SV – Fysik

26.3.2020

Provet består av 11 uppgifter av vilka sju ska besvaras. Uppgifterna är indelade i tre delar. Del I omfattar en 20-poängsuppgift som är obligatorisk för alla. Del II omfattar sju 15-poängsuppgifter av vilka fyra ska besvaras. Del III omfattar tre 20-poängsuppgifter av vilka två ska besvaras. Det maximala antalet poäng i provet är 120. Alla svar ska motiveras förutsatt att det svarstekniskt sett är möjligt. Om du vill kan du göra figurer, diagram eller tabeller som stöd för ditt svar och bifoga en skärmdump av dem till vilket textsvar som helst.

Lämna inga anteckningar i svarsfältet för sådana uppgifter som du inte vill lämna in för bedömning. Obs! I uppgift 4 finns en separat anvisning för hur man låter bli att svara.

Del I: 20-poängsuppgift

Besvara uppgift 1.

1. Flervalsuppgifter från olika delområden i fysiken 20 p.

I vart och ett av videoklippen 1. A–1. E skildras något av mekanikens fenomen. I deluppgifterna 1.1.–1.5. ska du välja rätt fenomen som är förknippat med respektive videoklipp. I deluppgifterna 1.6.–1.10. ska du välja rätt fysikaliska storhet som är beskriven i deluppgiften. Rätt svar 2 p., fel svar 0 p., inget svar 0 p.

1.1. Se på video 1. A. Obs! Videon har inget ljud. Fenomenet som skildras i videon är 2 p.

 

1.2. Se på video 1. B. Obs! Videon har inget ljud. Fenomenet som skildras i videon är 2 p.

 

1.3. Se på video 1. C. Obs! Videon har inget ljud. Fenomenet som skildras i videon är 2 p.

 

1.4. Se på video 1. D. Obs! Videon har inget ljud. Fenomenet som skildras i videon är 2 p.

 

1.5. Se på video 1. E. Obs! Videon har inget ljud. Fenomenet som skildras i videon är 2 p.

 

1.6. Den storhet som beskriver styrkan hos en radioaktiv strålningskälla är 2 p.

 

1.7. Den storhet som beskriver styrkan hos en växelverkan är 2 p.

 

1.8. Den storhet som beskriver en ledares förmåga att motstå elektrisk ström är 2 p.

 

1.9. Den storhet som beskriver förmågan hos ett ämne att ta emot och avge energi i form av värme är 2 p.

 

1.10. Den storhet som beskriver förmågan hos en partikel eller kropp att förorsaka eller påverkas av en elektrisk växelverkan är 2 p.

 

Del II: 15-poängsuppgifter

Besvara fyra uppgifter.

2. Låda och vikt 15 p.

Bild 2. A föreställer en låda på en vågrät bana. Lådan dras av en vikt som är upphängd i en tråd. Mellan lådan och banan råder friktion. Lådan startar från vila och stannar när den träffar banans ände. Lådan rör sig inte om viktens massa är liten i förhållande till lådans massa. Tråden är lätt och trissan är lättrörlig. Situationen i bild 2. A modelleras i simulering 2. B.

2.1. Rita kraftfigurerna för lådan och för vikten i en situation där lådan inte rör på sig. 6 p.

 

2.2. Bestäm med hjälp av simuleringen vilofriktionskoefficienten mellan lådan och banan. 9 p.

 

3. Havsnivåhöjning 15 p.

Jordklotets oceaner värms upp till följd av klimatförändringen. Detta förorsakar en höjning av havsnivån vilken under 2000-talet ungefär varit av storleken 3 millimeter om året. En av orsakerna till havsnivåhöjningen är vattnets värmeutvidgning.

Det har uppskattats att oceanerna årligen ackumulerar en värmemängd som motsvarar ungefär 1,3 ⋅ 1022 J. Hur mycket stiger oceanernas medeltemperatur på ett år? Hur stor är då den havsnivåhöjning som värmeutvidgning förorsakar på ett år? Havsvattnets egenskaper är beroende av trycket, temperaturen och salthalten, så vi använder de medelvärden som är givna i tabell 3. A.

 

4. I ett mörkt rum 15 p.

Experiment med laserljus utförs i ett mörkt rum med hjälp av den experimentella uppställningen som är avbildad i bild 4. A. Där är L lasern och G är det undersökta föremålet. Ljuset som faller på skärmen S observeras. Avståndet mellan föremålet och skärmen är mycket större än våglängden hos ljuset som används.

Välj i deluppgifterna 4.2.–4.6. det alternativ som bäst motsvarar situationen. Rätt svar 3 p. / 2 p., fel svar 0 p., inget svar 0 p. Om du har påbörjat ditt svar men ändå inte vill lämna in uppgiften för bedömning ska du markera varje påstående med alternativet "Jag svarar inte" och töm svarsfältet 4.1.

4.1. Vi använder rött laserljus och ett gitter som det föremål som ska undersökas. Gittret består av många mycket smala spalter där avståndet mellan spalterna är a. Ljusmönstret som vi får på skärmen är då likt det i bild 4. B. Vilket fenomen är det fråga om? Du behöver inte motivera svaret. 3 p.

 

4.2. Skärmen flyttas till det dubbla avståndet från gittret. Hur förändras mönstret som observeras på skärmen? 2 p.

 

4.3. Vi återgår till utgångsläget i deluppgift 4.1. Sedan flyttas lasern till det dubbla avståndet från föremålet. Hur förändras mönstret som observeras på skärmen? 2 p.

 

4.4. Samma laserljus och samma avstånd som i deluppgift 4.1. används, men som föremål placeras en skiva med endast två mycket smala spalter. Avståndet mellan spalterna är a. Hur förändras mönstret som observeras på skärmen? 2 p.

 

4.5. Samma laserljus och samma avstånd som i deluppgift 4.1. används, men som föremål väljs ett annat gitter där avståndet mellan närbelägna spalter är hälften av vad det var i det ursprungliga gittret, alltså \frac{1}{2} 1 2 a. Hur förändras mönstret som observeras på skärmen? 3 p.

 

4.6. Samma avstånd och samma gitter som i deluppgift 4.1. används, men det röda laserljuset byts ut mot grönt laserljus. Hur förändras mönstret som observeras på skärmen? 3 p.

 

5. Vridspoleinstrument 15 p.

Funktionen hos ett vridspoleinstrument baserar sig på det kraftmoment som spolen påverkas av i ett magnetfält. Med ett vridspoleinstrument kan man uppmäta elektrisk ström eller spänning i ett visst mätområde genom att antingen parallellkoppla eller seriekoppla ett lämpligt motstånd till spolen. Bilderna 5. A och 5. B föreställer ett vridspoleinstrument som är inställt på olika mätområden samt motsvarande koppling av motståndet inuti instrumentet. Då instrumentet indikerar på sitt maximivärde flödar det en elektrisk ström på 0,10 mA genom spolen. Spolens resistans är 360 Ω.

5.1. Hur stor måste resistansen hos motståndet RI vara då elektrisk ström mäts i intervallet 0...100 mA? Ge ditt svar med två gällande siffrors noggrannhet. 8 p.

 

5.2. Hur stor måste resistansen hos motståndet RU vara då spänning mäts i intervallet 0...1 V? Ge ditt svar med två gällande siffrors noggrannhet. 7 p.

 

6. Hopp utan fallskärm 15 p.

Den 10.8.2016 publicerade dagstidningen Helsingin Sanomat på sina vetenskapssidor en notis om Luke Aikins hopp utan fallskärm (text 6. A). Hopparens höjd som funktion av tiden har tagits ur en video av hoppet (mätdata 6. B). Tidtagningen påbörjades då hopparen lämnade flygplanet. Besvara uppgifter 6.1. och 6.2. med antagandet att hopparens totala massa inklusive utrustningen var 95 kg.

6.1. Rita en graf över hopparens höjd som funktion av tiden. Hur stort var luftmotståndet som påverkade hopparen då han var på 3 800 meters höjd? 8 p.

 

6.2. Redogör för och motivera vilka felaktigheter angående energin som presenteras i text 6. A. 7 p.

 

7. En stavmagnet som faller 15 p.

Man fäller en stavmagnet genom en spole i enlighet med bild 7. A. Spolen består av 500 varv koppartråd. Medan magneten faller mäter man den elektriska strömmen i spolen. Mätresultaten är givna i mätdata 7. B.

7.1. Rita en graf över den elektriska strömmen i spolen som funktion av tiden. Varför flödar det en elektrisk ström i spolen då man fäller stavmagneten genom den? 7 p.

 

7.2. Jämför storleken på den totala laddningen som går genom spolen vid den första och vid den andra strömtoppen. 8 p.

 

8. Röntgenstrålning 15 p.

Bild 8. A visar strålningsspektrumet från ett röntgenrör utrustat med molybdenanod då accelerationsspänningen antar värdet 28 kV.

8.1. Förklara hur röntgenstrålning uppkommer i ett röntgenrör. 8 p.

 

8.2. Röntgendiffraktion kan användas för att undersöka materiens struktur. Vad grundar sig röntgendiffraktion på? Vilken information kan man få och hurdan materia kan man undersöka med hjälp av röntgendiffraktion? 7 p.

 

Del III: 20-poängsuppgifter

Besvara två uppgifter.

9. Bestämning av den specifika laddningen hos en jon 20 p.

Beskriv en metod med vilken man experimentellt kan bestämma den specifika laddningen hos en okänd jon, alltså förhållandet mellan jonens laddning och dess massa. Redogör för vilken utrustning som används och vilka storheter som måste mätas eller kännas till. Härled en ekvation för hur jonens specifika laddning kan beräknas ur de uppmätta storheterna. Vilka faktorer i den experimentella uppställningen inverkar väsentligt på resultatets tillförlitlighet och noggrannhet?
 

10. Gravitationsvågor och LIGO 20 p.

Texten 10. A berättar om observationen av gravitationsvågor med LIGO-experimentet. Besvara uppgifterna 10.1.–10.3. utgående från texten samt den tillhörande bilden 10. B.

10.1. Vad betyder det att observationen GW150914 är en ”direkt” observation? Varför är observationen från år 1974 inte en ”direkt observation”? 5 p.

 

10.2. Då kropparna som roterade runt varandra smälte samman avgavs en mängd energi som motsvarar massan av tre solar som gravitationsvågor under loppet av 0,015 sekunder. Beräkna gravitationsvågornas effekt. Hur många solars strålningseffekt motsvarar det här? Solens strålningseffekt är 3,9 · 1026 W. 8 p.

 

10.3. Vid analysen av data från LIGO kom man fram till att kroppen som uppstod vid sammansmältningen hade en massa som var 62 gånger massan hos solen. Utgående från det här kan man tolka observationen GW150914 uttryckligen som en följd av kollisionen mellan två svarta hål och inte en kollision mellan vanliga stjärnor eller neutronstjärnor. Hur kan man dra den här slutsatsen med hjälp av materialet? 7 p.

 

11. Ångtvätt 20 p.

En ångtvätt är en apparat som består av ett tryckkärl och ett elektriskt motstånd. Vattnet i kärlet värms upp med hjälp av det elektriska motståndet varvid vattenånga bildas i kärlet. Ångan leds via ett munstycke till ytan som ska rengöras. Bilderna 11. A och 11. B innehåller information om ångtvätten. Vattnets fasdiagram är presenterat i bild 11. C. Besvara uppgifterna 11.1.–11.3. utgående från materialet och dina egna kunskaper.

11.1. Bestäm utgående från materialet temperaturen hos vattnet i ångtvättens tryckkärl då apparaten är färdig för bruk. 8 p.

 

11.2. Tryckkärlet har en volym på 1,0 liter. Man fyller kärlet med kranvatten som har en temperatur på +6,0 °C och sätter sedan på ångtvättens värmemotstånd. Hur lång tid tar det innan ångtvätten är klar för bruk? 8 p.

 

11.3. Hur stor är den effektiva elektriska strömmen som flödar genom ångtvättens elektriska motstånd medan vattnet värms upp? 4 p.

 

Källor

  1. Källa: SEN.
  2. Källa: SEN.
  3. Källa: SEN.
  4. Källa: SEN.
  5. Källa: SEN.

Kontrollera att du har svarat på det antal uppgifter som anges i instruktionerna. Lämna inga anteckningar i svarsfältet för sådana uppgifter som du inte vill lämna in för bedömning.