YO-kysymyksiä/vastauksia kurssista FY3

YO-KYSYMYKSIÄ KURSSISTA FY3: Aallot1. Selosta lyhyesti, mihin fysikaalisiin ilmiöihin perustuvat a) polaroivienaurinkolasien häikäisyä vähentävä vaikutus, b) veden pinnalla olevassaohuessa öljykalvossa havaittavat väri-ilmiötja c) valon hajaantuminen väreihin prismassa. (YO-K82-8).2. Selitä käsitteet a) pitkittäinen aaltoliike, b) huojuminen (huojunta) jac) seisova aaltoliike. (YO-K83-3).3. Selosta lyhyesti a) mikä on spektri, b) mihin fysikaalisiin ilmiöihin perustuuvalon hajottaminen spektriksi, c) miten atomaarisen vedyn spektriviivojensynty selitetään Bohrin atomimallin perusteella. (YO-K-85-7).4. Selitä lyhyesti, mitä on a) ääni, b) resonanssi, c) huojunta (huojuminen)?(YO-S88-3).5. Miksi valo taipuu hilassa? (YO-K89-3a).6. Laserin valon tärkeimmät ominaisuudet. (YO-S89-7a).7. Miten valon taajuus, aallonpituus ja nopeus muuttuvat, kun valo kulkeeoptisesti harvemmasta aineesta optisesti tiheämpään aineeseen?(YO-S90-3a).8. Mitä tarkoitetaan säteilyn yhteydessä käsitteellä spektri? (YO-K91-9a).9. Mitä tarkoitetaan absorptiospektrillä ja miten se syntyy? (YO-K91-9c).10. Mitä tarkoitetaan valekuvalla optisessa kuvauksessa? (YO-K91-3a).11. Mihin äänen fysikaalisiin ominaisuuksiin liittyvät kuultavan äänen voimakkuusja korkeus? (YO-S92-3a).12. Mitä tarkoitetaan aaltoliikkeiden interferenssillä? selosta erityisesti ilmiöthuojuminen (huojunta) ja seisova aaltoliike. (YO-S94-3).13. Linssi tai peili voi muodostaa esineestä joko todellisen kuvan tai valekuvan.Selosta näiden käsitteiden ero. (YO-K95-3a).

14. a) Kaukana tapahtuvasta räjähdyksestä voidaan saada kuulohavainto janäköhavainto ja se voidaan myös aistia maan tärähdyksenä.Perustele, missä järjestyksessä ko. signaalit saapuvat.b) Mistä seikoista ihmiskorvan aistiman äänen voimakkuus riippuu?(YO-K96-10ab).15. Mitkä kokeet osoittavat, että valoa voidaan pitää aaltoliikkeenä ja nimenomaanpoikittaisena aaltoliikkeenä? (YO-S96-6a).16. a) Mitä tarkoittaa valon polarisoituminen?b) Missä arkielämän olosuhteissa kohtaat polarisoitunutta tai osittainpolarisoitunutta valoa? (YO-K97-6).17. Selosta lyhyesti,a) miksi posliinimukin pohjalla reunan takana näkymättömissä oleva kolikko voitulla näkyviin, kun mukiin kaadetaan vettä,b) miksi järven pinnan häikäisevät heijastukset oleellisesti himmenevätsopivanlaisia aurinkolaseja käytettäessä,c) miksi valkoinen valo hajaantuu prismassa väreihin. (YO-S97-5).18. Kuinka korkean täytyy seinäpeilin vähintään olla, jotta seisoessasi peilin edessävoit nähdä itsesi kokonaan? (YO-K98-5b).19. a) Prisma hajottaa valkoisen valon spektriksi. Missä arkielämän tilanteissa voitkohdata samankaltaisen valon taittumisilmiön?b) Miksi veden pinnalla oleva ohut öljykalvo näyttää eriväriseltä eri suunnistakatsottuna?c) Erään laserin valo suunnataan vinosti lasilevyn pintaan. Tietyllä tulokulmanarvolla pinnasta ei heijastu lainkaan valoa. Miten tämä on mahdollista?(YO-K00-14).20. Ultraääni. Selosta myös ultraäänen teknisiä sovelluksia kiinnittäen erityistähuomiota siihen, mitä ultraäänen ominaisuutta kussakin käytetään hyväksi.(YO-K02-5).21. a) Miten ääni etenee ilmassa?b) Mitkä äänen ominaisuudet vaikuttavat keskeisesti kuuloaistimuksenvoimakkuuteen?c) Miksi äänen voimakkuutta mitataan dB-asteikolla? (YO-S03-5).

22. Selitä, mitä tarkoitetaan seuraavilla aaltoliikkeille tyypillisillä ilmiöillä, ja annaesimerkkejä tapauksista, joissa ilmiö esiintyy luonnossa tai jossakin laitteessa:a) seisova aaltoliike, b) Dopplerin ilmiö ja c) polarisaatio. (YO-K04-5).23. Äänen nopeutta mitattiin molemmista päistä avoimen putken avulla.Kaiutin sijoitettiin lähelle putken suuta. Kun kaiuttimen värähtelytaajuuttavaihdeltiin, kuultiin ääni hyvin voimakkaana tietyillä taajuuksilla. Selitä ilmiö.(YO-S04-5a).24. Ihailet maisemia jyrkkäseinäisellä vuorenharjanteella. Alhaalla olevan pienenvesilammen tyynestä pinnasta heijastuva auringonvalo osuu suoraan silmiisi.Kun panet polarisoivat aurinkolasit silmillesi, havaitset heijastuneen valonhäviävän lähes kokonaan. Selitä ilmiö. (YO-S04-12a).25. Mihin ilmiöön perustuu spektrin muodostuminen 1) hilassa ja 2) prismassa?(YO-S05-5a).26. Selitä lyhyesti käsitteet ja selvennä kutakin esimerkin avulla:a) värähdysliike, b) mekaaninen aaltoliike, c) pitkittäinen aaltoliike jad) ultraääni. (YO-K07-3).27. Uutta asuinaluetta suunnitellaan vilkasliikenteisen autotien läheisyyteen.Mitä keinoja on käytettävissä meluhaittojen torjumiseen asuinalueenviihtyisyyden lisäämiseksi? (YO-K08-5a).28. a) Valaat kaikuluotaavat äänen avulla. Selitä kaikuluotauksen periaate.b) Miten kaikuluotauksella saadaan tietoa kohteen nopeudesta? (YO-S08-4bc).29. a) Selvitä, miten ääni etenee kaiuttimesta kuulijan korvaan?b) Miksi ihmisen aistimaa äänenvoimakkuutta mitataan desibeliasteikolla?(YO-K09-4ab).30. a) Mitä tarkoitetaan valon spektrillä?b) Mihin fysikaaliseen ilmiöön perustuen ja millä tavoin valon spektri saadaanmuodostettua 1) hilalla ja 2) prismalla? (YO-K09+12ac).

YO-VÄITTÄMIÄ KURSSISTA FY3: Aallot1. Vastaa perustellen, mikä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkäeivät.a) Ääniaaltojen nopeus ilmassa on suurempi kuin tyhjiössä.b) Ilmassa olevasta äänilähteestä veden pintaan tulevat aallot voivatkokonaisheijastua.c) Oheisessa kuviossa katkoviivalla esitetynvärähtelyn taajuus on jännitetyn kielenominaisvärähtelyn perustaajuus (alin taajuus).d) Jos yksi työkone aiheuttaa teollisuushalliin tietyn keskimääräisenmelutason (intensiteettitason), niin viiden samanlaisen työkoneenkäydessä yhtä aikaa melutaso on viisinkertainen. (YO-K85-3).2. Vastaa perustellen, mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkäeivät.a) Mikroaaltojen nopeus on pienempi kuin ultraäänen nopeus.b) Valon taipuminen hilassa on interferenssi-ilmiö.c) Valon kokonaisheijastus voi tapahtua vain, jos valo tulee kahden aineenrajapintaan pienemmän taitekertoimen omaavan aineen puolelta.d) Kahden lähes samantaajuisen ääniaallon interferoidessa syntyvä huojuntaon selvin, mikäli aaltojen amplitudit ovat yhtä suuret. (YO-S91-3).3. Mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät?a) Kovera pallopeili muodostaa aina valekuvan.b) Kun ääniaallot tulevat ilmasta ilman ja veden rajapintaan, ne voivatkokonaisheijastua.c) Kun paloauto loittonee, sen sireenin äänen taajuus kuullaan matalampanakuin auton ollessa paikallaan. (YO-K05-5).4. Perustele, mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät:a) Ääniaallot voivat kokonaisheijastua tyynen veden pinnasta.b) Ääniaallon polarisoituvat läpäistessään tiheän metallilankahilan.c) Formula-ajojen katsoja havaitsee kilpa-auton moottorin äänen korkeudennousevan auton ohittaessa hänet. (YO-K10-4).

RATKAISUT/VASTAUKSET:1. Selosta lyhyesti, mihin fysikaalisiin ilmiöihin perustuvat a) polaroivien aurinkolasien häikäisyävähentävä vaikutus, b) veden pinnalla olevassa ohuessa öljykalvossa havaittavat väri-ilmiötja c) valon hajaantuminen väreihin prismassa. (YO-K82-8).1.Vastaus:a) Polarisoivat aurinkolasit poistavat luonnollisesta valosta yleensävaakasuoran värähtelyn tai värähtelykomponentin, josta seuraaintensiteetin heikkeneminen vähintään puoleen. Esim. lumesta tai vedestäheijastunut valo polarisoituu osittain. Heijastuvan pinnan suuntainenvärähtely, joka ei heikkene heijastuksessa, poistuu lasista.b) Öljykalvon ylä- ja alapinnasta heijastuvat valonsäteet interferoivatkeskenään. Kalvon väri riippuu valon aallonpituudesta, kalvon paksuudestaja katsomissuunnasta.c) Valon nopeus (v) prismassa riippuu valon aallonpituudesta. Siksi prismantaitekerroin (n = c/v) on eri suuri erivärisille valoille, punaiselle pienin javioletille suurin.2. Selitä käsitteet a) pitkittäinen aaltoliike, b) huojuminen (huojunta) jac) seisova aaltoliike. (YO-K83-3).2. Vastaus:a) Pitkittäinen aaltoliike on mekaanista aaltoliikettä, jossa osasten värähtelytapahtuu aaltoliikkeen etenemissuunnassa.b) Kun kaksi samaan suuntaan etenevää aaltoliikettä, joiden taajuudeteroavat vain vähän toisistaan, interferoivat, syntyy huojuminen.Tietyssä kohdassa interferenssiaallon amplitudi A vaihtelee jaksollisestiarvojen A 1 + A 2 ja A 1 - A 2 välillä taajuudella f h = ∣f 1 – f 2 ∣.c) Kahden samanlaisen vastakkaisiin suuntiin etenevän aaltoliikkeeninterferoidessa syntyy seisova aaltoliike. Solmukohdat ovat paikallaan jakuvut värähtelevät.

3. Selosta lyhyesti a) mikä on spektri, b) mihin fysikaalisiin ilmiöihin perustuu valon hajottaminenspektriksi, c) miten atomaarisen vedyn spektriviivojen synty selitetään Bohrin atomimallinperusteella. (YO-K-85-7).3.Vastaus:a) Spektri on säteilyn intensiteetin aallonpituus- tai taajuusjakautuma.b) Valon hajottaminen prismalla perustuu taittumisilmiöön; valon taitekerroinriippuu aallonpituudesta. Hilaspektrin synty perustuu valon taipumiseenhilassa, interferenssi-ilmiöön, johon pätee hilayhtälö dsinα = kλ.c) Bohrin mallin mukaan vetyatomin elektroni voi kiertää ydintäympyräradoilla, joita kutakin vastaa tietty energia. Elektronin siirtyessäradalta toiselle emittoituu tai absorboituu ratojen energioiden erotustavastaava kvantti, ∆E = hf = hc/λ.4. Selitä lyhyesti, mitä on a) ääni, b) resonanssi, c) huojunta (huojuminen)?(YO-S88-3).4.Vastaus:a) Ääni on mekaanista aaltoliikettä, joka (taajuusalueella 16 Hz … 20 kHz)aiheuttaa kuuloaistimuksen. Kaasuissa ja nesteissä ääni on pitkittäistäaaltoliikettä, joka etenee paineaaltoina.b) Jos värähtelevään systeemiin vaikuttaa ulkoinen jaksollinen voima, jonkataajuus on sama kuin systeemin ominaistaajuus, syntyy resonanssi.Tällöin systeemi vastaanottaa energiaa ja värähtelyn amplitudi voi kasvaahyvin suureksi.c) Kun kaksi aaltoliikettä, joiden taajuudet poikkeavat vähän toisistaan,interferoi, syntyy huojunta. Tietyssä kohdassa interferenssivärähtelynamplitudi vaihtelee jaksollisesti siten, että peräkkäiset maksimit seuraavattoisiaan taajuudella f h = f 1 – f 2 .5. Miksi valo taipuu hilassa? (YO-K89-3a).5.Vastaus:Valon taipuminen hilassa on interferenssi-ilmiö. Hilassa on hyvin suuri määrätasavälisiä rakoja. Eri raoista lähtevät valoaallot interferoivat vahvistaentoisiaan vain niissä suunnissa, joissa viereisistä raoista lähtevien aaltojenmatkaero on aallonpituuden kokonainen monikerta. Tästä seuraa hilayhtälö:dsinα = kλ.

6. Laserin valon tärkeimmät ominaisuudet. (YO-S89-7a).6.Vastaus:Laserin valo on- monokromaattista- koherenttia- yhdensuuntaista- valo voidaan fokusoida hyvin pienelle alalle suuri tehotiheys7. Miten valon taajuus, aallonpituus ja nopeus muuttuvat, kun valo kulkee optisesti harvemmastaaineesta optisesti tiheämpään aineeseen? (YO-S90-3a).7.Vastaus:Valon taajuus pysyy samana. Aineessa, jonka taitekerroin on n, on valonnopeus v = c/n ja aallonpituus λ n = λ/n, missä c ja λ ovat nopeus jaaallonpituus tyhjiössä. Valon siirtyessä optisesti harvemmasta aineestaoptisesti tiheämpään aineeseen taitekerroin kasvaa, joten sekä nopeus ettäaallonpituus pienenevät.8. Mitä tarkoitetaan säteilyn yhteydessä käsitteellä spektri? (YO-K91-9a).8.Vastaus:Spektri on säteilyn intensiteetin aallonpituus- tai taajuusjakauma.9. Mitä tarkoitetaan absorptiospektrillä ja miten se syntyy? (YO-K91-9c).9.Vastaus:Absorptiospektri syntyy, kun aine absorboi sen läpi kulkevasta säteilystäosan aallonpituuksista.10. Mitä tarkoitetaan valekuvalla optisessa kuvauksessa? (YO-K91-3a).10.Vastaus:Kun esinepisteestä lähtevät valonsäteet hajaantuvat heijastuttuaan peilistätai taituttuaan linssissä, syntyy säteiden jatkeiden leikkauspisteeseenvalekuva, jota siis ei saada varjostimelle.11. Mihin äänen fysikaalisiin ominaisuuksiin liittyvät kuultavan äänen voimakkuus ja korkeus?(YO-S92-3a).11.Vastaus:Äänen kuulovoimakkuus riippuu aaltoliikkeen intensiteetistä (I = P/A) jamyös taajuudesta (vrt. kuulokäyrät). Äänen korkeus liittyy aaltoliikkeentaajuuteen.

12. Mitä tarkoitetaan aaltoliikkeiden interferenssillä? selosta erityisesti ilmiöt huojuminen (huojunta) jaseisova aaltoliike. (YO-S94-3).12.Vastaus:Interferenssi on aaltoliikkeille ominainen ilmiö, joka tarkoittaa samassaväliaineessa etenevien aaltojen summautumista yhdeksi aaltoliikkeeksi.(lineaarinen superpositio, vahvistava ja heikentävä interferenssi,esimerkkejä). Huojunta syntyy kahden lähes samantaajuisen aaltoliikkeeninterferoidessa. Tietyssä kohdassa interferenssivärähtelyjen amplitudivaihtelee jaksollisesti taajuudella f h = 1/T h = ∣f 1 – f 2 ∣. Ilmiö on selvin, kunA 1 = A 2 , jolloin A max = 2A 1 ja A min = 0.Seisova aaltoliike syntyy kahden vastakkaisiin suuntiin etenevänsamanlaisen aallon interferoidessa. Interferenssiaallon amplitudi vaihteleepaikallisesti (solmut, kuvut).13. Linssi tai peili voi muodostaa esineestä joko todellisen kuvan tai valekuvan. Selosta näiden käsitteidenero. (YO-K95-3a).13.Vastaus:Kun linssistä taittuneet tai peilistä heijastuneet valonsäteet leikkaavat, syntyytodellinen kuva, joka saadaan näkyviin varjostimella. Kun taittuneet jaheijastuneet säteet hajaantuvat, syntyy valekuva säteiden jatkeidenleikkauspisteeseen. Valekuvaa ei saada näkyviin varjostimella.14. a) Kaukana tapahtuvasta räjähdyksestä voidaan saada kuulohavainto janäköhavainto ja se voidaan myös aistia maan tärähdyksenä.Perustele, missä järjestyksessä ko. signaalit saapuvat.b) Mistä seikoista ihmiskorvan aistiman äänen voimakkuus riippuu?(YO-K96-10ab).14.Vastaus:a) Havaitsija rekisteröi signaalit järjestyksessä:1. näköhavainto, signaali etenee valon nopeudella.2. tärähdys ∣ mekaaninen värähtely etenee kiinteässä3. kuulohavainto ∣ aineessa nopeammin kuin ilmassab) Kuulovoimakkuus riippuu äänen- intensiteetistä (likimain logaritmisesti)- taajuudesta (taulukkokirjan mukaan korva on herkin, kun äänentaajuus on 3 – 4 kHz).

15. Mitkä kokeet osoittavat, että valoa voidaan pitää aaltoliikkeenä ja nimenomaanpoikittaisena aaltoliikkeenä? (YO-S96-6a).15.Vastaus:Interferenssikokeet (hila, kapea rako, ohut kalvo) osoittavat valonaaltoliikeluonteen.Polarisaatiokokeet (heijastuneen valon polarisoituminen, kiteet, polaroidit)osoittavat, että kyseessä on nimenomaan poikittainen aaltoliike.16. a) Mitä tarkoittaa valon polarisoituminen?b) Missä arkielämän olosuhteissa kohtaat polarisoitunutta tai osittainpolarisoitunutta valoa? (YO-K97-6).16.Vastaus:a) Valo on sähkömagneettisen kentän aaltoliikettä, jossa sähkökenttä jamagneettikenttä värähtelevät poikittain etenemissuuntaan nähden.Polarisaation yhteydessä tarkastellaan sähkökentän värähtelyä.Valo on täysin polarisoitunutta, kun sen sähkökenttä värähtelee vain yhdessäsuunnassa.b) - eristeaineen (esim. vesi, lasi) pinnasta heijastunut valo on osittain taikokonaan polarisoitunutta (pintaa vastaan kohtisuorat värähtelytvähentyneet)- polarisoivien aurinkolasien läpi tuleva valo- nestekidenäytöt- taivaan sini17. Selosta lyhyesti,a) miksi posliinimukin pohjalla reunan takana näkymättömissä oleva kolikko voitulla näkyviin, kun mukiin kaadetaan vettä,b) miksi järven pinnan häikäisevät heijastukset oleellisesti himmenevätsopivanlaisia aurinkolaseja käytettäessä,c) miksi valkoinen valo hajaantuu prismassa väreihin. (YO-S97-5).17.Vastaus:a) Kolikosta tulevat valonsäteet taittuvat veden pinnassa normaalistapoispäin, ts. taitekulma α 2 > tulokulma > tulokulma α 1 (piirrä kuvio).b) Heijastunut valo on osittain polarisoitunutta siten, että sen sähkövektrorivärähtelee vaakasuorassa. Kun käytetään tummennettuja polarisoiviaaurinkolaseja, joiden läpäisysuunta on pystytasossa, häikäisy väheneeoleellisesti.c) Valkoinen valo sisältää aallonpituusalueen 400 … 700 nm. Valon taittuessaprisman rajapinnoissa taitekulma riippuu valon väristä, koska prismaaineentaitekerroin on sitä suurempi mitä lyhyempi on valon aallonpituus.

18. Kuinka korkean täytyy seinäpeilin vähintään olla, jotta seisoessasi peilin edessävoit nähdä itsesi kokonaan? (YO-K98-5b).18.Vastaus:Piirtämällä henkilön varpaista ja päälaelta lähtevät säteet heijastumislainmukaisesti siten, että ne osuvat henkilön silmään, voidaan todeta, että peilinkorkeuden täytyy olla noin puolet henkilön pituudesta.19. a) Prisma hajottaa valkoisen valon spektriksi. Missä arkielämän tilanteissa voitkohdata samankaltaisen valon taittumisilmiön?b) Miksi veden pinnalla oleva ohut öljykalvo näyttää eriväriseltä eri suunnistakatsottuna?c) Erään laserin valo suunnataan vinosti lasilevyn pintaan. Tietyllä tulokulmanarvolla pinnasta ei heijastu lainkaan valoa. Miten tämä on mahdollista?(YO-K00-14).19.Vastaus:a) - Sateenkaari syntyy auringon valon taittuessa ja heijastuessa vesipisaroissa.- valon taittuminen lumikiteissä, kristalliesineissä, timanteissa, jne.b) Öljykalvoon osuvat valonsäteet heijastuvat kalvon yläpinnasta ja alapinnasta.Säteet interferoivat, jolloin tietyt aallonpituudet vahvistuvat (säteiden optinenmatkaero on kokonainen määrä aallonpituuksia) ja tietyt aallonpituudetpuuttuvat heijastuneesta valosta. Ylä- ja alapinnasta heijastuneiden säteidenmatkaerot ja siten myös interferenssin tuloksena vahvistuvat aallonpituudet(värit) riippuvat kalvon paksuuden ohella myös katsomissuunnasta(piirrä kuvio).c) Kun valo osuu lasin pintaan Brewsterin lain mukaisessa tulokulmassa α B ,heijastuneesta valosta puuttuu kokonaan komponentti, jonka sähkökenttä värähtelee tulotasossa (tulevan säteen ja pinnan normaalin määräämä taso),ts. kyseinen komponentti ei heijastu lainkaan. Jotta laserin valo ei heijastuisilainkaan, valon täytyy olla lineaarisesti polarisoitunutta ja suunnattu lasinpintaan tulokulmassa α B siten, että sähkökenttävektori värähtelee tulotasossa.

20. Ultraääni. Selosta myös ultraäänen teknisiä sovelluksia kiinnittäen erityistähuomiota siihen, mitä ultraäänen ominaisuutta kussakin käytetään hyväksi.(YO-K02-5).20.Vastaus:Ultraääni- mekaanista aaltoliikettä- taajuus 20 kHz – 1 THz on ihmisen kuuloalueen yläpuolella- etenee nesteissä ja kaasuissa paineaaltoina, siis pitkittäisenäaaltoliikkeenä, kiinteissä aineissa myös poikittaisvärähtelynäUltraäänilähteet- pyörivät reikälevyt, pillit- sähköinen värähtelypiiri + pietsosähköinen kideOminaisuudet- aaltoliikkeen ominaisuudet, kuten siroaminen, heijastuminen,taittuminen, interferenssi, jne.Teknisiä sovelluksiaSovellukset voidaan ryhmitellä hyödynnettävien ominaisuuksien mukaanesimerkiksi seuraavaan tapaan:- kaikuluotaus- rakennevikojen tutkiminen ultraäänen heijastuminen,- paksuusmittaus aikamittaus oskilloskoopilla- rakenteiden tutkiminen kuvan muodostuminen uä:n- läpivalaisu (korvaa rtg-säteilyn) heijastumisen ja taittumisentuloksena, äänen pieni λ- desinfiointi ultraäänellä saadaan aikaan- hammaskiven poisto suuria värähtelyenergian- metallipintojen puhdistus tiheyksiä aineen pintaan ja- emulsioiden aikaansaaminen ja myös aineen sisälle- kliiniset tutkimukset ja hoidot(em. läpivalaisun lisäksi esim. ultraäänen energian absorboitumilämpöhoidot,veren virtausnopeuden nen kudoksiin lämpeneminen,mittaus, jne.ultraäänen Dopplerin ilmiö

21. a) Miten ääni etenee ilmassa?b) Mitkä äänen ominaisuudet vaikuttavat keskeisesti kuuloaistimuksenvoimakkuuteen?c) Miksi äänen voimakkuutta mitataan dB-asteikolla? (YO-S03-5).21.Vastaus:a) Ääni etenee ilmassa pitkittäisenä aaltoliikkeenä. Ääniaallossa ilmanrakenneosaset värähtelevät äänen etenemissuunnassa, jolloin syntyyperäkkäisiä tihentymiä ja harventumia, ts. paineen vaihteluita.Kyseessä on siis paineaalto.b) Kuuloaistimuksen voimakkuuteen vaikuttavat keskeisesti äänen intensiteettija äänen taajuus.c) Kokeellisesti on todettu, että korvan aistima äänen voimakkuus onintensiteetin suhteen logaritminen. Tämän vuoksi äänen voimakkuuttamitataan logaritmisella dB-asteikolla.22. Selitä, mitä tarkoitetaan seuraavilla aaltoliikkeille tyypillisillä ilmiöillä, ja annaesimerkkejä tapauksista, joissa ilmiö esiintyy luonnossa tai jossakin laitteessa:a) seisova aaltoliike, b) Dopplerin ilmiö ja c) polarisaatio. (YO-K04-5).22.Vastaus:a) Seisova aaltoliike- syntyy kahden vastakkaisiin suuntiin etenevän samanlaisen aaltoliikkeeninterferenssin tuloksena- interferenssiaallon amplitudi vaihtelee paikallisesti (solmut ja kuvut)- syntyy usein aaltoliikkeen heijastumisen yhteydessä- esimerkiksi soittimen kielen värähtely tai urkupillin ilmapatsaan värähtelyb) Dopplerin ilmiö- havaitsijan rekisteröimä aaltoliikkeen taajuus on erilainen kuin aaltolähteentaajuus, jos aaltolähde ja havaitsija liikkuvat toistensa suhteen.- lähestyminen havaittu taajuus suurempi- loittoneminen havaittu taajuus pienempi-esimerkkejä: - hälytysajoneuvon ajaessa ohi sireenin äänen korkeudenhavaitaan laskevan-punasiirtymä etääntyvän tähden lähettämän valon spektrissäc) Polarisaatio- kun poikittaisessa aaltoliikkeessä värähtely tapahtuu vain yhdessäetenemissuuntaa vastaan kohtisuorassa suunnassa, aaltoliike on lineaarisestipolarisoitunutta.- polarisoituneessa valossa sähkökenttävektori värähtelee vain yhdessä suunnassa- esimerkkejä: - valo polarisoituu, kun se heijastuu sopivassa kulmassaeristemateriaalin pinnasta ja myös kun valo kulkee aurinkolasienpolaroidilevyn läpi.

23. Äänen nopeutta mitattiin molemmista päistä avoimen putken avulla.Kaiutin sijoitettiin lähelle putken suuta. Kun kaiuttimen värähtelytaajuuttavaihdeltiin, kuultiin ääni hyvin voimakkaana tietyillä taajuuksilla. Selitä ilmiö.(YO-S04-5a).23.Vastaus:Äänen voimakkuuden maksimia vastaavilla taajuuksilla putkeen syntyy seisovaaaltoliike, jonka kuvut ovat putken päissä. Putkessa oleva ilmapatsas joutuu siisresonanssiin kaiuttimen kanssa. (Seisova aaltoliike syntyy kaiuttimesta lähtevänaallon ja putken avoimesta päästä heijastuneen aallon interferenssin tuloksena.Heijastuminen puolestaan johtuu siitä, että ilman akustiset ominaisuudetmuuttuvat putken suulla.)24. Ihailet maisemia jyrkkäseinäisellä vuorenharjanteella. Alhaalla olevan pienenvesilammen tyynestä pinnasta heijastuva auringonvalo osuu suoraan silmiisi.Kun panet polarisoivat aurinkolasit silmillesi, havaitset heijastuneen valonhäviävän lähes kokonaan. Selitä ilmiö. (YO-S04-12a).24.Vastaus:Ilmiö johtuu siitä, että lammen pinnasta heijastunut valo on polarisoitunutta.Kun valoaallot heijastuvat veden pinnasta, pinnan suuntaisten, siis vaakasuorien,sähkökentän värähtelyjen osuus valossa kasvaa. Polarisaatio on täydellinen, josvalon tulokulma, ja siten myös katsojan silmiin tulevan valon heijastuskulma, onBrewsterin lain mukainen polarisaatiokulma α p . Kun tällaista, vain vaakasuoria - värähtelyjä käsittävää valoa katsotaan polaroivilla aurinkolaseilla, jotkaläpäisevät vain pystysuuntaisia värähtelyjä, valo häviää lähes kokonaan.25. Mihin ilmiöön perustuu spektrin muodostuminen 1) hilassa ja 2) prismassa?(YO-S05-5a).25.Vastaus:Spektrin muodostuminen hilassa perustuu valoaaltojen perustuu valoaaltojeninterferenssiin. Hilassa tapahtuu valon taipuminen eli diffraktio siten, ettätaipumiskulma on sitä suurempi mitä pidempi on valon aallonpituus.Spektrin muodostuminen prismassa perustuu siihen, että prisma-aineentaitekerroin riippuu valon aallonpituudesta. Kun valonsäde kulkee yksinkertaisenprisman läpi, säde taittuu kummassakin rajapinnassa siten, että lyhytaaltoisimmanvalon poikkeamakulma on suurin.

26. Selitä lyhyesti käsitteet ja selvennä kutakin esimerkin avulla:a) värähdysliike, b) mekaaninen aaltoliike, c) pitkittäinen aaltoliike jad) ultraääni. (YO-K07-3).26.Vastaus:a) Värähdysliike on jaksollista (edestakaista) liikettä tasapainoaseman ympärillä.Esimerkiksi kellon heilurin liike ja pystysuoraan jouseen ripustetun kappaleenliike ovat värähdysliikettä.b) Mekaaninen aaltoliike voi syntyä systeemiin, jossa on paljon samanlaisiakeskenään vuorovaikutuksessa olevia värähtelijöitä. Kun yksi värähtelijäsaatetaan värähtelemään, liike etenee värähtelijästä toiseen. Värähtelijät ovatvärähdysliikkeessä tasapainoasemansa suhteen, vain liike ja energia etenevät.Esimerkiksi ääni on mekaanista aaltoliikettä, jossa värähtelijöinä toimivatväliaineen atomit tai molekyylit. Myös veden pinnassa etenevät aallot ovatmekaanista aaltoliikettä.c) Pitkittäisessä aaltoliikkeessä värähtelijät liikkuvat aaltoliikkeenetenemissuunnassa, jolloin syntyy peräkkäisiä tihentymiä ja harventumia.Esimerkiksi ääni etenee ilmassa pitkittäisinä paineaaltoina.d) Ultraääni on aaltoliikettä, jonka taajuus on ihmiskorvan kuuloalueenyläpuolella, yli 20 kHz. Ultraääntä voidaan tuottaa esimerkiksi nopeasti pyörivänreikälevyn tai pietsosähköisten kiteiden avulla. Esimerkiksi kaikuluotauksessa jalääketieteellisissä tutkimuksissa käytetään hyväksi ultraäänen ominaisuuksia.27. Uutta asuinaluetta suunnitellaan vilkasliikenteisen autotien läheisyyteen.Mitä keinoja on käytettävissä meluhaittojen torjumiseen asuinalueenviihtyisyyden lisäämiseksi? (YO-K08-5a).27.Vastaus:Meluhaittoja voidaan vähentää 1) estämällä melun syntyä, 2) estämällä melunleviämistä tai 3) torjumalla melua asuinalueella. Autotiellä syntyvää meluavoidaan vähentää alentamalla ajonopeuksia tai käyttämällä hiljaisempaa asvalttia.Melun leviämistä voidaan ehkäistä meluaidoilla, meluvalleilla tai istutuksilla.Rakennusten äänieristyksiä voidaan parantaa. Huonejärjestyksessä voidaan ottaatien aiheuttama melu huomioon.

28. a) Valaat kaikuluotaavat äänen avulla. Selitä kaikuluotauksen periaate.b) Miten kaikuluotauksella saadaan tietoa kohteen nopeudesta? (YO-S08-4bc).28.Vastaus:a) Kaikuluotauksessa lähetetään lyhyitä ääni- tai ultraäänipulsseja. Pulssitheijastuvat takaisin esineistä ja rajapinnoista. Aaltoliikkeen nopeuden japulssien lähetyksen ja vastaanoton välisen aikaeron avulla saadaan selvilleesineiden etäisyydet.b) Dopplerin ilmiöön perustuen aaltoliikkeen taajuus kasvaa, jos se heijastuulähestyvästä kappaleesta ja pienenee, jos kappale loittonee. Taajuudenmuutoksen perusteella saadaan kappaleen nopeus. Kaikuluotain voi lähettäämyös useita pulsseja peräkkäin. Tällöin kappaleen nopeus saadaan jakamallaluotaimen mittaama etäisyyden muutos pulssien välisellä aikaerolla.29. a) Selvitä, miten ääni etenee kaiuttimesta kuulijan korvaan?b) Miksi ihmisen aistimaa äänenvoimakkuutta mitataan desibeliasteikolla?(YO-K09-4ab).29.Vastaus:a) Värähtelevä kaiutinkalvo synnyttää ilmaan paineen vaihtelua. Ilmassa äänietenee pitkittäisenä paineaaltona, joka kuulijan korvaan osuessaan saa korvantärykalvon värähtelemään.b) Kokeellisesti on todettu, että ihmiskorvan aistima (tietyn taajuisen) äänenvoimakkuus on intensiteetin suhteen logaritminen. Täten tietty intensiteetinsuhteellinen lisäys mistä arvosta tahansa lähtien tajutaan aina yhtä suurenavoimakkuuden lisäyksenä. Sen vuoksi käytetään logaritmista dB-asteikkoa.

30. a) Mitä tarkoitetaan valon spektrillä?b) Mihin fysikaaliseen ilmiöön perustuen ja millä tavoin valon spektri saadaanmuodostettua 1) hilalla ja 2) prismalla? (YO-K09+12ac).30.Vastaus:a) Valon spektri on valon intensiteetin aallonpituusjakauma (tai taajuusjakauma),ts. kuvaaja I = I(λ).b) 1) Spektrin muodostuminen hilassa perustuu valoaaltojen interferenssiin.Optisessa hilassa on tasavälisesti satoja jopa tuhansia valoa läpäiseviärakoja millimetrillä. Hilaan kohtisuorasti osuva valo taipuu hilassa eri raoistalähtevien alkeisaaltojen interferenssin tuloksena. Tietyllä aallonpituudellaspektriviivat syntyvät kulmiin, joissa viereisistä raoista lähtevien säteidenmatkaero on aallonpituus tai sen monikerta. Täten useita aallonpituuksiasisältävä valo hajoaa hilassa (eri kertalukujen) spektriksi.2) Prismaspektrin muodostuminen perustuu siihen, että prisma-aineentaitekerroin riippuu valon aallonpituudesta. Kun valkoinen valo kulkeeprisman läpi, säde taittuu yleensä kummassakin rajapinnassa taittumislainmukaisesti (siten, että lyhimmät aallonpituudet taittuvat eniten), joten valohajoaa prismassa väreihin.

YO-VÄITTÄMIÄ KURSSISTA FY3: Aallot:RATKAISUT/VASTAUKSET:1. Vastaa perustellen, mikä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät.a) Ääniaaltojen nopeus ilmassa on suurempi kuin tyhjiössä.b) Ilmassa olevasta äänilähteestä veden pintaan tulevat aallot voivat kokonaisheijastua.c) Oheisessa kuviossa katkoviivalla esitetynvärähtelyn taajuus on jännitetyn kielenominaisvärähtelyn perustaajuus (alin taajuus).d) Jos yksi työkone aiheuttaa teollisuushalliin tietyn keskimääräisen melutason(intensiteettitason), niin viiden samanlaisen työkoneen käydessä yhtä aikaa melutaso onviisinkertainen. (YO-K85-3).1. VASTAUS:a) Oikein; Ääni ei etene tyhjiössä.b) Oikein; Äänen nopeus ilmassa on pienempi kuin vedessä (v 1 < v 2 ).Taittumislain = mukaan tulokulma α 1 on pienempi kuin taitekulma α 2 , joten kokonaisheijastuminen on mahdollinen.c) Väärin; Perustaajuutta f o = f min vastaavavärähtely on esitetty oheisessa kuviossa. l = λ o /2d) Väärin; Vaikka äänen intensiteetti I nouseekin(likimain) viisinkertaiseksi, muuttuu intensiteettitaso L suhteellisenvähän, koska L on logaritminen intensiteetin suhteen =

2. Vastaa perustellen, mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät.a) Mikroaaltojen nopeus on pienempi kuin ultraäänen nopeus.b) Valon taipuminen hilassa on interferenssi-ilmiö.c) Valon kokonaisheijastus voi tapahtua vain, jos valo tulee kahden aineen rajapintaanpienemmän taitekertoimen omaavan aineen puolelta.d) Kahden lähes samantaajuisen ääniaallon interferoidessa syntyvä huojunta on selvin, mikäliaaltojen amplitudit ovat yhtä suuret. (YO-S91-3).2. VASTAUS:a) Väärin; Mikroaallot ovat sähkömagneettista aaltoliikettä, jonka nopeus onsuurempi kuin äänen nopeus.b) Oikein; Taipumakuvio voidaan selittää hilan raoista lähtevien alkeisaaltojeninterferenssin tuloksena.c) Väärin; Jos n 1 < n 2 , on taittumislain n 1 sinα 1 = n 2 sinα 2 mukaan taitekulma α 2pienempi kuin tulokulma α 1 , joten kokonaisheijastumista ei voi tapahtua.d) Oikein; Summa-aallon amplitudin minimi A min = ∣A 1 - A 2 ∣ = 0, mikäli A 1 = A 2 .3. Mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät?a) Kovera pallopeili muodostaa aina valekuvan.b) Kun ääniaallot tulevat ilmasta ilman ja veden rajapintaan, ne voivat kokonaisheijastua.c) Kun paloauto loittonee, sen sireenin äänen taajuus kuullaan matalampana kuin auton ollessapaikallaan. (YO-K05-5).3. VASTAUS:a) Väärin; Kun esineen etäisyys peilistä on suurempi kuin peilin polttoväli, kuva ontodellinen. Tämä voidaan osoittaa esimerkiksi piirroksella, josta nähdään, ettäpeilistä heijastuneet säteet leikkaavat peilin edessä.b) Oikein; Koska äänen nopeus ilmassa v 1 on pienempi kuin äänen nopeus vedessäv 2 , ääniaallot taittuvat ilman ja veden rajapinnassa siten, että taitekulma α 2 onsuurempi kuin tulokulma α 1 (piirrä kuvio). Täten riittävän suurilla tulokulmilla(α 1 > α r ) tapahtuu kokonaisheijastuminen.c) Oikein; Kyse on Dopplerin ilmiöstä. Kun äänilähde loittonee, korvaan tulevataaltorintamat ovat harvemmassa kuin paikallaan pysyvästä lähteestä tulevat.

4. Perustele, mitkä seuraavista väitteistä pitävät paikkansa ja mitkä eivät:a) Ääniaallot voivat kokonaisheijastua tyynen veden pinnasta.b) Ääniaallon polarisoituvat läpäistessään tiheän metallilankahilan.c) Formula-ajojen katsoja havaitsee kilpa-auton moottorin äänen korkeuden nousevan autonohittaessa hänet. (YO-K10-4).4. VASTAUS:a) Oikein; Äänen nopeus vedessä on suurempi kuin ilmassa. Jos ääniaallot tulevatveden pintaan riittävän vinosti, tapahtuu kokonaisheijastuminen. Perustelutaittumislain = avulla. b) Väärin; Ääni on pitkittäistä aaltoliikettä, joten polarisoitumisilmiötä ei voitapahtua.c) Väärin; Kysymys on Dopplerin ilmiöstä. Lähestyvän äänilähteen ääni kuullaankorkeampana ja loittonevan matalampana. Liikkuva äänilähde tuottaa aaltojaetupuolelleen tiheämpään ja taakseen harvempaan. saman asian voi selittääkuvion avulla.