YO-KYSYMYKSIÄ KURSSISTA FY3: Aallot

Transkriptio

1 YO-KYSYMYKSIÄ KURSSISTA FY3: Aallot 1. Selosta lyhyesti, mihin fysikaalisiin ilmiöihin perustuvat a) polaroivien aurinkolasien häikäisyä vähentävä vaikutus, b) veden pinnalla olevassa ohuessa öljykalvossa havaittavat väri-ilmiöt ja c) valon hajaantuminen väreihin prismassa. (YO-K82-8). 2. Selitä käsitteet a) pitkittäinen aaltoliike, b) huojuminen (huojunta) ja c) seisova aaltoliike. (YO-K83-3). 3. Selosta lyhyesti a) mikä on spektri, b) mihin fysikaalisiin ilmiöihin perustuu valon hajottaminen spektriksi, c) miten atomaarisen vedyn spektriviivojen synty selitetään Bohrin atomimallin perusteella. (YO-K-85-7). 4. Selitä lyhyesti, mitä on a) ääni, b) resonanssi, c) huojunta (huojuminen)? (YO-S88-3). 5. Miksi valo taipuu hilassa? (YO-K89-3a). 6. Laserin valon tärkeimmät ominaisuudet. (YO-S89-7a). 7. Miten valon taajuus, aallonpituus ja nopeus muuttuvat, kun valo kulkee optisesti harvemmasta aineesta optisesti tiheämpään aineeseen? (YO-S90-3a). 8. Mitä tarkoitetaan säteilyn yhteydessä käsitteellä spektri? (YO-K91-9a). 9. Mitä tarkoitetaan absorptiospektrillä ja miten se syntyy? (YO-K91-9c). 10. Mitä tarkoitetaan valekuvalla optisessa kuvauksessa? (YO-K91-3a). 11. Mihin äänen fysikaalisiin ominaisuuksiin liittyvät kuultavan äänen voimakkuus ja korkeus? (YO-S92-3a). 12. Mitä tarkoitetaan aaltoliikkeiden interferenssillä? selosta erityisesti ilmiöt huojuminen (huojunta) ja seisova aaltoliike. (YO-S94-3). 13. Linssi tai peili voi muodostaa esineestä joko todellisen kuvan tai valekuvan. Selosta näiden käsitteiden ero. (YO-K95-3a).

2 14. a) Kaukana tapahtuvasta räjähdyksestä voidaan saada kuulohavainto ja näköhavainto ja se voidaan myös aistia maan tärähdyksenä. Perustele, missä järjestyksessä ko. signaalit saapuvat. b) Mistä seikoista ihmiskorvan aistiman äänen voimakkuus riippuu? (YO-K96-10ab). 15. Mitkä kokeet osoittavat, että valoa voidaan pitää aaltoliikkeenä ja nimenomaan poikittaisena aaltoliikkeenä? (YO-S96-6a). 16. a) Mitä tarkoittaa valon polarisoituminen? b) Missä arkielämän olosuhteissa kohtaat polarisoitunutta tai osittain polarisoitunutta valoa? (YO-K97-6). 17. Selosta lyhyesti, a) miksi posliinimukin pohjalla reunan takana näkymättömissä oleva kolikko voi tulla näkyviin, kun mukiin kaadetaan vettä, b) miksi järven pinnan häikäisevät heijastukset oleellisesti himmenevät sopivanlaisia aurinkolaseja käytettäessä, c) miksi valkoinen valo hajaantuu prismassa väreihin. (YO-S97-5). 18. Kuinka korkean täytyy seinäpeilin vähintään olla, jotta seisoessasi peilin edessä voit nähdä itsesi kokonaan? (YO-K98-5b). 19. a) Prisma hajottaa valkoisen valon spektriksi. Missä arkielämän tilanteissa voit kohdata samankaltaisen valon taittumisilmiön? b) Miksi veden pinnalla oleva ohut öljykalvo näyttää eriväriseltä eri suunnista katsottuna? c) Erään laserin valo suunnataan vinosti lasilevyn pintaan. Tietyllä tulokulman arvolla pinnasta ei heijastu lainkaan valoa. Miten tämä on mahdollista? (YO-K00-14). 20. Ultraääni. Selosta myös ultraäänen teknisiä sovelluksia kiinnittäen erityistä huomiota siihen, mitä ultraäänen ominaisuutta kussakin käytetään hyväksi. (YO-K02-5). 21. a) Miten ääni etenee ilmassa? b) Mitkä äänen ominaisuudet vaikuttavat keskeisesti kuuloaistimuksen voimakkuuteen? c) Miksi äänen voimakkuutta mitataan db-asteikolla? (YO-S03-5).

3 22. Selitä, mitä tarkoitetaan seuraavilla aaltoliikkeille tyypillisillä ilmiöillä, ja anna esimerkkejä tapauksista, joissa ilmiö esiintyy luonnossa tai jossakin laitteessa: a) seisova aaltoliike, b) Dopplerin ilmiö ja c) polarisaatio. (YO-K04-5). 23. Äänen nopeutta mitattiin molemmista päistä avoimen putken avulla. Kaiutin sijoitettiin lähelle putken suuta. Kun kaiuttimen värähtelytaajuutta vaihdeltiin, kuultiin ääni hyvin voimakkaana tietyillä taajuuksilla. Selitä ilmiö. (YO-S04-5a). 24. Ihailet maisemia jyrkkäseinäisellä vuorenharjanteella. Alhaalla olevan pienen vesilammen tyynestä pinnasta heijastuva auringonvalo osuu suoraan silmiisi. Kun panet polarisoivat aurinkolasit silmillesi, havaitset heijastuneen valon häviävän lähes kokonaan. Selitä ilmiö. (YO-S04-12a). 25. Mihin ilmiöön perustuu spektrin muodostuminen 1) hilassa ja 2) prismassa? (YO-S05-5a). 26. Selitä lyhyesti käsitteet ja selvennä kutakin esimerkin avulla: a) värähdysliike, b) mekaaninen aaltoliike, c) pitkittäinen aaltoliike ja d) ultraääni. (YO-K07-3). 27. Uutta asuinaluetta suunnitellaan vilkasliikenteisen autotien läheisyyteen. Mitä keinoja on käytettävissä meluhaittojen torjumiseen asuinalueen viihtyisyyden lisäämiseksi? (YO-K08-5a). 28. a) Valaat kaikuluotaavat äänen avulla. Selitä kaikuluotauksen periaate. b) Miten kaikuluotauksella saadaan tietoa kohteen nopeudesta? (YO-S08-4bc). 29. a) Selvitä, miten ääni etenee kaiuttimesta kuulijan korvaan? b) Miksi ihmisen aistimaa äänenvoimakkuutta mitataan desibeliasteikolla? (YO-K09-4ab). 30. a) Mitä tarkoitetaan valon spektrillä? b) Mihin fysikaaliseen ilmiöön perustuen ja millä tavoin valon spektri saadaan muodostettua 1) hilalla ja 2) prismalla? (YO-K09+12ac).

4 YO-VÄITTÄMIÄ KURSSISTA FY3: Aallot 1. Vastaa perustellen, mikä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät. a) Ääniaaltojen nopeus ilmassa on suurempi kuin tyhjiössä. b) Ilmassa olevasta äänilähteestä veden pintaan tulevat aallot voivat kokonaisheijastua. c) Oheisessa kuviossa katkoviivalla esitetyn värähtelyn taajuus on jännitetyn kielen ominaisvärähtelyn perustaajuus (alin taajuus). d) Jos yksi työkone aiheuttaa teollisuushalliin tietyn keskimääräisen melutason (intensiteettitason), niin viiden samanlaisen työkoneen käydessä yhtä aikaa melutaso on viisinkertainen. (YO-K85-3). 2. Vastaa perustellen, mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät. a) Mikroaaltojen nopeus on pienempi kuin ultraäänen nopeus. b) Valon taipuminen hilassa on interferenssi-ilmiö. c) Valon kokonaisheijastus voi tapahtua vain, jos valo tulee kahden aineen rajapintaan pienemmän taitekertoimen omaavan aineen puolelta. d) Kahden lähes samantaajuisen ääniaallon interferoidessa syntyvä huojunta on selvin, mikäli aaltojen amplitudit ovat yhtä suuret. (YO-S91-3). 3. Mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät? a) Kovera pallopeili muodostaa aina valekuvan. b) Kun ääniaallot tulevat ilmasta ilman ja veden rajapintaan, ne voivat kokonaisheijastua. c) Kun paloauto loittonee, sen sireenin äänen taajuus kuullaan matalampana kuin auton ollessa paikallaan. (YO-K05-5). 4. Perustele, mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät: a) Ääniaallot voivat kokonaisheijastua tyynen veden pinnasta. b) Ääniaallon polarisoituvat läpäistessään tiheän metallilankahilan. c) Formula-ajojen katsoja havaitsee kilpa-auton moottorin äänen korkeuden nousevan auton ohittaessa hänet. (YO-K10-4).

5 RATKAISUT/VASTAUKSET: 1. Selosta lyhyesti, mihin fysikaalisiin ilmiöihin perustuvat a) polaroivien aurinkolasien häikäisyä vähentävä vaikutus, b) veden pinnalla olevassa ohuessa öljykalvossa havaittavat väri-ilmiöt ja c) valon hajaantuminen väreihin prismassa. (YO-K82-8). 1.Vastaus: a) Polarisoivat aurinkolasit poistavat luonnollisesta valosta yleensä vaakasuoran värähtelyn tai värähtelykomponentin, josta seuraa intensiteetin heikkeneminen vähintään puoleen. Esim. lumesta tai vedestä heijastunut valo polarisoituu osittain. Heijastuvan pinnan suuntainen värähtely, joka ei heikkene heijastuksessa, poistuu lasista. b) Öljykalvon ylä- ja alapinnasta heijastuvat valonsäteet interferoivat keskenään. Kalvon väri riippuu valon aallonpituudesta, kalvon paksuudesta ja katsomissuunnasta. c) Valon nopeus (v) prismassa riippuu valon aallonpituudesta. Siksi prisman taitekerroin (n = c/v) on eri suuri erivärisille valoille, punaiselle pienin ja violetille suurin. 2. Selitä käsitteet a) pitkittäinen aaltoliike, b) huojuminen (huojunta) ja c) seisova aaltoliike. (YO-K83-3). 2. Vastaus: a) Pitkittäinen aaltoliike on mekaanista aaltoliikettä, jossa osasten värähtely tapahtuu aaltoliikkeen etenemissuunnassa. b) Kun kaksi samaan suuntaan etenevää aaltoliikettä, joiden taajuudet eroavat vain vähän toisistaan, interferoivat, syntyy huojuminen. Tietyssä kohdassa interferenssiaallon amplitudi A vaihtelee jaksollisesti arvojen A 1 + A 2 ja A 1 - A 2 välillä taajuudella f h = f 1 f 2. c) Kahden samanlaisen vastakkaisiin suuntiin etenevän aaltoliikkeen interferoidessa syntyy seisova aaltoliike. Solmukohdat ovat paikallaan ja kuvut värähtelevät.

6 3. Selosta lyhyesti a) mikä on spektri, b) mihin fysikaalisiin ilmiöihin perustuu valon hajottaminen spektriksi, c) miten atomaarisen vedyn spektriviivojen synty selitetään Bohrin atomimallin perusteella. (YO-K-85-7). 3.Vastaus: a) Spektri on säteilyn intensiteetin aallonpituus- tai taajuusjakautuma. b) Valon hajottaminen prismalla perustuu taittumisilmiöön; valon taitekerroin riippuu aallonpituudesta. Hilaspektrin synty perustuu valon taipumiseen hilassa, interferenssi-ilmiöön, johon pätee hilayhtälö dsinα = kλ. c) Bohrin mallin mukaan vetyatomin elektroni voi kiertää ydintä ympyräradoilla, joita kutakin vastaa tietty energia. Elektronin siirtyessä radalta toiselle emittoituu tai absorboituu ratojen energioiden erotusta vastaava kvantti, E = hf = hc/λ. 4. Selitä lyhyesti, mitä on a) ääni, b) resonanssi, c) huojunta (huojuminen)? (YO-S88-3). 4.Vastaus: a) Ääni on mekaanista aaltoliikettä, joka (taajuusalueella 16 Hz 20 khz) aiheuttaa kuuloaistimuksen. Kaasuissa ja nesteissä ääni on pitkittäistä aaltoliikettä, joka etenee paineaaltoina. b) Jos värähtelevään systeemiin vaikuttaa ulkoinen jaksollinen voima, jonka taajuus on sama kuin systeemin ominaistaajuus, syntyy resonanssi. Tällöin systeemi vastaanottaa energiaa ja värähtelyn amplitudi voi kasvaa hyvin suureksi. c) Kun kaksi aaltoliikettä, joiden taajuudet poikkeavat vähän toisistaan, interferoi, syntyy huojunta. Tietyssä kohdassa interferenssivärähtelyn amplitudi vaihtelee jaksollisesti siten, että peräkkäiset maksimit seuraavat toisiaan taajuudella f h = f 1 f Miksi valo taipuu hilassa? (YO-K89-3a). 5.Vastaus: Valon taipuminen hilassa on interferenssi-ilmiö. Hilassa on hyvin suuri määrä tasavälisiä rakoja. Eri raoista lähtevät valoaallot interferoivat vahvistaen toisiaan vain niissä suunnissa, joissa viereisistä raoista lähtevien aaltojen matkaero on aallonpituuden kokonainen monikerta. Tästä seuraa hilayhtälö: dsinα = kλ.

7 6. Laserin valon tärkeimmät ominaisuudet. (YO-S89-7a). 6.Vastaus: Laserin valo on - monokromaattista - koherenttia - yhdensuuntaista - valo voidaan fokusoida hyvin pienelle alalle suuri tehotiheys 7. Miten valon taajuus, aallonpituus ja nopeus muuttuvat, kun valo kulkee optisesti harvemmasta aineesta optisesti tiheämpään aineeseen? (YO-S90-3a). 7.Vastaus: Valon taajuus pysyy samana. Aineessa, jonka taitekerroin on n, on valon nopeus v = c/n ja aallonpituus λ n = λ/n, missä c ja λ ovat nopeus ja aallonpituus tyhjiössä. Valon siirtyessä optisesti harvemmasta aineesta optisesti tiheämpään aineeseen taitekerroin kasvaa, joten sekä nopeus että aallonpituus pienenevät. 8. Mitä tarkoitetaan säteilyn yhteydessä käsitteellä spektri? (YO-K91-9a). 8.Vastaus: Spektri on säteilyn intensiteetin aallonpituus- tai taajuusjakauma. 9. Mitä tarkoitetaan absorptiospektrillä ja miten se syntyy? (YO-K91-9c). 9.Vastaus: Absorptiospektri syntyy, kun aine absorboi sen läpi kulkevasta säteilystä osan aallonpituuksista. 10. Mitä tarkoitetaan valekuvalla optisessa kuvauksessa? (YO-K91-3a). 10.Vastaus: Kun esinepisteestä lähtevät valonsäteet hajaantuvat heijastuttuaan peilistä tai taituttuaan linssissä, syntyy säteiden jatkeiden leikkauspisteeseen valekuva, jota siis ei saada varjostimelle. 11. Mihin äänen fysikaalisiin ominaisuuksiin liittyvät kuultavan äänen voimakkuus ja korkeus? (YO-S92-3a). 11.Vastaus: Äänen kuulovoimakkuus riippuu aaltoliikkeen intensiteetistä (I = P/A) ja myös taajuudesta (vrt. kuulokäyrät). Äänen korkeus liittyy aaltoliikkeen taajuuteen.

8 12. Mitä tarkoitetaan aaltoliikkeiden interferenssillä? selosta erityisesti ilmiöt huojuminen (huojunta) ja seisova aaltoliike. (YO-S94-3). 12.Vastaus: Interferenssi on aaltoliikkeille ominainen ilmiö, joka tarkoittaa samassa väliaineessa etenevien aaltojen summautumista yhdeksi aaltoliikkeeksi. (lineaarinen superpositio, vahvistava ja heikentävä interferenssi, esimerkkejä). Huojunta syntyy kahden lähes samantaajuisen aaltoliikkeen interferoidessa. Tietyssä kohdassa interferenssivärähtelyjen amplitudi vaihtelee jaksollisesti taajuudella f h = 1/T h = f 1 f 2. Ilmiö on selvin, kun A 1 = A 2, jolloin A max = 2A 1 ja A min = 0. Seisova aaltoliike syntyy kahden vastakkaisiin suuntiin etenevän samanlaisen aallon interferoidessa. Interferenssiaallon amplitudi vaihtelee paikallisesti (solmut, kuvut). 13. Linssi tai peili voi muodostaa esineestä joko todellisen kuvan tai valekuvan. Selosta näiden käsitteiden ero. (YO-K95-3a). 13.Vastaus: Kun linssistä taittuneet tai peilistä heijastuneet valonsäteet leikkaavat, syntyy todellinen kuva, joka saadaan näkyviin varjostimella. Kun taittuneet ja heijastuneet säteet hajaantuvat, syntyy valekuva säteiden jatkeiden leikkauspisteeseen. Valekuvaa ei saada näkyviin varjostimella. 14. a) Kaukana tapahtuvasta räjähdyksestä voidaan saada kuulohavainto ja näköhavainto ja se voidaan myös aistia maan tärähdyksenä. Perustele, missä järjestyksessä ko. signaalit saapuvat. b) Mistä seikoista ihmiskorvan aistiman äänen voimakkuus riippuu? (YO-K96-10ab). 14.Vastaus: a) Havaitsija rekisteröi signaalit järjestyksessä: 1. näköhavainto, signaali etenee valon nopeudella. 2. tärähdys mekaaninen värähtely etenee kiinteässä 3. kuulohavainto aineessa nopeammin kuin ilmassa b) Kuulovoimakkuus riippuu äänen - intensiteetistä (likimain logaritmisesti) - taajuudesta (taulukkokirjan mukaan korva on herkin, kun äänen taajuus on 3 4 khz).

9 15. Mitkä kokeet osoittavat, että valoa voidaan pitää aaltoliikkeenä ja nimenomaan poikittaisena aaltoliikkeenä? (YO-S96-6a). 15.Vastaus: Interferenssikokeet (hila, kapea rako, ohut kalvo) osoittavat valon aaltoliikeluonteen. Polarisaatiokokeet (heijastuneen valon polarisoituminen, kiteet, polaroidit) osoittavat, että kyseessä on nimenomaan poikittainen aaltoliike. 16. a) Mitä tarkoittaa valon polarisoituminen? b) Missä arkielämän olosuhteissa kohtaat polarisoitunutta tai osittain polarisoitunutta valoa? (YO-K97-6). 16.Vastaus: a) Valo on sähkömagneettisen kentän aaltoliikettä, jossa sähkökenttä ja magneettikenttä värähtelevät poikittain etenemissuuntaan nähden. Polarisaation yhteydessä tarkastellaan sähkökentän värähtelyä. Valo on täysin polarisoitunutta, kun sen sähkökenttä värähtelee vain yhdessä suunnassa. b) - eristeaineen (esim. vesi, lasi) pinnasta heijastunut valo on osittain tai kokonaan polarisoitunutta (pintaa vastaan kohtisuorat värähtelyt vähentyneet) - polarisoivien aurinkolasien läpi tuleva valo - nestekidenäytöt - taivaan sini 17. Selosta lyhyesti, a) miksi posliinimukin pohjalla reunan takana näkymättömissä oleva kolikko voi tulla näkyviin, kun mukiin kaadetaan vettä, b) miksi järven pinnan häikäisevät heijastukset oleellisesti himmenevät sopivanlaisia aurinkolaseja käytettäessä, c) miksi valkoinen valo hajaantuu prismassa väreihin. (YO-S97-5). 17.Vastaus: a) Kolikosta tulevat valonsäteet taittuvat veden pinnassa normaalista poispäin, ts. taitekulma α 2 > tulokulma > tulokulma α 1 (piirrä kuvio). b) Heijastunut valo on osittain polarisoitunutta siten, että sen sähkövektrori värähtelee vaakasuorassa. Kun käytetään tummennettuja polarisoivia aurinkolaseja, joiden läpäisysuunta on pystytasossa, häikäisy vähenee oleellisesti. c) Valkoinen valo sisältää aallonpituusalueen nm. Valon taittuessa prisman rajapinnoissa taitekulma riippuu valon väristä, koska prismaaineen taitekerroin on sitä suurempi mitä lyhyempi on valon aallonpituus.

10 18. Kuinka korkean täytyy seinäpeilin vähintään olla, jotta seisoessasi peilin edessä voit nähdä itsesi kokonaan? (YO-K98-5b). 18.Vastaus: Piirtämällä henkilön varpaista ja päälaelta lähtevät säteet heijastumislain mukaisesti siten, että ne osuvat henkilön silmään, voidaan todeta, että peilin korkeuden täytyy olla noin puolet henkilön pituudesta. 19. a) Prisma hajottaa valkoisen valon spektriksi. Missä arkielämän tilanteissa voit kohdata samankaltaisen valon taittumisilmiön? b) Miksi veden pinnalla oleva ohut öljykalvo näyttää eriväriseltä eri suunnista katsottuna? c) Erään laserin valo suunnataan vinosti lasilevyn pintaan. Tietyllä tulokulman arvolla pinnasta ei heijastu lainkaan valoa. Miten tämä on mahdollista? (YO-K00-14). 19.Vastaus: a) - Sateenkaari syntyy auringon valon taittuessa ja heijastuessa vesipisaroissa. - valon taittuminen lumikiteissä, kristalliesineissä, timanteissa, jne. b) Öljykalvoon osuvat valonsäteet heijastuvat kalvon yläpinnasta ja alapinnasta. Säteet interferoivat, jolloin tietyt aallonpituudet vahvistuvat (säteiden optinen matkaero on kokonainen määrä aallonpituuksia) ja tietyt aallonpituudet puuttuvat heijastuneesta valosta. Ylä- ja alapinnasta heijastuneiden säteiden matkaerot ja siten myös interferenssin tuloksena vahvistuvat aallonpituudet (värit) riippuvat kalvon paksuuden ohella myös katsomissuunnasta (piirrä kuvio). c) Kun valo osuu lasin pintaan Brewsterin lain mukaisessa tulokulmassa α B, heijastuneesta valosta puuttuu kokonaan komponentti, jonka sähkökenttä värähtelee tulotasossa (tulevan säteen ja pinnan normaalin määräämä taso), ts. kyseinen komponentti ei heijastu lainkaan. Jotta laserin valo ei heijastuisi lainkaan, valon täytyy olla lineaarisesti polarisoitunutta ja suunnattu lasin pintaan tulokulmassa α B siten, että sähkökenttävektori värähtelee tulotasossa.

11 20. Ultraääni. Selosta myös ultraäänen teknisiä sovelluksia kiinnittäen erityistä huomiota siihen, mitä ultraäänen ominaisuutta kussakin käytetään hyväksi. (YO-K02-5). 20.Vastaus: Ultraääni - mekaanista aaltoliikettä - taajuus 20 khz 1 THz on ihmisen kuuloalueen yläpuolella - etenee nesteissä ja kaasuissa paineaaltoina, siis pitkittäisenä aaltoliikkeenä, kiinteissä aineissa myös poikittaisvärähtelynä Ultraäänilähteet - pyörivät reikälevyt, pillit - sähköinen värähtelypiiri + pietsosähköinen kide Ominaisuudet - aaltoliikkeen ominaisuudet, kuten siroaminen, heijastuminen, taittuminen, interferenssi, jne. Teknisiä sovelluksia Sovellukset voidaan ryhmitellä hyödynnettävien ominaisuuksien mukaan esimerkiksi seuraavaan tapaan: - kaikuluotaus - rakennevikojen tutkiminen ultraäänen heijastuminen, - paksuusmittaus aikamittaus oskilloskoopilla - rakenteiden tutkiminen kuvan muodostuminen uä:n - läpivalaisu (korvaa rtg-säteilyn) heijastumisen ja taittumisen tuloksena, äänen pieni λ - desinfiointi ultraäänellä saadaan aikaan - hammaskiven poisto suuria värähtelyenergian - metallipintojen puhdistus tiheyksiä aineen pintaan ja - emulsioiden aikaansaaminen ja myös aineen sisälle - kliiniset tutkimukset ja hoidot (em. läpivalaisun lisäksi esim. ultraäänen energian absorboitumilämpöhoidot, veren virtausnopeuden nen kudoksiin lämpeneminen, mittaus, jne. ultraäänen Dopplerin ilmiö

12 21. a) Miten ääni etenee ilmassa? b) Mitkä äänen ominaisuudet vaikuttavat keskeisesti kuuloaistimuksen voimakkuuteen? c) Miksi äänen voimakkuutta mitataan db-asteikolla? (YO-S03-5). 21.Vastaus: a) Ääni etenee ilmassa pitkittäisenä aaltoliikkeenä. Ääniaallossa ilman rakenneosaset värähtelevät äänen etenemissuunnassa, jolloin syntyy peräkkäisiä tihentymiä ja harventumia, ts. paineen vaihteluita. Kyseessä on siis paineaalto. b) Kuuloaistimuksen voimakkuuteen vaikuttavat keskeisesti äänen intensiteetti ja äänen taajuus. c) Kokeellisesti on todettu, että korvan aistima äänen voimakkuus on intensiteetin suhteen logaritminen. Tämän vuoksi äänen voimakkuutta mitataan logaritmisella db-asteikolla. 22. Selitä, mitä tarkoitetaan seuraavilla aaltoliikkeille tyypillisillä ilmiöillä, ja anna esimerkkejä tapauksista, joissa ilmiö esiintyy luonnossa tai jossakin laitteessa: a) seisova aaltoliike, b) Dopplerin ilmiö ja c) polarisaatio. (YO-K04-5). 22.Vastaus: a) Seisova aaltoliike - syntyy kahden vastakkaisiin suuntiin etenevän samanlaisen aaltoliikkeen interferenssin tuloksena - interferenssiaallon amplitudi vaihtelee paikallisesti (solmut ja kuvut) - syntyy usein aaltoliikkeen heijastumisen yhteydessä - esimerkiksi soittimen kielen värähtely tai urkupillin ilmapatsaan värähtely b) Dopplerin ilmiö - havaitsijan rekisteröimä aaltoliikkeen taajuus on erilainen kuin aaltolähteen taajuus, jos aaltolähde ja havaitsija liikkuvat toistensa suhteen. - lähestyminen havaittu taajuus suurempi - loittoneminen havaittu taajuus pienempi -esimerkkejä: - hälytysajoneuvon ajaessa ohi sireenin äänen korkeuden havaitaan laskevan -punasiirtymä etääntyvän tähden lähettämän valon spektrissä c) Polarisaatio - kun poikittaisessa aaltoliikkeessä värähtely tapahtuu vain yhdessä etenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa, aaltoliike on lineaarisesti polarisoitunutta. - polarisoituneessa valossa sähkökenttävektori värähtelee vain yhdessä suunnassa - esimerkkejä: - valo polarisoituu, kun se heijastuu sopivassa kulmassa eristemateriaalin pinnasta ja myös kun valo kulkee aurinkolasien polaroidilevyn läpi.

13 23. Äänen nopeutta mitattiin molemmista päistä avoimen putken avulla. Kaiutin sijoitettiin lähelle putken suuta. Kun kaiuttimen värähtelytaajuutta vaihdeltiin, kuultiin ääni hyvin voimakkaana tietyillä taajuuksilla. Selitä ilmiö. (YO-S04-5a). 23.Vastaus: Äänen voimakkuuden maksimia vastaavilla taajuuksilla putkeen syntyy seisova aaltoliike, jonka kuvut ovat putken päissä. Putkessa oleva ilmapatsas joutuu siis resonanssiin kaiuttimen kanssa. (Seisova aaltoliike syntyy kaiuttimesta lähtevän aallon ja putken avoimesta päästä heijastuneen aallon interferenssin tuloksena. Heijastuminen puolestaan johtuu siitä, että ilman akustiset ominaisuudet muuttuvat putken suulla.) 24. Ihailet maisemia jyrkkäseinäisellä vuorenharjanteella. Alhaalla olevan pienen vesilammen tyynestä pinnasta heijastuva auringonvalo osuu suoraan silmiisi. Kun panet polarisoivat aurinkolasit silmillesi, havaitset heijastuneen valon häviävän lähes kokonaan. Selitä ilmiö. (YO-S04-12a). 24.Vastaus: Ilmiö johtuu siitä, että lammen pinnasta heijastunut valo on polarisoitunutta. Kun valoaallot heijastuvat veden pinnasta, pinnan suuntaisten, siis vaakasuorien, sähkökentän värähtelyjen osuus valossa kasvaa. Polarisaatio on täydellinen, jos valon tulokulma, ja siten myös katsojan silmiin tulevan valon heijastuskulma, on Brewsterin lain mukainen polarisaatiokulma α p. Kun tällaista, vain vaakasuoria - värähtelyjä käsittävää valoa katsotaan polaroivilla aurinkolaseilla, jotka läpäisevät vain pystysuuntaisia värähtelyjä, valo häviää lähes kokonaan. 25. Mihin ilmiöön perustuu spektrin muodostuminen 1) hilassa ja 2) prismassa? (YO-S05-5a). 25.Vastaus: Spektrin muodostuminen hilassa perustuu valoaaltojen perustuu valoaaltojen interferenssiin. Hilassa tapahtuu valon taipuminen eli diffraktio siten, että taipumiskulma on sitä suurempi mitä pidempi on valon aallonpituus. Spektrin muodostuminen prismassa perustuu siihen, että prisma-aineen taitekerroin riippuu valon aallonpituudesta. Kun valonsäde kulkee yksinkertaisen prisman läpi, säde taittuu kummassakin rajapinnassa siten, että lyhytaaltoisimman valon poikkeamakulma on suurin.

14 26. Selitä lyhyesti käsitteet ja selvennä kutakin esimerkin avulla: a) värähdysliike, b) mekaaninen aaltoliike, c) pitkittäinen aaltoliike ja d) ultraääni. (YO-K07-3). 26.Vastaus: a) Värähdysliike on jaksollista (edestakaista) liikettä tasapainoaseman ympärillä. Esimerkiksi kellon heilurin liike ja pystysuoraan jouseen ripustetun kappaleen liike ovat värähdysliikettä. b) Mekaaninen aaltoliike voi syntyä systeemiin, jossa on paljon samanlaisia keskenään vuorovaikutuksessa olevia värähtelijöitä. Kun yksi värähtelijä saatetaan värähtelemään, liike etenee värähtelijästä toiseen. Värähtelijät ovat värähdysliikkeessä tasapainoasemansa suhteen, vain liike ja energia etenevät. Esimerkiksi ääni on mekaanista aaltoliikettä, jossa värähtelijöinä toimivat väliaineen atomit tai molekyylit. Myös veden pinnassa etenevät aallot ovat mekaanista aaltoliikettä. c) Pitkittäisessä aaltoliikkeessä värähtelijät liikkuvat aaltoliikkeen etenemissuunnassa, jolloin syntyy peräkkäisiä tihentymiä ja harventumia. Esimerkiksi ääni etenee ilmassa pitkittäisinä paineaaltoina. d) Ultraääni on aaltoliikettä, jonka taajuus on ihmiskorvan kuuloalueen yläpuolella, yli 20 khz. Ultraääntä voidaan tuottaa esimerkiksi nopeasti pyörivän reikälevyn tai pietsosähköisten kiteiden avulla. Esimerkiksi kaikuluotauksessa ja lääketieteellisissä tutkimuksissa käytetään hyväksi ultraäänen ominaisuuksia. 27. Uutta asuinaluetta suunnitellaan vilkasliikenteisen autotien läheisyyteen. Mitä keinoja on käytettävissä meluhaittojen torjumiseen asuinalueen viihtyisyyden lisäämiseksi? (YO-K08-5a). 27.Vastaus: Meluhaittoja voidaan vähentää 1) estämällä melun syntyä, 2) estämällä melun leviämistä tai 3) torjumalla melua asuinalueella. Autotiellä syntyvää melua voidaan vähentää alentamalla ajonopeuksia tai käyttämällä hiljaisempaa asvalttia. Melun leviämistä voidaan ehkäistä meluaidoilla, meluvalleilla tai istutuksilla. Rakennusten äänieristyksiä voidaan parantaa. Huonejärjestyksessä voidaan ottaa tien aiheuttama melu huomioon.

15 28. a) Valaat kaikuluotaavat äänen avulla. Selitä kaikuluotauksen periaate. b) Miten kaikuluotauksella saadaan tietoa kohteen nopeudesta? (YO-S08-4bc). 28.Vastaus: a) Kaikuluotauksessa lähetetään lyhyitä ääni- tai ultraäänipulsseja. Pulssit heijastuvat takaisin esineistä ja rajapinnoista. Aaltoliikkeen nopeuden ja pulssien lähetyksen ja vastaanoton välisen aikaeron avulla saadaan selville esineiden etäisyydet. b) Dopplerin ilmiöön perustuen aaltoliikkeen taajuus kasvaa, jos se heijastuu lähestyvästä kappaleesta ja pienenee, jos kappale loittonee. Taajuuden muutoksen perusteella saadaan kappaleen nopeus. Kaikuluotain voi lähettää myös useita pulsseja peräkkäin. Tällöin kappaleen nopeus saadaan jakamalla luotaimen mittaama etäisyyden muutos pulssien välisellä aikaerolla. 29. a) Selvitä, miten ääni etenee kaiuttimesta kuulijan korvaan? b) Miksi ihmisen aistimaa äänenvoimakkuutta mitataan desibeliasteikolla? (YO-K09-4ab). 29.Vastaus: a) Värähtelevä kaiutinkalvo synnyttää ilmaan paineen vaihtelua. Ilmassa ääni etenee pitkittäisenä paineaaltona, joka kuulijan korvaan osuessaan saa korvan tärykalvon värähtelemään. b) Kokeellisesti on todettu, että ihmiskorvan aistima (tietyn taajuisen) äänen voimakkuus on intensiteetin suhteen logaritminen. Täten tietty intensiteetin suhteellinen lisäys mistä arvosta tahansa lähtien tajutaan aina yhtä suurena voimakkuuden lisäyksenä. Sen vuoksi käytetään logaritmista db-asteikkoa.

16 30. a) Mitä tarkoitetaan valon spektrillä? b) Mihin fysikaaliseen ilmiöön perustuen ja millä tavoin valon spektri saadaan muodostettua 1) hilalla ja 2) prismalla? (YO-K09+12ac). 30.Vastaus: a) Valon spektri on valon intensiteetin aallonpituusjakauma (tai taajuusjakauma), ts. kuvaaja I = I(λ). b) 1) Spektrin muodostuminen hilassa perustuu valoaaltojen interferenssiin. Optisessa hilassa on tasavälisesti satoja jopa tuhansia valoa läpäiseviä rakoja millimetrillä. Hilaan kohtisuorasti osuva valo taipuu hilassa eri raoista lähtevien alkeisaaltojen interferenssin tuloksena. Tietyllä aallonpituudella spektriviivat syntyvät kulmiin, joissa viereisistä raoista lähtevien säteiden matkaero on aallonpituus tai sen monikerta. Täten useita aallonpituuksia sisältävä valo hajoaa hilassa (eri kertalukujen) spektriksi. 2) Prismaspektrin muodostuminen perustuu siihen, että prisma-aineen taitekerroin riippuu valon aallonpituudesta. Kun valkoinen valo kulkee prisman läpi, säde taittuu yleensä kummassakin rajapinnassa taittumislain mukaisesti (siten, että lyhimmät aallonpituudet taittuvat eniten), joten valo hajoaa prismassa väreihin.

17 YO-VÄITTÄMIÄ KURSSISTA FY3: Aallot: RATKAISUT/VASTAUKSET: 1. Vastaa perustellen, mikä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät. a) Ääniaaltojen nopeus ilmassa on suurempi kuin tyhjiössä. b) Ilmassa olevasta äänilähteestä veden pintaan tulevat aallot voivat kokonaisheijastua. c) Oheisessa kuviossa katkoviivalla esitetyn värähtelyn taajuus on jännitetyn kielen ominaisvärähtelyn perustaajuus (alin taajuus). d) Jos yksi työkone aiheuttaa teollisuushalliin tietyn keskimääräisen melutason (intensiteettitason), niin viiden samanlaisen työkoneen käydessä yhtä aikaa melutaso on viisinkertainen. (YO-K85-3). 1. VASTAUS: a) Oikein; Ääni ei etene tyhjiössä. b) Oikein; Äänen nopeus ilmassa on pienempi kuin vedessä (v 1 < v 2 ). Taittumislain = mukaan tulokulma α 1 on pienempi kuin taitekulma α 2, joten kokonaisheijastuminen on mahdollinen. c) Väärin; Perustaajuutta f o = f min vastaava värähtely on esitetty oheisessa kuviossa. l = λ o /2 d) Väärin; Vaikka äänen intensiteetti I nouseekin (likimain) viisinkertaiseksi, muuttuu intensiteettitaso L suhteellisen vähän, koska L on logaritminen intensiteetin suhteen =

18 2. Vastaa perustellen, mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät. a) Mikroaaltojen nopeus on pienempi kuin ultraäänen nopeus. b) Valon taipuminen hilassa on interferenssi-ilmiö. c) Valon kokonaisheijastus voi tapahtua vain, jos valo tulee kahden aineen rajapintaan pienemmän taitekertoimen omaavan aineen puolelta. d) Kahden lähes samantaajuisen ääniaallon interferoidessa syntyvä huojunta on selvin, mikäli aaltojen amplitudit ovat yhtä suuret. (YO-S91-3). 2. VASTAUS: a) Väärin; Mikroaallot ovat sähkömagneettista aaltoliikettä, jonka nopeus on suurempi kuin äänen nopeus. b) Oikein; Taipumakuvio voidaan selittää hilan raoista lähtevien alkeisaaltojen interferenssin tuloksena. c) Väärin; Jos n 1 < n 2, on taittumislain n 1 sinα 1 = n 2 sinα 2 mukaan taitekulma α 2 pienempi kuin tulokulma α 1, joten kokonaisheijastumista ei voi tapahtua. d) Oikein; Summa-aallon amplitudin minimi A min = A 1 - A 2 = 0, mikäli A 1 = A Mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät? a) Kovera pallopeili muodostaa aina valekuvan. b) Kun ääniaallot tulevat ilmasta ilman ja veden rajapintaan, ne voivat kokonaisheijastua. c) Kun paloauto loittonee, sen sireenin äänen taajuus kuullaan matalampana kuin auton ollessa paikallaan. (YO-K05-5). 3. VASTAUS: a) Väärin; Kun esineen etäisyys peilistä on suurempi kuin peilin polttoväli, kuva on todellinen. Tämä voidaan osoittaa esimerkiksi piirroksella, josta nähdään, että peilistä heijastuneet säteet leikkaavat peilin edessä. b) Oikein; Koska äänen nopeus ilmassa v 1 on pienempi kuin äänen nopeus vedessä v 2, ääniaallot taittuvat ilman ja veden rajapinnassa siten, että taitekulma α 2 on suurempi kuin tulokulma α 1 (piirrä kuvio). Täten riittävän suurilla tulokulmilla (α 1 > α r ) tapahtuu kokonaisheijastuminen. c) Oikein; Kyse on Dopplerin ilmiöstä. Kun äänilähde loittonee, korvaan tulevat aaltorintamat ovat harvemmassa kuin paikallaan pysyvästä lähteestä tulevat.

19 4. Perustele, mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät: a) Ääniaallot voivat kokonaisheijastua tyynen veden pinnasta. b) Ääniaallon polarisoituvat läpäistessään tiheän metallilankahilan. c) Formula-ajojen katsoja havaitsee kilpa-auton moottorin äänen korkeuden nousevan auton ohittaessa hänet. (YO-K10-4). 4. VASTAUS: a) Oikein; Äänen nopeus vedessä on suurempi kuin ilmassa. Jos ääniaallot tulevat veden pintaan riittävän vinosti, tapahtuu kokonaisheijastuminen. Perustelu taittumislain = avulla. b) Väärin; Ääni on pitkittäistä aaltoliikettä, joten polarisoitumisilmiötä ei voi tapahtua. c) Väärin; Kysymys on Dopplerin ilmiöstä. Lähestyvän äänilähteen ääni kuullaan korkeampana ja loittonevan matalampana. Liikkuva äänilähde tuottaa aaltoja etupuolelleen tiheämpään ja taakseen harvempaan. saman asian voi selittää kuvion avulla.