Opetus

Kevään 2020 fysiikan ylioppilaskoe

Fysiikan koe koronan varjossa

Kevään 2020 ylioppilaskokeita varjosti korona-epidemia, jonka takia kirjoitusten aikatauluja jouduttiin rukkaamaan. Fysiikan koe siirrettiin viikkoa aikaisemmaksi tuolle viikolle suunnitellun välipäivän paikalle. Monelle kokelaalle tämä merkitsi poikkeuksellisen työntäyteistä koeviikkoa. Siitä, miten se vaikutti fysiikan kokeeseen osallistumisen peruuntumisiin, ei ole tätä kirjoitettaessa käytettävissä tilastotietoa. Koesuorituksissa ei ollut suoraan nähtävissä kokeen aikaistamisen vaikutusta. Kevään arvosanarajojen (laudatur 95 pistettä ja approbatur 23 pistettä) ja sensorien kommenttien perusteella voidaan sanoa, että kokelaat suoriutuivat kokeesta hyvin.

Kuva 1. Kokonaispisteiden jakautuma. Kuvaan on merkitty myös arvosanarajojen paikat.

 

Taulukko 1. Tehtävien pistekeskiarvot ja vastaajamäärät.

 

Taulukko2. Arvosanarajat ja –jakautuma.

 

Osanottajamäärä jatkoi kasvuaan

Kokeeseen ilmoittautui 8342 kokelasta, mikä on 23 % enemmän kuin kevään 2019 kokeessa. Osallistujien määrä 7837 oli 18 % enemmän kuin vuosi sitten. Syy tähän kokeen suosion kasvuun lienee yliopistojen muuttuneet valintaperusteet, joissa luonnontieteiden arvosanoista saa aikaisempaa enemmän valintapisteitä. Fysiikan kokeeseen osallistuneiden naisopiskelijoiden määrä on tosin noussut tasaisesti jo pitempään. Kemian kokeen osallistujamäärässä tapahtui saman suuruusluokan nousu kuin fysiikassa. On erinomaista, että yhä suurempi osa lukiolaisista hankkii itselleen hyvät tiedot luonnontieteiden perusteista.

 

Yleisiä huomioita koesuorituksista

Aluksi muutamia yleisiä huomioita tehtäviin vastaamisesta ja vastausten arvostelusta.

Laskennallisissa tehtävissä arvosteltavia kohtia ovat ratkaisun kannalta oleellisten fysiikan lakien nimeäminen, lähtökohtana olevien suureyhtälöiden esittäminen, käytettyjen suureiden määritteleminen, kysytyn suureen suhteen ratkaistun suureyhtälön esittäminen ja lopputulos.

Merkintöjen on oltava yksikäsitteisiä. Esimerkiksi työn merkitseminen symbolilla W toimii hyvin ilman selitystä, jos tehtävässä esiintyy vain yksi työ. Jos useampi voima tekee työtä, ratkaisun yksikäsitteisyyteen tulee kiinnittää huomiota esimerkiksi erottamalla voimat merkinnällisesti toisistaan.

Fysiikan esitystapaan kuuluu, että kysytylle suureelle esitetään suureyhtälö, josta suureen numeerinen arvo ratkaistaan. Paras tapa on esittää suureyhtälö tehtävänannossa mainittujen suureiden avulla. Tällöin eri suureiden vaikutus lopputulokseen ja eri suureiden vaikutussuhteet ovat parhaiten nähtävissä. Joissakin tehtävissä sensorit odottavat näkevänsä vastauksen nimenomaan tässä muodossa. Usein suureyhtälön voi esittää myös välituloksina saatujen suureiden avulla, mikäli näille välituloksille on esitetty kyllin selkeät omat suureyhtälönsä. Olemme todenneet, että tehtävänantoja on syytä selkeyttää tämän suhteen. Kysytyn suureen suhteen ratkaistun suureyhtälön puuttuminen verotti monen kokelaan kohdalla pisteitä, vaikka ratkaisu saattoi muuten olla ihan oikein. Erityisesti ”solveria” käytettäessä suureyhtälön kirjoittaminen tahtoi unohtua.

Hyvään ratkaisutapaan kuuluu myös päättelyjen sanallinen perusteleminen. Joskus tehtävän luonne vaatii, että tehtävänannossa erikseen pyydetään perustelun esittämistä. Myös muissa tehtävissä ratkaisun avainkohdat on syytä perustella sanallisesti. Silloin tällöin kohtaa ratkaisuja, joissa edetään kaavasta toiseen ilman yhtäkään selittävää lausetta. Sellainen ei ole hyvä vastaus.

Sähköisessä kokeessa graafisten esitysten laatiminen on muuttunut siitä, mitä se oli paperikokeessa. Piirtäminen onnistuu vaivattomammin, ja sen takia piirtämistä vaativia tehtäviä voi kokeessa olla useampikin. Tällä kertaa niitä oli kaksi. Myös havaintopisteiden määrä on digikokeessa yleensä paljon suurempi kuin se oli paperikokeiden aikoina, mikä vaikuttaa graafien tuottamiseen ja myös mahdollistaa graafien monipuolisemman käytön tehtävissä.

Perinteisesti fysiikan kokeen graafisessa esityksessä on vaadittu havaintopisteet erillisinä pisteinä ja funktionaalista riippuvuutta kuvaava malli, sovite tai tasoite yhtenäisellä viivalla. Molemmat on edelleen hyvä näyttää graafisessa esityksessä. Tässä kokeessa graafisia esityksiä arvioitiin kuitenkin hiukan aiempia vuosia sallivammin paristakin syystä: Mittauspisteitä oli kummassakin graafissa runsaasti, ja piirtämällä pisteitä yhdistävän viivan sai aikaan siistin kuvaajan, josta ei silmämääräisesti pystynyt päättelemään, esittikö graafi mitattuja pisteitä vai suureiden riippuvuuden kuvaajaa. Koska kummassakaan tehtävässä kuvaajan yksityiskohtainen muoto ei ollut oleellinen muiden tulosten laskemiselle, päätettiin hyväksyä myös sellaiset graafiset esitykset, joissa oli pelkkä pisteitä yhdistävä viiva tai pelkät havaintopisteet.

Graafisten esitysten piirtämiseen on tarjolla useampia työkaluja. Kaikilla niillä on omat vahvuutensa, mutta niillä on myös heikkouksia tai sellaisia perusasetuksia, joista voi aiheutua virheitä kokelaan vastauksiin. Esimerkiksi NSpire:lla jää osa pisteistä piirtämättä, Casio sijoittaa akseleille vain yhden lukuarvon, GeoGebra tuottaa epäfysikaalisia käyränmuotoja sovitettavaan funktioon graafin reunoille, LoggerPro piirtää havaintopisteet lähes näkymättöminä pisteinä eikä pysty tuottamaan splinisovitetta ja LibreOfficella on helppoa tuottaa kuvaaja pystyakselin arvoista rivin funktiona. Graafinen integrointi vaikuttaa sujuvan helpoiten LoggerProlla. Oikein käytettyinä kaikilla ohjelmilla on kuitenkin mahdollista piirtää kelvollisia kuvia.

 

Tehtäväkohtainen tarkastelu

Osa I

Tehtävä 1 oli perinteiseen tapaan fysiikan perusosaamista testaava 20 pisteen monivalintatehtävä. Tehtävän pistekeskiarvo oli niinkin korkea kuin 18,2. Eniten vastattiin väärin kohdissa 1.6, 1.7 ja 1.10, joissa noin kolme neljästä tiesi oikean vaihtoehdon. Kohdassa 1.7 selvästi eniten vastattu väärä vaihtoehto vuorovaikutuksen voimakkuutta kuvaavaksi suureeksi oli intensiteetti, kohdissa 1.6 ja 1.10 kaikki väärät vaihtoehdot saivat suunnilleen saman määrän valintoja.

 

Osa II

Tehtävä 2. Laatikko ja punnus

Tehtävän ensimmäinen kohta oli suoraviivainen voimakuvion piirtämistehtävä. Voimakuvioita piti piirtää kaksi, toinen laatikolle ja toinen punnukselle. Oleellisinta voimakuvion piirtämisessä oli, että kappaleisiin vaikutti oikea määrä voimia oikeisiin suuntiin. Jos näin ei ollut, kuviosta ei voinut saada pisteitä. Muita arvosteltavia kohtia olivat voimien vaikutuspisteet, voimavektoreiden suhteelliset pituudet sekä voimien nimeäminen.

Kitka vaikuttaa laatikon ja radan kosketuspinnoilla, joten kitkavektorin paikka on sovitun käytännön mukaisesti siellä. Radan laatikkoon kohdistaman tukivoiman vaikutuskohta on laatikon alapinnalla, joten oikeaoppisesti piirretyn tukivoimavektorin tulee alkaa siitä. Arvioinnissa päädyimme hyväksymään myös voimavektorit, joiden kärki oli piirretty laatikon alapintaan. Painon vaikutuspisteenä pidetään laatikon painopistettä (se on jossain laatikon keskipaikkeilla), ja langan jännitysvoiman luonnollinen vaikutuspiste on langan ja kappaleen kiinnityskohta. Monet kokelaat olivat piirtäneet voimanuolet värillisiksi, jolloin ne erottuivat selvästi alla olevasta rajapinnasta tai langasta, vaikka viivat olivatkin piirretty päällekkäin. Tämä on hyvä käytäntö.

Voimien sanallisten nimeämisten ohella nimeämiseksi hyväksyttiin kuvioihin merkityt, ko. voimille yleisesti käytetyt kirjainsymbolit (N, G, T ja F), kunhan kahta eri suuretta ei merkitty täsmälleen samalla symbolilla. Voimien pituuksien piti kummassakin kuviossa vastata tehtävän tilannetta eli sitä, että ko. kappale ei liiku. Vastakkaisiin suuntiin vaikuttavia voimia piti siis kuvata (silmämääräisesti) yhtä pitkät voimavektorit. Hyvässä voimakuviossa langan laatikkoon ja langan punnukseen kohdistamat jännitysvoimat merkittiin eri symboleilla ja piirrettiin yhtä suureksi. Näitä yksityiskohtia ei kuitenkaan tässä kokeessa arvosteltu.

Eniten päänvaivaa kokelaille aiheutti langan jännitysvoima. Lanka yhdistää tarkasteltavat kaksi kappaletta toisiinsa, mikä saattoi saada kokelaan ajattelemaan tilannetta liian monimutkaisesti. Muutama myös kutsui jännitysvoimaa tukivoimaksi ja merkitsi sitä kirjaimella N. Tämä ilmeisesti sen takia, että langan jännitysvoima kumosi punnukseen kohdistuvan painon ja painon kumoaa tasapainotilanteessa usein jokin tukivoima.

Kohdassa 2.2. kokelaat olivat osanneet hyvin etsiä simulaatiolla rajatilannetta vastaavan massaparin. Parhaissa vastauksissa oli selvitetty punnuksen massa neljän numeron tarkkuudella ja kuvailtu pienen lisäyksen saavan aikaan eron paikallaan pysyvien kappaleiden ja kiihtyvän liikkeen välillä. Lepokitkan suurin arvo on rajatilannetta vastaavien punnuksen ja laatikoiden massojen suhde. Tämä tulos tuli johtaa laatikon ja punnuksen tasapainoehdoista ja siitä, että langan aiheuttama jännitysvoima on sama langan molemmissa päissä. Tyypillisin puute ratkaisussa oli ohittaa fysikaalinen perusteleminen tasapainon kautta ja tyytyä antamaan vain kitakertoimen arvo. Jotkin kokelaista harhautuivat tarkastelemaan kiihtyvässä liikkeessä olevaa systeemiä.

 

Tehtävä 3. Merenpinnan nousu

Tämä Lämpö-kurssiin liittynyt tehtävä osattiin ratkaista hyvin. Jotkut tosin erehtyivät käyttämään merenpinnan nousun laskemiseen pituuden lämpötilakerrointa tilavuuden lämpötilakertoimen sijasta. Merien pinta-alan pysyminen muuttumattomana jäi monelta mainitsematta. Välituloksena saatu meren lämpötilanousu, jota tehtävässä myös kysyttiin, jäi osalta kokelaista esittämättä pyöristetyssä muodossa. Yksi erikoinen – mutta ei selittämätön – yksikönmuunnosvirhe tuli vastaan yllättävän usein: km2 = 103 m2.

 

Tehtävä 4. Pimeässä huoneessa

Aalto-opin tehtävä käsitteli valon diffraktiota. Osassa 4.1 oli kuvattu koejärjestely ja annettu aineistossa koejärjestelyllä tuotettu diffraktiokuvio. Kysyttiin, mistä ilmiöstä on kyse. Hyväksyttäviä vastauksia olivat diffraktio, valon taipuminen ja interferenssi. Jonkin näistä mainitseminen riitti vastaukseksi, koska vastausta ei tarvinnut perustella.

Jos vastuksessa mainittiin useita ilmiöitä, vastaukseksi katsottiin yleisesti noudatetun periaatteen mukaisesti niistä huonoin. Jotkut, jotka tiesivät oikein diffraktion, erehtyivät ilmiötä tarpeettomasti selittäessään mainitsemaan myös jonkin väärän ilmiön, yleensä valon taittumisen. Tämä vei pisteet nollaan.

Tehtävän loppuosa koostui monivalintatehtävistä, joilla testattiin kokelaan diffraktioilmiön ymmärtämistä monelta eri kantilta.

Tästä tehtävätyypistä tuli hyvää palautetta. Tehtävä myös osoittautui osaamista varsin hyvin erottelevaksi. Oikeiden vastausten osuus eri kysymyksissä vaihteli 43 %:n ja 63 % välillä.

 

Tehtävä 5. Kiertokäämimittari

Selvästi vähiten vastattu kokeen tehtävistä oli tämä sähköopin tehtävä. Sen oli valinnut vain viitisen sataa kokelasta. Tehtävä oli sinänsä yksinkertainen virtapiiritehtävä, jonka saattoi ratkaista Kirchhoffin lakeja soveltaen tai vastusten rinnan- ja sarjakytkennän sääntöjen avulla. Kytkentöjen esittäminen puolittaisilla laitekuvilla saattoi tehdä tehtävästä vaikeasti lähestyttävän, ehkä myös laitteen nimi kiertokäämimittari, joka saattoi osalle kokelaista tulla vastaan ensimmäistä kertaa.

Kohdassa 5.1 yleisin virhe oli jättää vastuksen resistanssia laskiessa huomioimatta sähkövirran jakaantuminen vastuksen ja kelan sähkövirroiksi ja käyttää vastuksen sähkövirtana kokonaisvirtaa.

 

Tehtävä 6. Hyppy ilman laskuvarjoa

Lehtijutun ympärille rakentuneessa tehtävässä oli kuvaajan piirtämistä, perusmekaniikan päättelyä ja fysiikan osaamisen soveltamista lehtijutun kriittiseen arvioimiseen.

Kuten jo totesimme, kuvaajien piirtämistä arvioitiin tässä kokeessa hiukan aiempia vuosia sallivammin. Tämän tehtävän data-aineistossa oli mittauspisteitä niin suuri määrä, että piirtämällä pisteitä yhdistävän (murto)viivan sai aikaan siistin kuvaajan, jossa pisteitä yhdistävä viiva näytti kaikkialla derivoituvalta funktiolta. Parhaissa kuvissa näkyi sekä mittauspisteet että niitä yhdistävä viiva.

Kuvaajasta saattoi päätellä, että hyppääjä oli saavuttanut ennen tarkasteltavaa 3800 m:n korkeutta vakionopeuden. Kiihtyvyys oli siis nolla, joten kysytty ilmanvastus oli yhtä suuri kuin hyppääjään kohdistunut paino.

Yleisin väärä ratkaisutapa oli soveltaa energiaperiaatetta ja laskea ilmanvastuksen tekemän työn avulla ilmanvastuksen suuruus. Tällä tavalla saadaan kuitenkin selville vain ilmanvastuksen keskimääräinen suuruus, ei sen suuruutta kysytyllä korkeudella. Jos kokelas oli valinnut tarkasteluvälin tasaisen nopeuden alueelta, hän sai voimalle tietenkin saman arvon kuin oikeassa päättelyssä. Voiman pysyminen vakiona piti kuitenkin perustella, ja sitä ei voinut tehdä muuten kuin mittaustulosten pohjalta.

Kohdassa 6.2 piti tarkastella aineiston lehtijuttua ja tunnistaa siitä energiaa koskevat virheelliset ilmaisut. Pisteitä annettiin kolmen virheellisen kohdan tunnistamisista ja virheellisyyksien perustelemisista.

Suurin osa kokelaista piti liike-energian ”syntymistä” hypyn aikana virheellisenä tai ainakin kyseenalaisena toteamuksena, koska energiaa ei synny vaan se vain muuttaa muotoaan. Virheellinen oli kuitenkin se monien tarjoama perustelu, että hyppääjän potentiaalienergia muuntuu hypyn aikana hyppääjän liike-energiaksi, koska mekaaninen energia säilyy. Ensimmäisen osion perusteella on selvää, että nopeus hypyn alun jälkeen ei kasva, joten vastusvoimien takia mekaaninen energia ei tilanteessa säily vaan osa potentiaalienergiasta muuntuu vastusvoimien tekemäksi työksi.

Suurin osa kokelaista tunnisti virheelliseksi väitteen, että liike-energia ”heijastuu maasta ja murskaa hyppääjän”. Tässä kohtaa riitti selittää hyppääjän murskautumisen aiheutuvan maanpinnan kehoon kohdistamasta vastavoimasta (Newtonin III laki). Useimmat tunnistivat myös kolmannen selvästi epäfysikaalisen väitteen, nimittäin että verkko ”imi syöksyjän liike-energian”. Fysiikan mukaan hyppääjän liike-energia muuntuu muuhun muotoon hänen pudotessaan verkkoon; energian ”imeminen” ei ole tieteellisesti oikea ilmaisu asialle. Tässä kohtaa hyväksyttiin myös impulssiin perustuva selitys eli pysäyttävän voiman vaikutusajan piteneminen verkon ansiosta, mikä pehmentää törmäystä.

 

Tehtävä 7. Putoava sauvamagneetti

Samoin kuin edellisessä tehtävässä, tässäkin tehtävässä oli mittauspisteitä niin runsaasti, että ne muodostivat kuvassa yhtenäisen käyrän. Erillistä pisteisiin sovitettua kuvaaja tai mittapisteiden kautta kulkevaa murtoviivaa ei ollut tarpeen esittää.

Tehtävän ilmiö käsitellään perinteisesti oppimateriaaleissa, ja tehtävä on ollut ylioppilaskokeessa aikaisemminkin muodossa tai toisessa. Tehtävä olikin varsin suosittu.

Ilmiön selittämisessä kokelaat osasivat mainita jännitteen syntymisen käämiin ja sen aiheuttaman sähkövirran, jos käämi on osa suljettua virtapiiriä. Monelta vastaajalta jäi kuitenkin mainitsematta, että nämä induktioilmiöt johtuvat käämin poikkipinnan läpäisevän magneettivuon muutoksista. Arvostelussa magneettikentän muuttumista ei pidetty riittävänä selityksenä.

Käämissä kulkevan kokonaisvarauksen määrittäminen t,I-kuvaajasta perustuu yhtälöön I = Q/t, joka piti mainita. Piikit sai integroida yhdessä tai erikseen, mutta integroinnin tuloksena saadut sähkövarauksen arvot piti antaa. Niistä piti päätellä, että varauksen muutokset summautuivat nollaan.

Osa vastanneista ei ollut ymmärtänyt integroida vaan tarkasteli virtapiikkien maksimivirtoja ja piikkien kestoja. Näin tehtävän ratkaiseminen lähti alusta alkaen väärään suuntaan.

 

Tehtävä 8. Röntgensäteily

Tämä oli Kiertokäämimittarin jälkeen toiseksi vähiten valittu tehtävä. Vastaajia oli vain runsaat tuhat. Ensimmäisessä osassa piti selittää, miten röntgensäteilyä syntyy röntgenputkessa. Jarrutussäteilyn syntyminen anodissa oli useimmille tuttu asia, sen sijaan karakterististen piikkien synnyn osasi selittää paljon harvempi vastaaja. Hyvästä vastauksesta piti käydä myös ilmi, että röntgenputkessa anodia pommitetaan sähkökentän avulla kiihdytetyillä elektroneilla.

Tehtävän jälkimmäiseen osaan osattiin vastata huonosti. Syynä lienee se, että kiinteän aineen rakennetta ei juurikaan käsitellä lukion fysiikassa. Röntgendiffraktio, jota tehtävä koski, taitaa olla ainoa kohta, jossa kiteisten aineiden hilarakenne tulee vastaan. Hyvin monessa vastauksessa käsiteltiin röntgensäteilyn vaimenemista ja puhuttiin röntgenkuvien muodostumisesta.

 

Osa III

Tehtävä 9. Ionin ominaisvarauksen määrittäminen

Tämä tehtävä oli edellisen kaltainen siinä suhteessa, että se ei perustunut laskemiseen vaan mittauslaitteen ja menetelmän kuvailemiseen. Osan III tehtävänä se oli edellistä tehtävää selvästi laajempi. Mittauslaitteiston ja sen toiminnan selittäminen johdonmukaisesti ja hyvää fysiikan ilmaisutapaa käyttäen vaati paitsi asian hallintaa myös kypsyyttä.

Osassa vastauksia yritettiin käyttää painovoimaa osana laitetta. Ionin tapauksessa painovoiman vaikutus on kuitenkin niin pieni, ettei siihen perustavaa toimivaa laitetta pystytä rakentamaan. Toimiva laite perustuu magneetti- ja sähkökenttien käyttöön.

Suureyhtälön johtaminen ominaisvaraukselle osoittautui haastavaksi osaksi. Sitähän tarvittiin, jotta saatiin selville ne suureet, joiden arvot esitetyssä menetelmässä piti tuntea ominaisvarauksen määrittämiseksi. Usein suureyhtälöön oli jäänyt ionin nopeus, jonka arvoa ei näissä laitteissa mitata vaan joka määräytyy muista suureista. Toinen varsin tavallinen virhe oli käyttää nopeusvalitsimen ja analysointimagneetin magneettikenttiin liittyneille magneettivuontiheyksille samaa symbolia. Yleisessä tapauksessa se johtaa väärään suureyhtälöön, mutta jos kertoo, että samaa kenttää käytetään molemmissa laitteissa, niin ongelmasta selvisi.

Oikeasta suureyhtälöstä hyvitettiin pisteillä riippumatta siitä, oliko se johdettu vai muistettu. Kaavan johtamisesta annettiin pisteitä erikseen.

Tehtävän haastavin osa oli mittaustarkkuuteen vaikuttavien asioiden käsittely. Parhaissa vastauksissa näkyi, että kokeellisia mittauksia on tehty ja mittauksia osataan yhdistää tavoiteltavaan lopputulokseen.

Tämä oli osion III vähiten suosittu tehtävä, sen valitsi vain 1700 kokelasta. Käsite ominaisvaraus saattoi olla huonommin tunnettu kuin koetta laatiessamme olimme osanneet ajatella.

 

Tehtävä 10. Painovoima-aallot ja LIGO

Fysiikan lukio-opintojen tavoitteisiin kuuluu kokonaiskuvan syventäminen maailmankaikkeuden rakenteesta, josta saadaan kaiken aikaa uutta mielenkiintoista tietoa. Tämä tehtävä käsitteli hiljattain runsaasti esillä ollutta havaintoa gravitaatioaalloista, jotka olivat syntyneet kahden mustan aukon törmäyksessä. Tehtävä testasi kokelaan kykyä ymmärtää tieteellisestä kokeesta ja sen tuloksista laadittua tiedotetta, joka oli tehtävän aineistona. Kysymykset olivat vastattavissa aineiston pohjalta, mutta pisteitä ei voinut saada pelkällä aineiston kopioinnilla.

Suoran mittauksen selittäminen osoittautui vaikeammaksi kuin epäsuoran. Epäsuora mittaus oli helpompi selittää aineiston perusteella, mutta suorasta havainnosta ei osattu hyvin pukea sanoiksi sitä, että se tehdään nimenomaan ko. tutkittavan asian mittaamista varten suunnitellulla laitteella.

Kohdassa 10.2 oli yllättävän paljon vastausteknillisiä puutteita, kuten suureyhtälöiden puuttumisia.

Kohdassa 10.3 piti aineiston avulla osoittaa, että törmäävät taivaankappaleet olivat mustia aukkoja eivätkä neutronitähtiä tai tavallisia tähtiä. Vastauksissa yleisin virhe oli, että pyrittiin perustelemaan, miksi syntynyt kappale oli musta aukko ja tällöin ei vastattu oikeaan kysymykseen. Tämä virhe on saattanut johtua siitä, että kysymyksessä puhutaan ensin syntyneestä kappaleesta ja vasta sen jälkeen toisiinsa törmänneistä kappaleista. Ne kokelaat, jotka vastasivat oikeaan kysymykseen, onnistuivat useimmin sulkemaan pois neutronitähtien törmäyksen niiden liian pienen massan perusteella. Neutronitähtien säteen pienuutta käytettiin harvemmin. Tavallisten tähtien sulkeminen pois onnistui yllättävän harvalta. Mittausaineiston alkukohta vastaa aineistossa olleen kaavakuvan mukaan noin 4 kertaa syntyneen kappaleen Schwarzschildin säteen eli noin 700 km:n etäisyyttä kappaleiden keskipisteiden välillä. Siinä vaiheessa mitatut gravitaatioaallot olivat vielä säännöllisiä, tyypillisiä toisiaan kiertävien kappaleiden lähettämiä gravitaatioaaltoja. Koska tavallisten tähtien säteet ovat paljon tätä suurempia, ne eivät olisi voineet kiertää toisiaan enää tuossa vaiheessa vaan olisivat jo sulautuneet toisiinsa.

 

Tehtävä 11. Höyrypuhdistin

Monet arkiset laitteet kätkevät itseensä mielenkiintoista fysiikkaa. Tässä tehtävässä tarkasteltiin höyrypuhdistimen toimintaa. Höyrypuhdistimen sisällä on vettä sekä höyrynä että nesteenä, joten faasidiagrammissa ollaan nesteen ja kaasun rajakäyrällä. Laitteen arvokilvestä piti osata lukea laitteen käyttöpaine 3,5 bar ja annetusta faasidiagrammista sitä vastaava lämpötila 140 °C – 145 °C.

Tämän tehtävän arvioinnissa päädyttiin vaatimaan, että kokelas perustelee lämpötilan määrittämisen faasidiagrammin rajakäyrältä sillä, että laitteen tankissa on samanaikaisesti vettä sekä nesteenä että höyrynä. Vaatimus osoittautui tiukaksi. Valitettavan usea kokelas väitti, että kaiken veden on muututtava laitteen sisällä höyryksi ennen kuin laite on valmis käytettäväksi.

Suuri osa kokelaista oli kopioinut faasidiagrammin vastaukseensa ja merkinnyt siihen lukemansa kohdan. Näin sensorin oli helppo todeta kokelaan ymmärtäneen, miten faasidiagrammia luetaan.

Lämpötilalukeman osuminen hyväksyttyyn haarukkaa vaati, että diagrammia luettiin huolellisesti. Yllättävän usealle oli tuottanut vaikeuksia sijoittaa 3,5 bar oikein logaritmiselle asteikolle. Tässä kohtaa väärästä lämpötila-arvosta menetti vain 2 pistettä, mutta virhe vaikutti myös seuraavaan kohdan vastaukseen ja aiheutti siellä lisäpistevähennyksen.

Kohdassa 11.2 piti laskea, kuinka kauan höyrypuhdistimen saattaminen käyttövalmiiksi kestää, kun se täytetään vedellä, jonka lämpötila on 6 °C. Arvokilvestä ilmeni lämmitysteho. Kun veden lämmittämiseen lämpötilaan 140 °C tarvittava energia E = cmΔT ja lämmittimen teho tiedettiin, voitiin lämmittämiseen kuluva aika laskea.

Varsin moni laski mukaan myös veden höyrystämiseen kuluvan ajan. Tämä virhe kertoi siitä, ettei kokelas ollut ymmärtänyt laitteen toimintaperiaatetta oikein.

Tehtävän kolmas osa oli yksinkertainen sähköopin lasku. Siinä osoittautuivat kompastuskiviksi tehollisen jännitteen ja tehollisen virran käsitteet; kakkosen neliöjuuri ilmestyi kaavoihin syyttä suotta. Arvokilvessä toimintajännitteeksi oli annettu 220 V – 240 V, joten arvostelussa päätettiin hyväksyä sähkövirrat väliltä 7,5 A – 8,2 A. Jännitteenä olisi tietenkin kuulunut käyttää Suomen sähköverkon jännitettä 230 V.

 

Jouko Lahtinen, Jukka Maalampi, Ylioppilastutkintolautakunta

 

Kevään 2020 fysiikan ylioppilaskokeen tehtävät
https://yle.fi/aihe/artikkeli/2020/02/11/2020-kevat-fysiikka

Print Friendly, PDF & Email
Takaisin etusivulle