SV – Fysik

26.3.2021

Provet består av 11 uppgifter av vilka sju ska besvaras. Uppgifterna är indelade i tre delar. Del 1 omfattar en 20-poängsuppgift som är obligatorisk för alla. Del 2 omfattar sju 15-poängsuppgifter av vilka fyra ska besvaras. Del 3 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.

Del 1: 20-poängsuppgift

Besvara uppgift 1.

1. Flervalsuppgifter från olika delområden i fysiken 20 p.

Välj rätt alternativ för varje delfråga 1.1–1.10. Rätt svar 2 p., fel svar 0 p. inget svar 0 p.

1.1 Ett barn leker på golvet med ett leksakståg med lok och vagn. Barnet stöter iväg loket. Efter stöten rör sig loket med konstant hastighet. Vilket av följande alternativ är då korrekt? 2 p.

 

1.2 Vagnen står stilla. Loket som rör sig kolliderar med den. Vid kollisionen fastnar de i varandra och rör sig vidare tillsammans. Vilket av följande alternativ är korrekt? 2 p.

 

1.3 Vilket av följande alternativ är korrekt för kollisionen (medan den pågår) som är beskriven i deluppgift 1.2? 2 p.

 

1.4 Loket dras med en konstant kraft. Motståndskrafterna kan antas vara små. Vilket av följande alternativ är korrekt? 2 p.

 

1.5 Loket är först i vila och dras sedan en viss sträcka med en konstant kraft. Motståndskrafterna kan antas vara små. Vilket av följande alternativ är korrekt? 2 p.

 

1.6 En positivt laddad partikel hålls på plats i ett homogent elektriskt fält. Vad händer när partikeln släpps loss? 2 p.

 

1.7 En positivt laddad partikel hålls på plats i ett homogent magnetiskt fält. Vad händer när partikeln släpps loss? 2 p.

 

1.8 Två lika stora ballonger släpps loss från samma höjd. Ballong A är fylld med helium och ballong B är fylld med luft. Ballong A börjar röra sig uppåt och ballong B nedåt. Varför börjar ballongerna röra sig i olika riktningar? 2 p.

 

1.9 Vilken av följande storheter beskriver inte tillståndet hos ett termodynamiskt system? 2 p.

 

1.10 Vissa av gaserna i jordens atmosfär fungerar som så kallade växthusgaser och förorsakar växthuseffekten i jordens atmosfär. Varför värmer växthusgaserna atmosfären? 2 p.

 

Del 2: 15-poängsuppgifter

Besvara fyra uppgifter.

2. Kortdistanslöpning 15 p.

I material (material 2.A) anges mellantiderna från Carl Lewis världsrekordlopp på 100 meter i Tokyo år 1991.

2.1 Presentera en graf över Lewis mellantider som funktion av sträckan han sprungit. 5 p.

 

2.2 Vad var Lewis mellantid vid 75 meter? 4 p.

 

2.3 Vi antar att Lewis hade kunnat fortsätta löpa med samma fart efter 100 m. Vad skulle hans sluttid då ha varit i ett 200-meterslopp? 6 p.

 

3. Gasbehållare 15 p.

En gasflaska är fylld med argongas. Flaskans volym är 38 liter och gasens tryck i flaskan är 280 bar. Gasens temperatur är 22 ⁰C. Hur stor är den fyllda gasflaskans massa då den tomma flaskans massa är 26 kg?
 

4. Bryggkoppling 15 p.

Bild 4.A i materialet visar en så kallad bryggkoppling som kan användas för att bestämma storleken av en okänd resistans Rx. En spänning kopplas mellan punkterna a och c, varvid en elektrisk ström går genom kretsen. Det reglerbara motståndets resistans R3 har justerats så att ingen elektrisk ström flyter mellan punkterna b och d.

4.1 I vilken riktning flyter den elektriska strömmen mellan spänningskällan och punkten a, och i vilken riktning flyter den mellan spänningskällan och punkten c? Vilkendera av strömmarna är större, eller är de lika stora? 4 p.

 

4.2 Hur stor är spänningen mellan punkterna b och d? 3 p.

 

4.3 Härled ett uttryck för resistansen Rx som endast beror av resistanserna R1, R2 och R3. 8 p.

 

5. Krafter 15 p.

5.1 Cyklist 9 p.

En cyklist ökar hastigheten på en vågrät väg. Välj bland de givna kraftfigurerna A–F den som bäst beskriver de yttre krafter som påverkar cykeln och cyklisten. Skriv bokstaven för den kraftfigur du valt i svarsfältet och namnge krafterna som är utritade i den. De vågräta och lodräta krafterna samt deras symboler är för tydlighetens skull utmärkta med olika färger i figurerna.
 

5.2 Gungare 6 p.

Ett barn sitter i en slänggunga vars rotationshastighet hålls konstant. Välj bland de givna kraftfigurerna A–E den som bäst beskriver de krafter som påverkar barnet. Skriv bokstaven för den kraftfigur du valt i svarsfältet och namnge krafterna som är utritade i den. För att förenkla situationen kan alla krafter som är utmärkta i figurerna anses vara riktade i bildens plan. De har alltså inte komponenter som är riktade i eller mot rörelsens riktning.
 

6. Jordbävningsvågor 15 p.

Jordbävningsvågor eller seismiska vågor indelas i primära vågor eller P-vågor, sekundära vågor eller S-vågor och ytvågor. P-vågor utbreder sig genom att bergarterna turvis trycks ihop och dras ut. I S-vågor däremot rör sig bergarterna vinkelrätt mot vågens utbredningsriktning. P-vågorna framskrider i medeltal 8,0 km i sekunden och S-vågorna i medeltal 4,8 km i sekunden. Ytvågorna är långsammare. Vågorna har även olika frekvenser.

Vid en viss jordbävning observerades den första jordbävningsvågen 30 sekunder före den andra vågen. Den första vågens frekvens var 2 Hz och den andras var 10 Hz.

6.1 Hur långt från observationsplatsen låg jordbävningens epicentrum? Hur stora var de observerade P- och S-vågornas våglängder? 8 p.

 

6.2 Med hurdana vågrörelser kan P- och S-vågor beskrivas? Förklara kortfattat varför man kan få information om jordklotets uppbyggnad genom att undersöka jordbävningsvågor. Hur påverkar den flytande delen av jordklotets kärna förekomsten av S- och P-vågor? 7 p.

 

7. Reflektion från en tunn hinna 15 p.

7.1 Förklara kortfattat varför tunna ljusgenomsläppliga filmer på en yta, till exempel en oljehinna på en vattenyta, påverkar ljusets reflektion från ytan. 6 p.

 

7.2 På en glasyta finns ett tunt, jämntjockt lager aceton. När ytan belyses från en vinkelrät riktning observerar man att den bäst reflekterar ljus med våglängden 630 nm. Hur tjockt är acetonlagret? Brytningsindex för aceton är 1,25, för glas 1,50 och för luft 1,00. 9 p.

 

8. Radon 15 p.

Radon är en radioaktiv ädelgas som bildas i jordskorpan som en sönderfallsprodukt av uran och torium. I Finland är radonhalterna i medeltal högre än i de flesta andra länder, och radon innebär en betydande risk för folkhälsan. Allt radon i inomhusluft eller i dricksvatten är i praktiken av isotopen Rn-222, vars halveringstid är 3,82 dagar.

8.1 Varför är radongas i inomhusluften farligt för hälsan? 4 p.

 

8.2 Den radioaktiva radonisotopen Rn-222 bildas då uranisotopen U-238 sönderfaller enligt följande sönderfallskedja: U→Th→Pa→U→Th→Ra→Rn. Hur många alfapartiklar och hur många betapartiklar bildas det i den här sönderfallskedjan? Motivera ditt svar. 5 p.

 

8.3 Radon löser sig bra i vatten och är därför den största orsaken till radioaktivitet i dricksvattnet i Finland. Radonhalten i borrbrunnsvatten är i medeltal 460 Bq/l. Hur många radonatomer finns det i en liter av sådant brunnsvatten? 6 p.

 

Del 3: 20-poängsuppgifter

Besvara två uppgifter.

9. En stavs jämvikt 20 p.

En homogen och jämntjock stav hålls i vila i vågrätt läge stödd mot en vägg med hjälp av ett lätt rep (se bild 9.A i materialet). Staven hålls i detta läge när friktion förhindrar att den ända av staven som rör väggen glider. Stavens massa är 7,9 kg och dess längd är 1,9 m. Vilofriktionskoefficienten mellan staven och väggen är 0,76.

9.1 För vilka värden på vinkeln α mellan repet och staven hålls staven på plats? 14 p.

 

9.2 Bestäm krafterna som påverkar staven då α = 25⁰. 6 p.

 

10. Värmeförråd 20 p.

Läs artikeln 10.A om energilagret som anläggs i Vasa och besvara deluppgifter 10.1–10.4.

10.1 Anta att den större av grottorna fylls med sötvatten. Uppskatta utgående från informationen i artikeln hur mycket vattnets temperatur kommer att stiga då den planerade maximienergin lagras i grottan. 5 p.

 

10.2 Anta att vattnets temperatur till en början är 1 ⁰C. Efter det höjs vattnets temperatur till 90 ⁰C. Hur stor är volymen hos det vatten som överförs till expansionskammaren under uppvärmningen? 5 p.

 

10.3 Varför blir energilagringen viktigare då användningen av förnybara energikällor ökar? 4 p.

 

10.4 Diskutera vilka skillnader det finns mellan den energilagring som beskrivs i artikeln och energilagring med elektriska batterier när det gäller reglering av energiproduktion eller -konsumtion. 6 p.

 

11. Solpanel 20 p.

Solpaneler består av ett flertal solceller. Den elektromagnetiska strålningen som träffar solcellen kan skapa elektronhålpar i halvledaren. Dessa laddningsbärare kan samlas upp i en extern strömkrets. Elektronhålpar skapas i en halvledare på ett liknande sätt som när elektroner frigörs från metaller av den fotoelektriska effekten.

Solcellernas förmåga att omvandla strålningens energi till energi som kan förflyttas med elektricitet kan undersökas med hjälp av så kallad spektral respons. Den spektrala responsen är förhållandet mellan den största möjliga elektriska ström som en solcell kan producera och strålningseffekten som träffar solcellen. Bild 11.A i materialet visar en typisk spektral respons för en kiselcell, en solcell gjord av kristallint kisel, som funktion av strålningens våglängd.

11.1 Varför ökar den elektriska strömmen som fås ur en solpanel om panelen riktas mot solen? 3 p.

 

11.2 Varför sjunker kiselcellens spektrala respons snabbt till noll då strålningens våglängd överskrider 1 100 nm? 3 p.

 

11.3 Varför minskar kiselcellens spektrala respons nästan lineärt då strålningens våglängd sjunker under det värde där den spektrala responsen når sitt maximum? 5 p.

 

11.4 En kiselcell kan omvandla 15–20 % av energin från solstrålning som träffar cellen till energi som kan överföras med hjälp av elektricitet. Vad händer med resten av energin från strålningen som träffar solcellen? 5 p.

 

11.5 Hur stor energi krävs det för att skapa ett elektronhålpar i en kiselcell? 4 p.

 

Källor

  1. Källa: SEN.
  2. 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.