty ohiajavan auton ääntä. Kuuntele äänitiedosto ja vastaa kysymyksiin. a) Minä ajanhetkenä auto on lähimpänä äänen nauhoittajaa? (2 p.) b) Miksi nauhoituksen äänen voimakkuus vaihtelee auton ajaessa ohi? (5 p.) c) Miksi nauhoitetun äänen taajuus vaihtelee auton ajaessa ohi? (5 p.)

10 Esimerkkitehtäviä C-osa 5. Katso videolta Matti Nykäsen ensimmäinen hyppy Calgaryn olympialaisten suurmäestä. Videolla on esitetty kilpailun molemmat hypyt. a) Piirrä voimakuviot, joista käyvät ilmi hyppääjään vaikuttavat voimat hänen laskiessaan hyppyrimäkeä ja ilmalennon aikana. (4 p.) b) Calgaryn olympiamäen alamäkiosuuden pituus on 111 m ja se muodostaa 35 kulman vaakatason suhteen. Kuinka suuri on ladun ja suksen välinen kitkakerroin? Ilmanvastusta ei oteta huomioon. (4 p.) c) Ensimmäinen hyppy kantoi 118,5 m. Mihin suuntaan ponnistus hyppyrin nokalta suuntautui? Ilmanvastus jätetään huomioimatta. (4 p.)

11 Esimerkkitehtäviä C-osa 6. Hehkulamppu on kytketty kuvan 1. mukaisesti matalataajuiseen vaihtosähkölähteeseen sekä tietokoneen virta- ja jänniteantureihin, joita kuvassa esitetään virta- ja jännitemittareiden symboleilla. Taulukossa 1 on yhden puolijakson aikana kerätty mittausdata. a) Piirrä kuvaaja lampun napajännitteestä sähkövirran voimakkuuden funktiona. (5 p.) b) Miten ilmenee, että lamppu ei noudata Ohmin lakia? Miksi lamppu ei noudata Ohmin lakia? (5 p.) c) Millä sähkövirran voimakkuuden ja jännitteen arvoilla lamppu palaa 0,45 W teholla? Arvioi kahden merkitsevän numeron tarkkuudella. (2 p.) Kuva 1. Taulukko 1.

12 Esimerkki siitä, miltä kokelaan vastaus voisi näyttää. 4,000 a) 3,000 2,000 1,000 Jännite (V) 0,000-1,000-2,000-3,000-4,000-0,250-0,200-0,150-0,100-0,050 0,000 0,050 0,100 0,150 0,200 0,250 Virta (A)

13 b) Ohmin lain mukaan lampun tehollinen napajännite riippuu lineaarisesti sen läpi kulkevasta tehollisesta virrasta kaavan U eff =ZI eff mukaisesti. Nyt vaihtovirtapiirissä on vain hehkulamppu, jolla on resistanssia, jolloin saadaan U=RI. Jos hehkulamppu noudattaisi Ohmin lakia, jännite virran funktiona olisi suora, jonka kulmakerroin on R. Kuvaajasta näemme, että funktio ei ole suora, eli hehkulamppu ei noudata Ohmin lakia. Lamppu ei noudata Ohmin lakia, koska lampun resistanssi kasvaa, kun hehkulampun langan lämpötila kasvaa. c) Lampun teho P=U eff I eff. Lisätään taulukkoon uusi sarake, johon lasketaan hehkulampun teho. Havaitaan, että lampun teho on 0,45 W kahdella eri virran ja jännitteen arvolla. Alla olevassa taulukossa on annettu mitatut pisteet. Kysytyt virran ja jännitteen ovat ( 0,16 A, 2,8 V) ja (0,17 A, 2,7 V). I (A) U (V) P (W)

14 D-osa Integroivat tehtävät yhdistelevät fysiikan eri osa-alueita ja tehtävien aiheet ovat ainerajoja ylittäviä. Kokelaan tulee osoittaa kykynsä tehdä synteesejä, analysoida laajoja kokonaisuuksia sekä hahmottaa fysiikan merkitystä yhteiskunnassa ja teknologiassa. D-osan pistemäärä n Kokelaan on pystyttävä ratkaisemaan D-osan tehtäviä saadakseen korkeimmat arvosanat E ja L.

15 Ilmalämpöpumppua voidaan käyttää rakennuksien tukilämmityslaitteena varsinaisen lämmitysjärjestelmän rinnalla. Ilmalämpöpumpun käyttö voi alentaa lämmityskustannuksia. a) Ilmalämpöpumpussa käytetään kylmäaineena R410A-myyntinimellä tunnettua difluorimetaanin ja pentafluorietaanin seosta. Kuvassa 1. on esitetty kylmäaineen kierto ilmalämpöpumpun putkistossa. Miten ilmalämpöpumppu siirtää lämpöä kylmästä ulkoilmasta lämpimään huoneilmaan? (6 p.) Tiedostoissa 2. ja 3. on annettu tietoa kahden eri valmistajan, Ilmaraskin ja Puhtipumpun, samantyyppisestä ilmalämpöpumpusta. Vastaa seuraaviin kysymyksiin aineiston avulla. b) Miksi ilmalämpöpumppu ei sovellu rakennuksen ainoaksi lämmityslaitteeksi? (2 p.) c) Ilmalämpöpumppujen tehokkuutta kuvataan usein COP-kertoimella (coefficient of performance, tiedosto 4.). Vertaile ilmalämpöpumppujen COP-arvoja ulkoilman eri lämpötiloissa. Kumpi ilmalämpöpumpuista on energiatehokkaampi lämpötiloissa +7 0 C? Entä lämpötiloissa 0 7 C? (4 p.) d) Kumpi ilmalämpöpumpuista kannattaa valita, jos halutaan mahdollisimman hyvä tehokkuus mahdollisimman laajalla lämpötilavälillä ja mahdollisimman alhaisessa ulkoilman lämpötilassa? (3 p.) Kuva 1. Tiedosto 2. Mitsubishi Tiedosto 3. Toshiba Tiedosto 4. COP Yhteenvetoon

16 Kuva 1. Kylmäaineen kierto ilmalämpöpumpun putkistossa

17 Tiedosto 2. Ilmarask

18 Tiedosto 3. Puhtipumppu

19 COP-arvon laskeminen Kun ilmalämpöpumppua käytetään asunnon lämmitykseen, COP-arvo lasketaan kaavalla COP = Q H W = Q C + W W, missä Q H = Ilmalämpöpumpun sisäilmaan siirtämä lämpö, Q C = ilmalämpöpumpun ulkoilmasta ottama lämpö ja W = ilmalämpöpumpun kuluttama sähköenergia. Palaa tehtävään

20 Yhteenveto digitaalisesta fysiikan kokeesta Tehtävät esitetään 4 osassa. A osassa ei ole valinnaisuutta C ja D osissa on valinnaisia tehtäviä Pääosa kokeen pisteistä tulee C osasta. Mallitehtäviä on Digabin sivuilla. Tehtävävalikoima korostaa sähköisten tehtävien erityispiirteitä. Myös nykyisten kokeiden tehtävillä voi harjoitella.