1
STUDENTEXAMENS- PROVET I FYSIK
NÄMNDEN 11.3.2015
Högst 8 uppgifter får besvaras. Uppgifterna bedöms efter skalan 0–6 poäng, förutom
jokeruppgifterna som är mer krävande än de andra uppgifterna och som är markerade
med ett +. De bedöms efter skalan 0–9 poäng. I uppgifter med flera moment, till exempel
a-, b- och c-moment, kan maximiantalet poäng för enskilda undermoment meddelas för sig.
1. I figurerna a–f visas graferna för några objekts position x som funktion av tiden. Varje positionsgraf motsvaras av en graf för hastigheten v som funktion av tiden. Hitta för varje positionsgraf
motsvarande hastighetsgraf bland alternativen 1–8. Ge som svar 6 bokstavs–nummer-par.
2. För oxgrodor (Rana catesbeiana) anordnas hopptävlingar, där de bästa exemplaren gör över två
meter långa skutt. Biologer videofilmade tusentals tävlingshopp. I tabellen presenteras banhastigheten för en viss oxgroda under avstampet.
t (s)
v (m/s)
0,00
0,00
0,04
0,31
0,08
1,02
0,12
1,99
0,16
2,85
0,20
3,57
0,24
4,22
0,28
4,56
0,32
4,57
0,36
4,35
0,40
3,86
a) Rita grafen för grodans banhastighet som funktion av tiden. (3 p.)
b) Märk ut i grafen för banhastigheten den punkt där grodans banhastighet är störst. (1 p.)
c) Bestäm ur grafen för banhastigheten grodans acceleration vid tidpunkten 0,24 s. (2 p.)
3. a) Då sovsäckars värmeisoleringsegenskaper testades följde man temperaturen inne i en sovsäck i en frysbox. I säcken sattes lätta plastbehållare med 45,0 liter vatten. Vattnets temperatur var i början 37,0 °C och frysboxens temperatur under försöket var –10,0 °C. Efter
exakt en timme var vattnets temperatur 35,8 °C. Hur mycket energi hade vattnet förlorat?
b) Man antar att värmet i a-fallet överfördes med
konstant hastighet från sovsäcken till omgivningen. Med hur stor effekt borde vattnet värmas så att
vattnet förblir vid temperaturen 37,0 °C inne i sovsäcken?
c) Sovsäckarnas strukturella skillnader undersöktes genom att man i köldförhållanden utomhus
tog bilder av säckarna med en värmekamera. Det
fanns en försöksperson i sovsäcken. Varför är
<http://www.sll.fi/luonnonsuojelija/lehtiarkisto/2013/6-1013/
blixtlåset det varmaste stället på sovsäckens yta?
copy_of_milletlkk.JPG>. Hämtad 20.1.2014. (modifierad)
2
4. a) I figur A visas strukturen hos ett mänskligt öga. Ytterst på ögat finns hornhinnan (nummer
1), som har brytningsindex 1,38. Den fungerar som den viktigaste brytande ytan för skarpt
seende. Hornhinnans yta är en sfärisk yta. En människa tittar på ett föremål som är långt
borta. Ljusstrålar från föremålet bryts på hornhinnans yta enligt figur B då föremålet och
ögats yta är i luft. En skarp bild bildas då strålarna skär varandra inom området för skarp
syn (nummer 2). Varför kan en människa under vattenytan inte se avlägsna föremål skarpt?
Varför är det möjligt med hjälp av simglasögon (bild C)? Rita en figur över bägge situa tionerna. (4 p.)
b) En människa sägs vara närsynt om hon inte kan se skarpt på långt håll. Detta brytningsfel
kan korrigeras genom att man använder glasögon med konkav lins. Med en viss modern
operationsmetod kan ögats brytningsfel korrigeras genom att hornhinnans krökning ändras
med en laser. Ska man öka eller minska på hornhinnans krökningsradie, om en operation
som modifierar hornhinnan görs på en närsynt person? (2 p.)
Figur A.
Ögats struktur.
<https://peda.net/id/Ndm2RN>.
Hämtad 20.1.2014. (modifierad)
Figur B.
Ljusstrålar bryts vid gränsytan mellan
hornhinnan och luft, då människan ser på ett avlägset föremål.
Bild C.
<http://upload.wikimedia.org/wikipedia/
commons/2/22/Tauchen1.jpg >.
Hämtad 20.1.2014.
5. Figurerna föreställer två vagnar som glider på en friktionsfri horisontell luftkuddebana.
Till en början rör sig vagnarna tillsammans med samma hastighet i enlig het med figur 1. Mellan vagnarna finns
en hoptryckt fjäder. En tråd som är fäst i
vagn A är till en början ospänd.
Då fjädern utlöses skjuter den vagnarna från varandra och tråden spänns. Då
glider tråden genom friktionsbromsen C
som är fäst vid vagn B och vagnarnas
rörelse i förhållande till varandra börjar
bromsas in (figur 2).
Vagnarnas hastigheter mäts först då tråden har spänts och glider genom friktionsbromsen C. Hastigheterna visas i
figur 3.
Vagnarnas rörelse påverkas endast av
växelverkan mellan tråden och friktionsbromsen. Vagn A har massan 222 g,
massan för vagn B är okänd.
a) Hur stor är friktionskraften med vilken friktionsbromsen verkar på tråden?
b) Hur stor massa har vagn B?
c) Hur stor var vagnarnas gemensamma
hastighet innan fjädern utlöstes?
Figur 1.
Figur 2.
m/s v
0,4
0,3
0,2
0,1
0,0
-0,1
t
-0,2
0,00,10,20,30,40,50,6
Figur 3.
0,7
0,8
0,9
1,0 s
3
6. Anta att jordklotet är ett homogent klot, som kretsar kring solen i en cirkelbana.
a) Hur stor är den kinetiska energin för jordklotets banrörelse kring solen? Hur stor är jordklotets rotationsenergi kring sin egen axel?
b) Beräkna jordklotets mekaniska energi på dess cirkelbana. 7. Av lampor, 1,5 V batterier och ledningsstumpar byggs kopplingen som visas på bild 1. På bild
2 visas hur ledningarna kopplats till lampans sockel.
a) Rita ett kopplingsschema över kopplingen på bilden genom att använda komponenternas
symboler. Märk ut i kopplingsschemat även lampornas bokstavsidentifikationer A, B och C.
(4 p.)
b) Rita a-fallets kopplingsschema på nytt och infoga i kopplingsschemat mätare med vilka
man kan mäta polspänningen över lampa A och strömmen genom lampa C. (2 p.)
Bild 2.
Bild 1.
8. I figur 1 visas den japanska prototypbåten Yamato.
Båtens motor är ett metallrör, som är öppet i bägge
ändor och som havsvatten kan strömma igenom.
Mellan elektroderna inne i röret finns en spänning
som skapar en elström i havsvattnet i den riktning
som anges i figur 2. Vattnet accelereras med hjälp
av magnetfältet från en supraledande magnet. På
så vis skapas en kraft som för båten framåt. Magnetfältet som är vinkelrätt mot elströmmen har en
magnetisk flödestäthet på 15 T.
a) Hur uppstår elströmmen mellan elektroderna?
(1 p.)
b) Hur uppstår motorns dragkraft? (3 p.)
c) Beräkna motorns dragkraft, då avståndet mellan elektroderna är 0,30 m. Spänningen på 82 V
mellan dem skapar en ström vars storlek är
0,70 kA. (2 p.)
Bilder: SEN
–
elströmmens
riktning
vattnets
strömningsriktning
9. Energinivåerna för de strukturella avvikelserna i kvartskristall kan modelleras som grupper av närliggande nivåer på det sätt figuren visar.
Grupperna kallas här energibälten. Bälte A kallas för grundtillståndens
bälte. Då en kvartskristall tar emot energi, kan den exciteras till alla energibälten som visas i figuren, men då den avger energi återvänder den
alltid till bälte A.
a) För vilka våglängder absorberar och emitterar en kvartskristall strålning? (4 p.)
b) På vilket sätt syns energinivåernas gruppering till energibälten i det
strålningsspektrum som kvartskristallen emitterar? (2 p.)
B
4
En stålkula, vars radie är r och massa m, börjar
10.
rulla från vila ned längs banan som avbildats i
vidstående figur. Efter nedförsbacken (höjd h)
styrs kulan in på den inre ytan av en cirkelformad (radie R) slinga. Kulan rör sig runt ”dödsslingan” utan att lossna från banans yta. Kulan
rullar utan att glida. Rullnings- och luftmotståndet beaktas inte.
a) Rita kraftfigurerna över de krafter som verBild: SEN
kar på kulan i lägena A och B. (2 p.)
b) Hur stor måste höjdskillnaden h minst vara för att kulan ska kunna ta sig runt slingan utan
att lossna från banans yta? (4 p.)
11.
En positivt laddad partikel placeras i medelpunkten av en oladdad ihålig sfär. Det sfäriska skalets tjocklek är en tredjedel av sfärens yttre radie. Undersök två fall:
a) Det sfäriska skalet är en ledare.
b) Det sfäriska skalet är en isolator.
Rita tydliga figurer för a- och b-fallen av vilka laddningarna i det sfäriska skalet framgår. Rita
också in i figurerna de elektriska fälten med hjälp av fältlinjer inne i sfärerna, i de sfäriska skalen och utanför sfärerna.
Bilden föreställer en tryckrengöringsflaska. Då flaskans ventil öppnas, avges från munstycket
+12.
en kraftig gasstråle, med vilken man kan blåsa bort damm och skräp från svåråtkomliga ställen.
Trots handelsnamnet innehåller flaskan inte luft, utan 1,1,1,2-tetrafluoretan (TFE) i vätske- och
gasfas. I tabellen listas de fysikaliska egenskaperna hos 1,1,1,2-tetrafluoretan, kväve och syre.
TFE
kväve
syre
kokpunkt vid normaltryck (°C)
–26,3
−195,8
−183,0
kritisk temperatur (°C)
101,1
−145,0
−116,6
kritiskt tryck (kPa)
4060
3396
5043
specifik värmekapacitet i vätskeform (kJ/kg)
1,42
ångtryck vid temperaturen 25 °C (kPa)
666,1
ångbildningsvärme vid kokpunkten (kJ/kg)
217,2
199,2
213,1
självantändningstemperatur (°C)
770
<http://www.biltema.fi/ProductImages/23/large/23-556_l.jpg>.
Hämtad 20.1.2014.
a) Vilken av egenskaperna som nämns i tabellen bestämmer det rådande trycket i flaskan då
ventilen är sluten? (1 p.)
b) Vad händer med gasen och vätskan i flaskan när ventilen öppnas? (2 p.)
c) Vid konstant temperatur förblir gasstrålen lika kraftig, även om mängden tetrafluoretan i
flaskan minskar. Varför? (2 p.)
d) När gas frigörs från flaskan, kyls flaskan ner. Sänkningen av temperaturen är större ju mindre tetrafluoretan i vätskeform det finns kvar. Förklara fenomenet. (2 p.)
e) Kan man fylla en behållare som tål högt tryck med luft, så att behållaren vid rumstemperatur innehåller luft i vätske- och gasfas? (2 p.)
+13. Partikelfysikens standardmodell
a) Vilka är de fundamentala partiklar som hör till standardmodellen? (2 p.)
b) Hur förklarar standardmodellen växelverkan mellan partiklarna? (2 p.)
c) Hur förklaras partiklarnas massor i standardmodellen? (2 p.)
d) Varför är det experimentellt besvärligt att observera neutriner och undersöka Higgs partikel? (3 p.)