Kuvan 4 katkoviivalla merkityn alueen sisällä



Samankaltaiset tiedostot
TKK, TTY, LTY, OY, ÅA, TY ja VY insinööriosastojen valintakuulustelujen fysiikan koe , malliratkaisut.

a) Piirrä hahmotelma varjostimelle muodostuvan diffraktiokuvion maksimeista 1, 2 ja 3.

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2011 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Fysiikan valintakoe , vastaukset tehtäviin 1-2

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2009, insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2013 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2012 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

Kvanttifysiikan perusteet 2017

Luvun 10 laskuesimerkit

TKK, TTY, LTY, OY, ÅA, TY ja VY insinööriosastojen valintakuulustelujen fysiikan koe , malliratkaisut ja arvostelu.

Luvun 5 laskuesimerkit

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

Sovelletun fysiikan pääsykoe

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

FY6 - Soveltavat tehtävät

Luvun 5 laskuesimerkit

Fy06 Koe Kuopion Lyseon lukio (KK) 1/7

Fysiikan perusteet. Voimat ja kiihtyvyys. Antti Haarto

Diplomi-insinöörien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2014 Insinöörivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

Luku 7 Työ ja energia. Muuttuvan voiman tekemä työ Liike-energia

Kitka ja Newtonin lakien sovellukset

Lataa ilmaiseksi mafyvalmennus.fi/mafynetti. Valmistaudu pitkän- tai lyhyen matematiikan kirjoituksiin ilmaiseksi Mafynetti-ohjelmalla!

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

Kvantittuminen. E = hf f on säteilyn taajuus h on Planckin vakio h = 6, Js = 4, evs. Planckin kvanttihypoteesi

HARJOITUS 4 1. (E 5.29):

FYSIIKKA (FY91): 9. KURSSI: Kertauskurssi KOE VASTAA KUUTEEN (6) TEHTÄVÄÄN!!

Sähköstatiikka ja magnetismi

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Kuten aaltoliikkeen heijastuminen, niin myös taittuminen voidaan selittää Huygensin periaatteen avulla.

Vedetään kiekkoa erisuuruisilla voimilla! havaitaan kiekon saaman kiihtyvyyden olevan suoraan verrannollinen käytetyn voiman suuruuteen

YO-harjoituskoe B / fysiikka Mallivastaukset

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Fysiikan valintakoe klo 9-12

Fysiikka 8. Aine ja säteily

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

Diplomi-insino o rien ja arkkitehtien yhteisvalinta - dia-valinta 2015 Insino o rivalinnan fysiikan koe , malliratkaisut

on radan suuntaiseen komponentti eli tangenttikomponentti ja on radan kaarevuuskeskipisteeseen osoittavaan komponentti. (ks. kuva 1).

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

Oikeat vastaukset: Tehtävän tarkkuus on kolme numeroa. Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

1240eV nm. 410nm. Kun kappaleet saatetaan kontaktiin jännite-ero on yhtä suuri kuin työfunktioiden erotus ΔV =

c) Missä ajassa kappale selvittää reitin b-kohdan tapauksessa? [3p]

g-kentät ja voimat Haarto & Karhunen

Sähköstatiikka ja magnetismi Kondensaattorit ja kapasitanssi

Muunnokset ja mittayksiköt

KALTEVA TASO. 1. Työn tavoitteet. 2. Teoria

2. Pystyasennossa olevaa jousta kuormitettiin erimassaisilla kappaleilla (kuva), jolloin saatiin taulukon mukaiset tulokset.

n=5 n=4 M-sarja n=3 L-sarja n=2 Lisäys: K-sarjan hienorakenne K-sarja n=1

2.3 Voiman jakaminen komponentteihin

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Tehtävä 1. a) sähkövirta = varausta per sekunti, I = dq dt = 1, A = 1, C s protonin varaus on 1, C

3.4 Liike-energiasta ja potentiaalienergiasta

Oikeasta vastauksesta (1p): Sulamiseen tarvittavat lämmöt sekä teräksen suurin mahdollinen luovutettu lämpö:

(µ 2 sg 2 a 2 t )r2. t = a t

Varatun hiukkasen liike

Liike ja voima. Kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia ja niistä aiheutuvia liikeilmiöitä

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

NEWTONIN LAIT MEKANIIKAN I PERUSLAKI MEKANIIKAN II PERUSLAKI MEKANIIKAN III PERUSLAKI

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

Voima F tekee työtä W vaikuttaessaan kappaleeseen, joka siirtyy paikasta r 1 paikkaan r 2. Työ on skalaarisuure, EI vektori!

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Vastaa kaikkiin kysymyksiin. Oheisista kaavoista ja lukuarvoista saattaa olla apua laskutehtäviin vastatessa.

Fysiikan perusteet ja pedagogiikka (kertaus)

Suhteellinen nopeus. Matkustaja P kävelee nopeudella 1.0 m/s pitkin 3.0 m/s nopeudella etenevän junan B käytävää

Lämpöoppi. Termodynaaminen systeemi. Tilanmuuttujat (suureet) Eristetty systeemi. Suljettu systeemi. Avoin systeemi.

Kuva 1. n i n v. (2 p.) b) Laske avaimiesi etäisyys x altaan seinämästä. (4 p.) c) Kuinka paljon lunta voi sulaa enintään Lassen suksien alla?

Theory Finnish (Finland) Suuri hadronitörmäytin (Large Hadron Collider, LHC) (10 pistettä)

Mekaniikan jatkokurssi Fys102

Varatun hiukkasen liike

Luku 23. Esitiedot Työ, konservatiivinen voima ja mekaaninen potentiaalienergia Sähkökenttä

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

Harjoitellaan voimakuvion piirtämistä

Differentiaali- ja integraalilaskenta

Luvun 12 laskuesimerkit

T F = T C ( 24,6) F = 12,28 F 12,3 F T K = (273,15 24,6) K = 248,55 K T F = 87,8 F T K = 4,15 K T F = 452,2 F. P = α T α = P T = P 3 T 3

KAASUJEN YLEISET TILANYHTÄLÖT ELI IDEAALIKAASUJEN TILANYHTÄLÖT (Kaasulait) [pätevät ns. ideaalikaasuille]

KJR-C1001 Statiikka ja dynamiikka. Luento Susanna Hurme

PIENTAAJUISET SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄT HARJOITUSTEHTÄVÄ 1. Pallomaisen solun relaksaatiotaajuus 1 + 1

KERTAUSTEHTÄVIÄ KURSSIIN A-01 Mekaniikka, osa 1

Lääketiede Valintakoeanalyysi 2015 Fysiikka. FM Pirjo Haikonen

Luento 7: Voima ja Liikemäärä. Superpositio Newtonin lait Tasapainotehtävät Kitkatehtävät Ympyräliike Liikemäärä

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Faradayn laki ja sähkömagneettinen induktio Sähkötekniikka/MV

Teoreettisia perusteita I

Fysiikan valintakoe Helsingin yliopistossa v. 1985

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

Shrödingerin yhtälön johto

Massakeskipiste Kosketusvoimat

Sähköstatiikan laskuissa useat kaavat yksinkertaistuvat hieman, jos vakio C kirjoitetaan muotoon

Luento 10: Työ, energia ja teho. Johdanto Työ ja kineettinen energia Teho

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

RATKAISUT: 22. Vaihtovirtapiiri ja resonanssi

Fysiikka 1. Kondensaattorit ja kapasitanssi. Antti Haarto

Luku 8. Mekaanisen energian säilyminen. Konservatiiviset ja eikonservatiiviset. Potentiaalienergia Voima ja potentiaalienergia.

Luento 13: Periodinen liike. Johdanto Harmoninen värähtely Esimerkkejä F t F r

HARMONISEN VÄRÄHTELIJÄN JAKSONAIKA JA HEILURIEN HEILAHDUSAJAT - johtaminen 1) VAIMENEMATON HARMONINEN VÄRÄHDYSLIIKE

RATKAISUT: 21. Induktio

Voiman momentti M. Liikemäärä, momentti, painopiste. Momentin määritelmä. Laajennettu tasapainon käsite. Osa 4

a) Kuinka pitkän matkan punnus putoaa, ennen kuin sen liikkeen suunta kääntyy ylöspäin?

ELEC C4140 Kenttäteoria (syksy 2016)

Luvun 10 laskuesimerkit

Transkriptio:

TKK, TTY, LTY, OY ja ÅA insinööriosastojen valintakuulustelujen fysiikan koe 28.5.2003 Merkitse jokaiseen koepaperiin nimesi, hakijanumerosi ja tehtäväsarjan kirjain. Laske jokainen tehtävä siististi omalle sivulleen. Perustele lyhyesti käyttämäsi kaavat. Sarja A A1 A2 A3 A4 Jääpalan massa on 400,0 g ja lämpötila 15,0 C. Jääpala pudotetaan hyvin lämpöeristettyyn astiaan, jossa o,800 kg 60,0 C asteista vettä. Laske veden loppulämpötila, kun systeemi on asettunut lämpötasapainoon. Kuva kondensaattorisysteemin kapasitanssit ovat = 8,30 µf, C 2 = 4,10 µf ja C 3 = 2,10 µf. a) Laske kondensaattorisysteemin kokonaiskapasitanssi. b) Välille AB kytketää10 V jännite. Laske kondensaattorin C 2 varaus ja levyjen välinen jännite. Kuva 1. A Kaltevalla tasolla, jonka kaltevuuskulma θ = 30,0, on kappale, jonka massa o,40 kg. Kappaleeseen on kiinnitetty kuva mukaisesti kevyt köysi, jonka toinen pää on kierretty kitkattomasti pyörivän sylinterin ympärille. Kun kappale päästetään levosta liukumaan pitkin tasoa, se ohittaa lähtöpisteestää,00 metrin päässä olevan mittauspistee,58 sekunnin kuluttua. Kappaleen ja Kuva 2. tason välinen kitkakerroin on 0,12 ja sylinterin säde R = 5,0 cm. Jännitys köydessä oletetaan vakioksi. a) Piirrä kappaleen vapaakappalekuvio. Perustele, miksi kappaleen kiihtyvyys on vakio. (2 p.) b) Laske kappaleen kiinnitysköyden jännitys ja sylinterin hitausmomentti (4 p.). Optinen kuitu on vedessä. Laser-säde tulee kuvan 3 mukaisesti kuidun vasempaan päähän. Kuidussa on lasisydän, joka on päällystetty ohuella läpinäkyvällä muovikerroksella. Lasin taitekerroin = 1,47 ja muovin = 1,43. n α Kuva 3. Veden taitekerroin n = 1,33. Laske suurin tulokulma α, joka säteellä voi olla, jotta lasiin taittunut säde jatkaisi matkaansa kuidussa taittumatta lasi-muovi-rajapinnan läpi. C 2 C 3 B A5 A6 Kuvan 4 katkoviivalla merkityn alueen sisällä on homogeeninen magneettikenttä, joka on kohtisuorassa tehtäväpaperin tasoon nähden ja suuntautunut tehtäväpaperin sisään. Kentän magneettivuon tiheys voidaan mitata kuvan 4 vaakasysteemillä, kun kuvan suorakulmainen virtasilmukka, jonka leveys l = 15 cm ja korkeus k = 25 cm, on osittain tutkittavassa magneettikentässä. Silmukassa kiertävää virtaa voidaan Kuva 4. säädellä tasajännitelähteellä U. Vaaka on tasapainossa, kun vaakakuppi on tyhjä ja silmukka virraton. Kuvan mukaisessa tasapainotilanteessa vaakakupissa oli 6,5 g punnus ja tasajännite U oli 220 V. Silmukan kokonaisresistanssi on 5,0 Ω. Vaa an varsien pituudet ovat d = 35 cm. a) Selvitä perustellen virtasilmukassa kiertävän virran suunta mittauksen aikana. b) Laske magneettivuon tiheyden arvo. Aineen karakteristinen röntgensäteily syntyy, kun atomin elektroniverhon alimmilta kuorilta poistetaan elektroni ja syntynyt aukko täyttyy jonkin ylemmän kuoren elektronilla. Karakteristinen K α -röntgensäteily syntyy, kun K-kuoren elektroni poistuu ja aukko täyttyy L-kuoren elektronilla. Magnesiumilla K-kuoren elektronin ionisaatioenergia o,3050 kev ja L-kuoren 51,4 ev. a) Laske magnesiumin K α -röntgensäteilyn energia ja aallonpituus. b) Jos atomin ionisaatio saadaan aikaan elektronisuihkulla, jonka elektronit vuorovaikuttavat aineen kuorielektronien kanssa, mikä on pienin elektronien kiihdytysjännite, jolla saadaan aikaan K α -säteilyä, jos kohtioaine on magnesiumia? c) Laske elektronien nopeus niiden osuessa magnesiumkohtioon. VAKIOITA: Absoluuttinen nollapiste T 0 = 273,15 C Alkeisvaraus e = 1,6022 10 19 C Avogadron vakio N A = 6,0221 10 23 mol 1 Elektronin lepomassa m e = 9,11 10 31 kg Jään ominaislämpökapasiteetti c j = 2,10 kj kg 1 K 1 Jään sulamislämpö L s = 333 kj kg 1 Planckin vakio h = 6,6261 10 34 Js Putoamisliikkeen kiihtyvyys g = 9,807 m s 2 Tyhjiön permittiivisyys ɛ 0 = 8,8542 10 12 F m 1 Valon nopeus tyhjiössä c 0 = 2,998 10 8 m s 1 Veden ominaislämpökapasiteetti c v = 4,19 kj kg 1 K 1 Yleinen kaasuvakio R = 8,3145 J mol 1 K 1

1 Jääpalan massa on 400,0 g ja lämpötila 15,0 C. Jääpala pudotetaan hyvin lämpöeristettyyn astiaan, jossa o,800 kg 60,0 C asteista vettä. Laske veden loppulämpötila, kun systeemi on asettunut lämpötasapainoon. Lämpötilojen arvot t j T j t v T v t s T s ( C) (K) ( C) (K) ( C) (K) A-D: 15,0 258,15 60,0 333,15 0,0 273,15 Jääpalan lämmittämiseen (T j T s ) tarvitaan lämpö Q 1 = c j m j (T s T j ) Jääpalan sulattamiseen (T s ) tarvitaan lämpö Q 2 = m j L s Jääpalasta saadun vesimäärän lämmittämiseen (T s T ) tarvitaan lämpö Q 3 = c v m j (T T s ) Veden jäähdyttäminen (T v T ) luovuttaa lämmön Q 4 = c v m v (T v T ) Loppulämpötilalla T = T s olisi Q 1 + Q 2 + Q 3 < Q 4, joten T > T s ja lopussa on pelkkää vettä. Lämpömäärän pitää säilyä joten loppulämpötila saadaan ratkaistua yhtälöstä Q 4 = Q 1 + Q 2 + Q 3 T = c vm j T s + c v m v T v Q 1 Q 2 c v (m j + m v ) m j m v Q 1 Q 2 T trk+1 0,5 +0,5 t trk+1 0,5 +0,5 (g) (kg) (kj) (kj) (K) (K) (K) (K) ( C) ( C) ( C) ( C) A: 400,0 2,800 12,60 133,2 315 314,8 314,3 315,3 41,6 41,63 41,13 42,13 B: 500,0 2,900 15,75 166,5 312 311,5 311,0 312,0 38,4 38,38 37,88 38,88 C: 600,0 3,000 18,90 199,8 309 308,7 308,2 309,2 35,5 35,50 35,00 36,00 D: 700,0 3,100 22,05 233,1 306 306,1 305,6 306,6 32,9 32,92 32,42 33,42

2 Kuva kondensaattorisysteemin kapasitanssit ovat = 8,30 µf, C 2 = 4,10 µf ja C 3 = 2,10 µf. a) Laske kondensaattorisysteemin kokonaiskapasitanssi. b) Välille AB kytketää10 V jännite. Laske kondensaattorin C 2 varaus ja levyjen välinen jännite. Kuva 1. A a) (max 3p) Kondensaattorit C 2 ja C 3 rinnan, joten C 23 = C 2 + C 3. Kondensaattorit ja C 23 sarjassa, joten 1 C tot = 1 + 1 C 23 C tot = C 23 + C 23 = (C 2 + C 3 ) + C 2 + C 3. C 2 C 3 B b) Tapa 2: Kondensaattori varaus on sama kuin koko systeemin varaus ja jännite Q 1 = Q tot = C tot U AB U 1 = Q 1 = C totu AB. Kondensaattori jännite U 2 = U 23 ja levyjen varaus Q 2 ovat U 2 = U 23 = U AB U 1 = U AB C totu AB Q 2 = C 2 U 2. C 2 C 3 C tot trk+1 1% +1% (µf) (µf) (µf) (µf) (µf) (µf) (µf) A: 8,30 4,10 2,10 3,55 3,549 3,513 3,585 B: 4,10 2,10 1,10 1,80 1,797 1,779 1,815 C: 16,70 8,30 4,10 7,12 7,116 7,044 7,188 D: 14,50 5,30 3,30 5,40 5,398 5,344 5,452 b) (max 3p) Kondensaattorisysteemin kokonaisvaraus Q tot = C tot U AB ja kondensaattorin 2 levyjen varaus on Q 2 = C 2 U 2. Koska kondesaattorie ja 3 yli on sama jännite, niin U 2 = U 23. Varauksille pätee Q 1 = Q 2 + Q 3 = Q tot. Tällöin U 2 = U 23 = Q 23 = Q tot = C totu AB C 23 C 2 + C 3 C 2 + C 3 Q 2 = C 2 U 2 U AB U 2 trk+1 1% +1% Q 2 trk+1 1% +1% (V) (V) (V) (V) (V) (mc) (mc) (mc) (mc) A: 110 63 63,0 62,3 63,7 0,26 0,258 0,255 0,261 B: 130 73 73,0 72,2 73,8 0,15 0,153 0,151 0,155 C: 140 80 80,3 79,4 81,2 0,67 0,667 0,660 0,674 D: 150 94 94,2 93,2 95,2 0,50 0,499 0,494 0,504

3 Kaltevalla tasolla, jonka kaltevuuskulma θ = 30,0, on kappale, jonka massa o,40 kg. Kappaleeseen on kiinnitetty kuva mukaisesti kevyt köysi, jonka toinen pää on kierretty kitkattomasti pyörivän sylinterin ympärille. Kun kappale päästetään levosta liukumaan pitkin tasoa, se ohittaa lähtöpisteestää,00 metrin päässä olevan mittauspistee,58 sekunnin kuluttua. Kappaleen ja Kuva 2. tason välinen kitkakerroin on 0,12 ja sylinterin säde R = 5,0 cm. Jännitys köydessä oletetaan vakioksi. a) Piirrä kappaleen vapaakappalekuvio. Perustele, miksi kappaleen kiihtyvyys on vakio. (2 p.) b) Laske kappaleen kiinnitysköyden jännitys ja sylinterin hitausmomentti (4 p.). a) (max 2p) Vapaakappalekuvio. N T F µ x θ G y Kaikki kappaleeseen vaikuttavat voimat ovat vakioita joten Newtonin liikeyhtälöstä seuraa, että kappaleen kiihtyvyys on vakio. Vääntömomentin M avulla saadaan ratkaistua hitausmomentti J M 1 = RF 2 = Jα = J a R J = F R2 a = T R2 a Trk+1 0,00855 kgm 2 ja virherajat 0,00846 0,00864 kgm 2. = 0,0085 kgm 2. b) Tapa 2: Energia säilyy (tai E a = E l tai E p,a = E p,l + E k + W + E r ) mgh 0 = mgh + 1 2 mv2 + F µ s + 1 { }} { 2 Jω2 mg (h 0 h) = 1 2 mv2 + sµmg cos θ + 1 2 Jω2 Tasaisesti kiihtyvälle liikkeelle s sin θ x = x 0 + v 0 t + 1 2 at2 ja v = at v = 2(x x 0) t 2 t = 2s t Käyttämällä lisäksi ω = v/r saadaan J = mr2 v 2 (2gs sin θ 2µgs cos θ v2 ) = 0,0085 kgm 2. M 1 = RF 2 = Jα = J a R T = F = Ja = 5,5 N. R2 ( = 2,532 m ) s b) (max 4p) Alkuarvot: θ m s t µ R ( ) (kg) (m) (s) ( ) (cm) A-D: 30,0 2,40 2,00 1,58 0,12 5,0 Kitkavoima on F µ = µn = µmg cos θ jolloin köydessä oleva jännitys saadaan ratkaistua käyttäen Newtonin liikeyhtälöä F x = mg sin θ F µ T = ma T = m(g sin θ µg cos θ a) Tasaisesti kiihtyvälle liikkeelle x = x 0 + v 0 t + 1 2 at2 a = 2(x x 0) t 2 = 2s t 2 ( = 1,602 m s 2 ) missä v 0 = 0, koska kappale lähtee levosta. Tällöin köyden jännitys ( T = m g sin θ µg cos θ 2s ) t 2 = 5,5 N Trk+1 5,48 N ja virherajat 5,42 5,54 N.

4 Optinen kuitu on vedessä. Laser-säde tulee kuvan 3 mukaisesti kuidun vasempaan päähän. Kuidussa on lasisydän, joka on päällystetty ohuella läpinäkyvällä muovikerroksella. Lasin taitekerroin = 1,47 ja muovin = 1,43. n α β γ γ Kuva 3. Veden taitekerroin n = 1,33. Laske suurin tulokulma α, joka säteellä voi olla, jotta lasiin taittunut säde jatkaisi matkaansa kuidussa taittumatta lasi-muovi-rajapinnan läpi. Alkuarvot: vesi lasi muovi taitekerroin n A-D: 1,33 1,47 1,43 Veden ja lasin rajapinnalla valonsäde taittuu normaaliin päin. Snellin laki (tai taittumislaki) antaa n sin α = sin β sin α = sin β. n Lasin ja muovin välillä pitää tapahtua kokonaisheijastus, jotta säde ei taittuisi rajapinnasta. Tällöin sin γ = sin 90 sin γ =. Kuvasta nähdään β = 90 γ. Tällöin suurin tulokulma ( α = sin 1 n ) ( 1 n sin β = sin 1 n ) [ ( ( ))] 1 n sin(90 γ) = sin 1 n1 n sin 90 sin 1 n2 kulmat γ β α trk+1 1% +1% α trk+1 1% +1% ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) (rad) (rad) (rad) (rad) A-D: 76,60 13,40 14,8 14,84 14,69 14,99 0,259 0,2590 0,2564 0,2616

Piirissä kulkeva virta saadaan Ohmin laista 5 Kuvan 4 katkoviivalla merkityn alueen sisällä on homogeeninen magneettikenttä, joka on kohtisuorassa tehtäväpaperin tasoon nähden ja suuntautunut tehtäväpaperin sisään. Kentän magneettivuon tiheys voidaan mitata kuvan 4 vaakasysteemillä, kun kuvan suorakulmainen virtasilmukka, jonka leveys l = 15 cm ja korkeus k = 25 cm, on osittain tutkittavassa magneettikentässä. Silmukassa kiertävää virtaa voidaan Kuva 4. säädellä tasajännitelähteellä U. Vaaka on tasapainossa, kun vaakakuppi on tyhjä ja silmukka virraton. Kuvan mukaisessa tasapainotilanteessa vaakakupissa oli 6,5 g punnus ja tasajännite U oli 220 V. Silmukan kokonaisresistanssi on 5,0 Ω. Vaa an varsien pituudet ovat d = 35 cm. a) Selvitä perustellen virtasilmukassa kiertävän virran suunta mittauksen aikana. b) Laske magneettivuon tiheyden arvo. a) (max 3p) Magneettikenttä aiheuttaa voiman ( F = IL B) suoraan virtajohtimeen. Virtasilmukan pystysuoriin komponentteihin vaikuttava voima ei kuitenkaan vaikuta vaa an lukemaan. Jotta vaakasysteemi olisi tasapainossa, pitää virran kulkea silmukassa sellaiseen suuntaan, että magneettinen voima, joka kohdistuu virtasilmukan vaakasuoraan osaan, suuntautuu alas. Virran pitää tällöin kulkea silmukassa myötäpäivään, eli navasta 2, joka on positiivinen, napaa, joka on negatiivinen. Tällöin B = mgr. Ul I = U R. U B trk+1 1% +1% (V) (mt) (mt) (mt) (mt) A: 220 9,7 9,66 9,56 9,76 B: 270 7,9 7,87 7,79 7,95 C: 320 6,6 6,64 6,57 6,71 D: 370 5,7 5,74 5,68 5,80 b) (max 3p) Alkuarvot: m R l k d (g) (Ω) (cm) (cm) (cm) A-D: 6,5 5,0 15 25 35 Staattisessa tasapainossa voimien pitää kumoutua ( F 1 + F 2 + F 3 = 0) ja lisäksi vaakasysteemiin kohdistuva kokonaisvääntömomentin pitää olla nolla. Valitun momenttipisteen m suhteen F 1 d F 2 d = 0 F 1 = F 2 mg = IlB B = mg Il. Kuva.

6 Aineen karakteristinen röntgensäteily syntyy, kun atomin elektroniverhon alimmilta kuorilta poistetaan elektroni ja syntynyt aukko täyttyy jonkin ylemmän kuoren elektronilla. Karakteristinen K α -röntgensäteily syntyy, kun K-kuoren elektroni poistuu ja aukko täyttyy L-kuoren elektronilla. Magnesiumilla K-kuoren elektronin ionisaatioenergia o,3050 kev ja L-kuoren 51,4 ev. a) Laske magnesiumin K α -röntgensäteilyn energia ja aallonpituus. b) Jos atomin ionisaatio saadaan aikaan elektronisuihkulla, jonka elektronit vuorovaikuttavat aineen kuorielektronien kanssa, mikä on pienin elektronien kiihdytysjännite, jolla saadaan aikaan K α -säteilyä, jos kohtioaine on magnesiumia? c) Laske elektronien nopeus niiden osuessa magnesiumkohtioon. a) (max 2p) Alkuarvot: aine E K E L (kev) (ev) A, C: Mg 1,3050 51,4 B, D: Al 1,5596 73,1 Säteilyn energia on energiatasojen välinen erotus E = E K E L. E trk+1 1% +1% E trk+1 1% +1% (kev) (kev) (kev) (kev) (10 16 J) (10 16 J) (10 16 J) (10 16 J) A, C: 1,2536 1,25360 1,24106 1,26614 2,0085 2,00852 1,98843 2,02861 B, D: 1,4865 1,48650 1,47163 1,50137 2,3817 2,38167 2,35785 2,40549 b) (max 2p) Pienin mahdollinen kiihdytysjännite U saadaan lausekkeesta E K = Ue U = E K e. aine U trk+1 1% +1% (kv) (kv) (kv) (kv) A, C: Mg 1,3050 1,30500 1,29195 1,31805 B, D: Al 1,5596 1,55960 1,54400 1,57520 c) (max 2p) Elektronien nopeus saadaan lausekkeesta E K = Ue = 1 2Ue 2 m ev 2 v =. m e aine v trk+1 1% +1% (10 8 m/s) (10 8 m/s) (10 8 m/s) (10 8 m/s) A, C: Mg 0,214 0,2142 0,2120 0,2164 B, D: Al 0,234 0,2342 0,2318 0,2366 Nopeudet ovat vain noin 8% valonnopeudesta, joten voidaan käyttää klassisen mekaniikan kaavoja. Fotonin energia on toisaalta E = hf = hc 0 λ, missä h on Plankin vakio, c 0 valon nopeus tyhjiössä, ja λ säteilyn aallonpituus. Tällöin emittoituvan fotonin aallonpituus on λ = hc 0 E[J] = hc 0 E[eV]e. λ trk+1 1% +1% (nm) (nm) (nm) (nm) A, C: 0,9890 0,98904 0,97914 0,99894 B, D: 0,8341 0,83408 0,82573 0,84243 Yksikkömuunnos 1 ev = 1,6022 10 19 J.