Exam text content

TTY/Fysiikan laitos
FYS-1101 Insinöörifysiikka II, S/Paavilainen, syksy 2014
2. välikoe ja tentti 12.12.2014

e Ympyröidyt kysymykset (1, 2, 3, 4, 5) kuuluvat 2. välikokeeseen.

e Neliöidyt kysymykset (3, 4, 5, 6 ja 7) kuuluvat tenttiin.

e Välikokeessa saa käyttää laskinta, mutta se ei saa olla ohjelmoitava.

e Kääntöpuolella kaavoja ja alhaalla vakioita.

o Muista antaa kaikupalautetta arvosanan saamiseksi!

OD Huoneilmasta löytyvä radonin isotooppi ”PRn on alfa-hajoava nuklidi (Tj /2=3.82 vuorokautta).
a) Laske yhdessä tällaisessa alfa-hajoamisessa vapautuva energia. b) Tietyssä huoneessa keuhkojen
”2Rn -aktiivisuus on keskimäärin 1.2 Bg. Laske kuinka suuren ekvivalenttiannoksen keuhkot (mas-
sa=2.1 kg) saavat radonin hajoamisesta vuorokauden aikana. Alfa-hajoamiselle RBE=20 Sv/Gy. Voit
olettaa. alfa-hiukkasten saavan kaiken hajoamisenergian ja että kaikki alfa-hiukkaset absorboituvat
kudokseen. Tarvittavat atomimassat: ETU =222.017570u, 28 =218.008973 vu, M = 4.002603 v.
O) Sinimuotoinen sähkömagneettinen aalto etenee tyhjiössä +z-suuntaan. Aallon magneettikenttä
on koko ajan y-akselin suuntainen. Sähkökentän amplitudi on 1.10-105 V/m. Aallon taajuus on 3.10-
1013 Hz. a) Laske aallon aallonpituus. b) Kirjoita vektorimuotoinen lauseke aallon magneettikentälle.

 

O Röntgenputkessa elektroneja kiihdytetään 5.00 MV:n jännitteellä. a) Laske elektronin lepoener-
g P

gia ja kiihdytetyn elektronin kokonaisenergia. b) Laske kuinka pitkä röntgenputki on kiihdytetyn

elektronin mielestä, kun putken lepopituus on 4.3 cm.

 

 

 

 

(2) Oheisessa kuvassa on vyökaavio, jossa on kuvattuna erään ;
materiaalin valenssi- ja johtavuusvyöt. Vöiden ala- ja yläreunat 2.0eV
ovat energioilla -2.5 eV, -1.2 eV, 1.2 eV ja 2.0 eV, kun energian 126V
nollataso on valittu Fermi-energialle.

a) Miltä aallonpituusväliltä materiaali voi absorboida valoa o as SN
transitioissa näiden vöiden välillä?

b) Laske johtavuusvyön pohjalla olevien tilojen miehitystoden- 128W
näköisyys lämpötilassa 293K. Kuinka hyvin arvioisit tämän

—2.5eV
materiaalin johtavan sähköä huoneenlämpötilassa? Perustele!

 

 

 

 

 

O) selosta erittäin lyhyesti (muutama rivi/kohta):

a) Miksi Zener-diodin virta kasvaa nopeasti vastajännitteen ylitettyä tietyn kynnysarvon?

b) Miten pallomaisesti etenevän smg-aallon intensiteetti muuttuu etäisyyden kasvaessa lähteeseen?
Kerro tarkemmin kuin *pienenee” tai *kasvaa”.

c) Laboratorion suhteen paikallaan oleva varattu hiukkanen luo ympärilleen vain sähkökentän. Miten
suhteellisuusteoria vaikuttaa laboratorion suhteen pienellä vauhdilla (v < c) liikkuvan havaitsijan
mittaamiin varauksen aiheuttamiin sähkö- ja magneettikenttiin?

d) Mikä on Paulin kieltosääntö ja miten se liittyy monielektronisiin atomeihin?

 

 

 

 

 

6) Flektroni kiihdytetään jännitteellä %, vauhtiin v, jonka jälkeen f

se ohjataan magneettikenttään, jonka suuruus on 0.10 mT. Elekt- 190008

ronin liikerata on piirretty oheiseen kuvaan. eeie o JI e

a) Laske elektronin vauhti magneettikentässä. b) Kuinka suuri jän- N / =

nite tarvittiin kiihdyttämään elektroni tähän vauhtiin? c) Miten
hiukkasen liikerata olisi muuttunut magneettikentässä, jos se oli-
sikin elektronin sijaan ollut positroni (g = +e, m = me)?

 

 

E

 

 

Pitkän, sylinterimäisen johtimen poikkileikkaus on ympyränmuotoinen säteen ollessa R = 5.0mm.
Johtimessa kulkee tasaisesti johtimen poikkipinta-alalle jakautunut vakiovirta I = 1.50 A. Laske
Amperen lain avulla virran aiheuttaman magneettikentän suuruus etäisyydellä a) 7 = 2.5mm, b)
T =7.5mm johtimen keskiakselista.

 

Vakioita: c= 2.998 x 108m/s u= 1.660539 x 10—2kg
g=9.80m/s? h = 6.626 x 1034Js m, = 9.109 x 10-3!kg
€o = 8.854 x 101?0?/N - m? h=4.136 x 105eVs my = 1.007276u

jo = 4m x 1077TmA ' Ri = J =1.055 x 10-81Js —1.008665

e = 1.602 x 10-9C [p =5.788 x 10-%eV/T ast J

Ka
1eV = 1.602 x 10719J k = 1.38065 x 10-23J/K uc? = 931.5MeV

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Huom! Kaikki kaavat eivät ole yleispäteviä vaan soveltuvat vain erikoistapauksiin.
A <B= (A,B. — A.B,)ö + (A-Bz — AzB.)3 + (4vB, — AyBa)R|
1. välikokeen alue: 2==0 ST 2 = MWgUx
Po 1 1 n Ca Oa D i LoF
4 2 =
AS SIGN = Id x
5203 === 2C 2 4n 72
K AmEo 1? C = KOolle= Keo Hol
— || B = uonI
p s ja = 1=7| Zur
2 = a = 5 =
4nreo J r dt A Bo+ 10M || B = Kn Bo
= T=px<FE J =ngva||E=pf =
p=dd||7 =pxE = ngva : i a TEN
&p= / E.4Ä Pl ji! + a(T— o] V
n=fL|[, s 04 5-00
f aa — end A ne?r dt
€ V =IR||P= Val = n
B-dl = [19 (i +252)
= 2 ||. U 1: blade Va maa
TE T 4 -
= NP d.
aim ja 4=08(1—e 0 Th I&=-M5
Aneor 4reo J | |F=g(vx B+E) Non =
Eos 3 = [6 JA 7 = lä
LEA p?
V= Va-W= | B-di = = = S JATZ: as
a E dF=1dl<B||7=xxB| |5-3" Ho
2 /0v. 0 av | LE K=
| E = (Sit ad+ 57) fi=NIÄl|ng= E [I ioStR/TA. e
2. välikokeen alue: E=K+m2|I|E=ymce? n?h? 5 Dio =
1 =ajna| = ||Wn=1/—=sin|(-—
= - 8m L? z L
==. p = V (m) + Go ,
PEylä,t) = Pl | [E.=F]|5,=v(E,+uB)| |/()=e-mmii
Ox Ot
= E: = (E; —4B))| | Bx =B4| |1 = Is(e*W6/kT —
E(x,t) = Emax J cos(kx — wt) RE met v) = = (e 2
= a By =Y(B! —u/cF! = 4 2
B(x,t) = Bmax & cos(kx — wt v = a D Ep = (ZMn + Nmn=ZM)e
[8-1BxB 2. + 18) 8*:[0= (Mp Mp—2me)
Ho
c = ra ja e 2
T= Sa = 1800imas E=hf=1h5 |[E=re a PO) O 0nn)E
= = == 2
x' = (x —ut)||y =yllz' = V=B| S= 0 =(Mp- Mp Miyo)e E
= = = Ma + Mp - Mc -—M,
= y(t -ux/C)|| At = yAto == 00 hai (Ma + Mp G D)
lo = = NOSLiJ2
[= os hf = Ei E; Nt) = Noe Tmean = 5 = 717
3.60 eV
[== anta" En=- — [ANG] -
= 10/0 n? A(t) = ET =AN(t)
A =dsin0
v+u Ji Eabs
= Tun | PT] [AxAp> h/2||ABAt>n/2 mn || =RBExD
O + Ul)ue) = 260) |] [* 1yRas=1
2m dz? —00