LUKION FYSIIKKAKILPAILU avoimen sarjan vast AVOIN SARJA

Transkriptio

1 LKION FYSIIKKAKILPAIL 8..5 avoien arjan vat AVOIN SARJA Kirjoita tektaten koepaperiin oa niei, kotiooitteei, ähköpotiooitteei, opettajai nii ekä koului nii. Kilpailuaikaa on inuuttia. Sekä tehtävä- että koepaperit palautetaan kilpailun loputtua.. Määritä pyörillä kulkevaan laitteeeen (leikkiauto, vaunu t.) vaikuttavan liikevatuvoian uuruu. Selvitä tarkati, itä ittaat ja iten olet päätynyt lopputulokeen. välineitä: tutkittava laite, ittanauha, kello, vaaka Ratkaiu: Punnitaan vaunu, jolloin aadaan aa. Syätään vaunu liikkeelle vaakauoralla pöydällä tai lattialla ja itataan aika t jonka vaunu on liikkeeä ekä atka jonka vaunu liikkuu ajan ittauken aluta pyähtyihetkeen. Oletetaan liike taaieti hidatuvaki. Tällöin nopeu v ajan ittauken alkaea on vkt t v. Vaunun liike-energia uuttuu t v b t g liikevatuten tekeäki työki: F E v F. µ k µ t Sijoitetaan tähän itautuloket ja laketaan arvio liikevatuvoiille (tai laketaan v ja ijoitetaan e liikevatuvoiien lakeieki). piteyty: periaate p taaien liikkeen oletu (jo kalteva tao, taaieti kiihtyvän liikkeen oletu) p loppunopeu kekinopeudeta (atkata ja ajata) p liike-energia työki ja liikevatuvoian ratkaieinen (jo kalteva tao, potentiaalienergia liike-energiaki ja työki) p ittautuloket ja järkevä arvo liikevatuvoiille p anioka virhelähdetarkatelu p (kuitenkin tehtävätä ax 6p...)

2 LKION FYSIIKKAKILPAIL 8..5 avoien arjan vat. Kanuuna on kiinnitetty herkäti liikkuvaan alutaan ja aluta on kiinnitetty einäään jouella, jonka jouivakio on,. Kanuunalla autaan kuula, 4 N jonka aa on kg ja lähtönopeu putken uulla 5. Jo kanuunan ja alutan yhteenlakettu aa ennen laukauta on 55 kg, niin kuinka pitkän atkan vaealle päin aluta kanuunoineen liikkuu laukauken jälkeen? Ratkaiu: Määritetään enin nopeu, jolla yteei eli aluta kanuunoineen (aa M 55kg-kg, koka kuula on poitunut putketa) liikkuu välittöäti laukauken jälkeen. Liikeäärä äilyy p p ; v coα M v, jota alutan kanuunoineen eli ennen jälkeen lähtövauhdiki v yteei kuula kuula yteei kg 5 co 45 kuula vkuula coα 3, 68 vaealle. M (55 )kg Alutan ja kanuunan (ilan kuulaa) liike-energia on uuttunut ääriaennoa kokonaan jouen potentiaalienergiaki Eyteei M vyteei Ejoui k, jota E M vyteei (55 )kg (3, 68 ) yteei, 9. k k N 4, piteyty: liikeäärän äilyinen ja nopeu (ei välttäättä nueerita arvoa) 3p energian äilyinen ja kanuunan iirtyä atka (jouen venyä) 3p jo aaa ei ole huoattu huoioda kuulan poituita p

3 LKION FYSIIKKAKILPAIL 8..5 avoien arjan vat 3. Kun koeputken avoieen päähän puhalletaan ivuuunnata, yntyy koeputkeen eiova aalto äänen heijatuea koeputken pohjata. Äänen korkeu uuttuu, kun koeputkeen liätään vettä. Eräää ittaukea tutkittiin koeputkeen yntyvän äänen perutaajuutta. Äänen taajuu itattiin tietokoneeeen liitetyllä ikrofonilla ja koeputken ilapataan korkeu itattiin viivottiella, jolloin aatiin oheiet tuloket. ilapataan korkeu (),6,8,,,5 taajuu (Hz) Koeputkeen yntyvän äänen kupukohta on hiean koeputken reunan ulkopuolella. Määritä opivaa graafita eitytä käyttäen tään kupukohdan etäiyy putken uuta ekä äänen nopeu ilaa. Pohdi, iki itattu äänen nopeu poikkeaa taulukkokirjan antaata arvota. Ratkaiu: Äänen voiituinen johtuu iitä, että putkea oleva ilapata alkaa värähdellä oalla oinaitaajuudellaan. Äänen heijatuea vedetä uodotuu eiovan aallon olu veden pintaan ja kupu putken uun ulkopuolelle. Eniäinen akii kuullaan, kun veden pinta on putken uulta etäiyydellä l d λ, joa l on putken ilapataan pituu, d kupukohdan 4 etäiyy putken uulta ja λ äänen aallonpituu. Tällöin aallonpituudeki aadaan λ 4( l d ). Äänen nopeudeki aadaan aalto-opin peruyhtälön peruteella v fλ f 4( l d). Putken v pituu taajuuden funktiona on ii l d. 4 f ilapataan korkeu (),6,8,,,5 taajuu (Hz) /taajuu ( -3 /Hz),79,,3,48,8 Piirretään ittautulokita kuvaaja, l -koordinaatitoon. Kuvaajan ja pituuakelin leikkaukohta ilaiee etäiyyden, johon kupukohta putken ulkopuolelle yntyy, joka on 97, f. Kuvaajan kulakertoieki kk aadaan 88,5 /, jota laketaan äänen nopeu: kk v 4 kk 4 88, 5 354, v 4 eli Äänen nopeuteen vaikuttaa. kaaun läpötila ( v T, iä T on aboluuttinen läpötila) ja kootuu ( v, iä M on ooliaa). Tehtävän tilanteea läpötila M lienee erkittäväpi elittäjä. lohengitetty ila on huoneilaa läpöiepää; huoneenläpötilaa t o äänen nopeu on v 343 /. Tulokita aadaan 3

4 LKION FYSIIKKAKILPAIL 8..5 avoien arjan vat v T 354 v T ( ) T ( ) ( 73 ) K 3 K 39 o. Liäki hiean vaikuttanee e, että ulohengityilan kootuu poikkeaa huoneilata: veihöyryä ja v T v 343 hiilidiokidia on eneän ja happea väheän. piteyty: tilanteen pohdinta, yhtälön johtainen ja kuvaajan piirtäinen 3p kupukohdan etäiyy putken päätä p äänen nopeu p pohdinta äänen nopeuden poikkeaalle; läpötilan erkity riittää p (läpötilan lakeita ei vaadita) 4

5 LKION FYSIIKKAKILPAIL 8..5 avoien arjan vat 5 4. Kondenaattoria, jonka kapaitani on, ladataan paritolla, kunne en napojen välinen jännite on. Toinen lataaaton kondenaattori ( ) kytketään eniäieen kondenaattoriin kuvan ukaieti. Määritä kytkennää tapahtuvan energiahäviön uuruu. Miki energia pienenee? Ratkaiu: Ladatulla kondenaattorilla on aluki varau Q ja energia. Kun lataaaton kondenaattori kytketään toieen kondenaattoriin, virta pienenee akiiarvota nollaan, ja kondenaattoreilla on yhtä uuri jännite. Tällöin alua ollut varau on Q Q Q ja energia lopua on ) (. Energiahäviö on tällöin ) ( ) (. Kondenaattoreiden kytkeien jälkeen johtiia kulkee virta jonkin aikaa. Oa alkuperäietä energiata kuluu johtiien läpeneieen. piteyty: jännite kondenaattorien kytkeien jälkeen p energia kondenaattorien kytkeien jälkeen p energiahäviö p elity energiahäviölle p

6 LKION FYSIIKKAKILPAIL 8..5 avoien arjan vat 5. Taikuun. päivänä 83 englantilainen fyyikko Michael Faraday teki euraavan kokeen Lontooa aterloo-illalla: Ratkaiu Hän upotti Thae-jokeen en ylittävän illan kupaankin päähän kuparilevyt ja yhditi ne eritetyillä johtiilla herkkään jänniteittariin. Levyt olivat 3 etrin päää toiitaan. Faraday havaiti levyjen välillä jännitteen, jonka napaiuu vaihtui äännölliin väliajoin. a) Miki Faraday havaiti jännitteen kuparilevyjen välillä? b) Miki jännitteen napaiuu vaihteli ja ikä luonnoniliö tuli näin näkyviin? c) Eräällä kerralla Faraday ittai jännitteen uuruudeki 9 V. Maan agneettikentän agneettivuon tihey on Lontooa 43 µt ja inklinaatio eli agneettikentän ja vaakataon välinen kula on 7 o. Kuinka uuri oli veden virtaunopeu? a) Vei iältää varaukelliia hiukkaia, ioneja, joihin kohdituu Maan agneettikentää liikkuea voia ( F B qv B ; uunnan voi päätellä oikean käden äännöllä: voia on kohtiuoraa nopeuden ja agneettivuon tiheyden äärääää taoa vataan). Magneettikentän uunta on pohjoiella pallonpuolikolla alaviitoon; pytykoponentti ii alapäin. Niinpä poitiiviet ionit kulkeutuvat veden virtauuuntaan nähden vaealle ja negatiiviet ionit oikealle, jolloin joenrantojen välille yntyy ähköien tilan ero eli jännite. (havainnollitava kuva olii hyvä ) b) Koka Maan agneettikentän uunnan vaihtuinen ei voi näin lyhyellä aikavälillä tulla näkyviin, jännitteen kääntyien täytyy aiheutua veden virtauuunnan kääntyietä. Vuorovei-iliö aiheuttaa veden virtauken jonkin atkaa iäaahan päin, jo ulut eivät ole käytöä. c) Veden ukana liikkuvan ionin varau on q ja nopeu v. Tällöin iihen kohdituu Maan agneettikentää voia F B qvbv, iä B v on agneettikentän pytykoponentti (kohtiuoraa liikeuuntaan nähden!). Ionien iirtyien euraukena rantojen välille yntyy ähkökenttä, jonka voiakkuu on E. Sähkökentän ioniin kohditaa voia d taa on F E q, joka on uunnaltaan päinvatainen kuin agneettikentän vaikutuketa d ioniin kohdituva voia. Ioneja iirtyy, kunne uodotuu taapaino: F B FE, jota,9v aadaan veden virtaunopeudeki v,6 /. (Myö 6 o Bvd 43 T in 7 3 taulukkokirjata löytyvän yhtälön elvbinα peruteltu käyttö hyväkytään. Yhtälöhän on johdetavia edellä eitetytä.) piteyty: a) p b) p c) 3p 6