– 2 – SPEC/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
section a
Answer all the questions in the spaces provided.
a1. This question is about the electrical power available from a wind turbine.
The maximum electrical power generated by a wind turbine, Pout , was measured over a range of incident wind speeds, vin.
The graph below shows the variation with vin of Pout. Uncertainties for the data are not shown.
Pout / kW
800
700
600
500
400
300
200
100
0 0 5 10 15 vin / m s–1
(a) It is suggested that Pout is proportional to vin .
(i) Drawthelineofbest-fitforthedatapoints. [1]
(ii) State one reason why the line you have drawn does not support this hypothesis.
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[1]
(iii) The uncertainty in the power at 15 m s–1 is 5 %. Draw an error bar on the graph to represent this uncertainty. [2]
(This question continues on the following page)
– 3 –
turn over
SPEC/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question A1 continued)
(b) The theoretical relationship between the available power in the wind, Pin, and incident wind speed is shown in the graph below.
Pin / kW
4000
3500
3000
2500
2000
1500
1000
500
0 0 5 10 15 20 25 vin / m s–1
Using both graphs,
(i) determinetheefficiencyoftheturbineforanincidentwindspeedof14ms–1.
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[3]
(ii) suggest, without calculation, how the efficiency of the turbine changes withincreasing wind speed.
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[3]
(This question continues on the following page)
– 4 – SPEC/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question A1 continued)
(c) Outline one advantage and one disadvantage of using wind turbines to generate electrical energy.
Advantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Disadvantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–6– M09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
a3. Thisquestionisaboutenergytransfers.
(a) Energy degradation takes place in the energy transformations which occur in thegeneration of electrical power. Explain what is meant in this context by energydegradation.
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[2]
Some of the energy transformations that take place in a coal-fired power station arerepresentedbytheSankeydiagrambelow.
w
A
B
C
Dynamo(generator)
BoilerCoal
(b) (i) Statewhatisrepresentedbythewidthw.
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[1]
(ii) At the three places marked A, B and C on the diagram, energy is degraded.Identifytheprocessbywhichtheenergyisdegradedineachoftheplaces.
A: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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C: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Section b
This section consists of three questions: B1, B2, and B3. Answer one question.
b1. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutgreenhouseeffectandPart 2isaboutmotionofaballfallinginoil.
Part 1 Greenhouseeffect
(a) Thegraphshowspartoftheabsorptionspectrumofnitrogenoxide N O2( ) inwhichtheintensityofabsorbedradiationAisplottedagainstfrequencyf.
A /arbitraryunits
0 1 2 3 4 5 6f/×1013Hz
(i) Statetheregionoftheelectromagneticspectrumtowhichtheresonantfrequencyofnitrogenoxidebelongs.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(ii) Using your answer to (a)(i), explain why nitrogen oxide is classified as agreenhousegas.
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(This question continues on the following page)
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–8– M09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
(Question B1, part 1 continued)
(b) Defineemissivityandalbedo.
Emissivity:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Albedo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[3]
(c) ThediagramshowsasimpleenergybalanceclimatemodelinwhichtheatmosphereandthesurfaceofEartharetwobodieseachatconstanttemperature.ThesurfaceoftheEarthreceivesbothsolarradiationandradiationemittedfromtheatmosphere.AssumethattheEarth’ssurfacebehavesasablackbody.
242K
solarradiationatmosphericradiation
344 2Wm−
atmosphereα=0.280
e=0.720
Earth’ssurface
288K
Thefollowingdataareavailableforthismodel.
averagetemperatureoftheatmosphereofEarth =242K emissivity,eoftheatmosphereofEarth =0.720 averagealbedo,αoftheatmosphereofEarth =0.280 solarintensityattopofatmosphere =344Wm–2
averagetemperatureofthesurfaceofEarth =288K
(This question continues on the following page)
0 8 2 0
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–9–
turn over
M09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
(Question B1, Part 1 (c) continued)
Usethedatatoshowthatthe
(i) powerradiatedperunitareaoftheatmosphereis140Wm–2.
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[2]
(ii) solarpowerabsorbedperunitareaatthesurfaceoftheEarthis248Wm–2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[1]
(d) Itishypothesizedthat,iftheproductionofgreenhousegasesweretostayatitspresentlevel then the temperature of the Earth’s atmospherewould eventually rise by 6.0K.Calculatethepowerperunitareathatwouldthenbe
(i) radiatedbytheatmosphere.
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[1]
(ii) absorbedbytheEarth’ssurface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[1]
(e) Estimate,usingyouranswerto(d)(ii),theincreaseintemperatureofEarth’ssurface.
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(This question continues on the following page)
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–14– M09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ2/XX+
(Question B1 continued)
Part 2 Fossilfuels
(a) ASankeydiagramforthegenerationofelectricalenergyusingfossilfuelastheprimaryenergysourceisshown.
fuelinput
electricaloutput
generatorlosses
(i) Statewhatismeantbyafuel.
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[1]
(ii) Statetwoexamplesoffossilfuels.
1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(iii) Explainwhyfossilfuelsaresaidtobenon-renewable.
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(This question continues on the following page)
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–15–
Turn over
M09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ2/XX+
(Question B1, part 2 continued)
(iv) UsetheSankeydiagramtoestimatetheefficiencyofproductionofelectricalenergyandexplainyouranswer.
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[2]
(b) Despitethefactthatfossilfuelsarenon-renewableandcontributetoatmosphericpollutionthereiswidespreaduseofsuchfuels.Suggestthreereasonsforthiswidespreaduse.
1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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b3. Thisquestion is in two parts. Part 1 is aboutwavepower. Part 2 is about thealbedooftheEarth.
Part 1 Wavepower
(a) Outlinehowtheenergyofawavecanbeconvertedtoelectricalenergy.
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[2]
(b) A wave on the surface of water is assumed to be a square-wave of height 2A,as shown.
2A
L
λ
Thewavehaswavelengthλ,speedvandhasawavefrontoflengthL.Forthiswave,
(i) showthatthegravitationalpotentialenergyEPstoredinonewavelengthofthewaveisgivenby
E A g LP = 12
2λ ρ
whereρisthedensityofthewaterandgistheaccelerationoffreefall.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[3]
(ii) deduce that the gravitationalwave powerP per unit length of thewavefront isgivenby
P A vg= 12
2 ρ
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[2]
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M09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ2/XX+
(Question B3, part 1 continued)
(c) Thedensityofsea-wateris1.2×103kgm–3.Usingtheexpressionin(b)(ii),estimatethegravitationalpowerpermetrelengthavailableinawaveofheight0.60m.
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(d) Inpracticeawaterwaveisapproximatelysinusoidalincross-section.Outlinewhetherasinewaveofthesameheightasin(b)transfersagreaterorasmalleramountofpowerthanthatderivedin(b)(ii).
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(e) Listtwoadvantagesoftheutilisationofwavepowerratherthanphotovoltaiccellsforthegenerationofelectricpower.
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(Question B3 continued)
Part 2 AlbedooftheEarth
(a) Outline the mechanism by which a gas, such as carbon dioxide, absorbs infra-redradiation.
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(b) State, with reference to your answer in (a), why carbon dioxide is known as agreenhouse gas.
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(c) Statethenameofanothergreenhousegas.
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(d) In the last fifty years the amount of carbon dioxide in the Earth’s atmosphere hasincreasedsignificantly. Explain
(i) whythisincreasecouldaccountforglobalwarming.
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(ii) whateffectthishashadontheaveragealbedooftheEarth.
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(Question B3, part 2 continued)
(e) IthasbeenestimatedthatdoublingtheamountofcarbondioxideintheEarth’satmospherechanges the albedo of the Earth by 0.01. Use the data to show that this doublingwill lead to a change of about 3Wm–2 in the intensity being reflected by the Earthintospace.
AverageintensityreceivedatEarthfromtheSun=340Wm–2
Averagealbedo=0.30
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(f) Stateonereasonwhytheanswerto(e)isanestimate.
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Section b
This section consists of three questions: B1, B2 and B3. Answer one question.
b1. Thisquestionisintwoparts.Part 1 isaboutapumped-storagepowerstation.Part 2isaboutforcesandenergies.
Part 1 Pumped-storagepowerstation
(a) Thediagram,nottoscale,showsapumped-storagepowerstationusedforthegenerationofelectricalenergy.
310m
tank
pipe
turbine
lake
Waterstoredinthetankisallowedtofallthroughapipetoalakeviaaturbine.Theturbineis connected to an electrical generator. The pumped-storage ac generator system isreversiblesothatwatercanbepumpedfromthelaketothetank.
Thetankis50mdeepandhasauniformareaof5.0× 104m2.Theheightfromthebottomofthetanktotheturbineis310m.Thedensityofwateris1.0× 103kgm–3.
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(Question B1, part 1 continued)
(i) Showthatthemaximumenergythatcanbedeliveredtotheturbinebythefallingwaterisabout8× 1012J.
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(ii) Theflowrateofwaterinthepipeis400m3s–1.Calculatethepowerdeliveredbythefallingwater.
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(Question B1, part 1 continued)
(b) Theenergylossesinthepowerstationareshowninthefollowingtable.
Source of energy loss Percentage loss of energyfrictionandturbulenceofwaterinpipe 27
frictioninturbineandacgenerator 15
electricalheatinglosses 5
(i) Calculate the overall efficiency of the conversion of the gravitational potentialenergyofwaterinthetankintoelectricalenergy.
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(ii) SketchaSankeydiagramtorepresenttheenergyconversioninthepowerstation. [2]
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(Question B1, part 1 continued)
(c) The electrical power produced at the power station is transmitted by cables to theconsumer.
(i) Outlinehowtheenergylossesintransmissionareminimized.
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(ii) State one advantage and one disadvantage that a pumped-storage system hascompared toa tidalwaterstoragesystem.
Advantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Disadvantage:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–20– N09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX+
(Question B3, part 1 continued)
(c) Intensive scientific effort is devoted to developing nuclear fusion as a futureenergy source. Discuss what could be the social and environmental benefits ofusing nuclear fusion as compared with nuclear fission as an energy source.
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(Question B3 continued)
Part 2 Globalwarming
(a) Onereasonoftensuggestedforglobalwarmingistheenhancedgreenhouseeffect.
(i) Statewhatismeantbytheenhancedgreenhouseeffect.
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(ii) Statetwo otherpossiblecausesofglobalwarming.
1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–22– N09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX+
(Question B3, part 2 continued)
(b) OneeffectofglobalwarmingistomelttheAntarcticicesheet.ThefollowingdataareavailablefortheAntarcticicesheetandtheEarth’soceans.
Areaoficesheet =1.4×107km2
Averagethicknessofice =1.5×103m Densityofice =920kgm–3
Densityofwater = 1000kgm–3
AreaofEarth’soceans =3.8×108km2
Usingthedata,determinethe
(i) massoftheAntarcticice.
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(ii) changeinmeansealevelifalltheAntarcticicesheetweretomeltandflowintotheoceans.
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(c) Outlinethedifference,ifany,thatthemeltingofoceanicicesheetsmakestothemeansea levelof theEarth.
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– 12 – SPEC/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question B1, part 1 continued)
(e) Methaneisclassifiedasagreenhousegas.
(i) Describe what is meant by a greenhouse gas.
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(ii) Electromagnetic radiation of frequency �.1×1013 Hz is in the infrared region of the electromagnetic spectrum. Suggest, based on the information given in (b)(ii), whymethane isclassifiedasagreenhousegas.
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– 15 –
turn over
SPEC/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
b2. This question is about nuclear power production.
(a) The purpose of a nuclear power station is to produce electrical energy from nuclear energy. The diagram below is a representation of the principal components of a nuclear reactor pile used in a certain type of nuclear power station that uses uranium as a fuel.
uranium fuel rods
control rods
graphite block (moderator)
The function of the moderator is to slow down the neutrons produced in a reaction such as that described above.
Explain,
(i) why it is necessary to slow down the neutrons.
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(ii) the function of the control rods.
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– 16 – SPEC/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question B2 continued)
(b) With reference to the concept of fuel enrichment in a nuclear reactor explain,
(i) the advantage of enriching the uranium used in a nuclear reactor.
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(ii) from an international point of view, a possible risk to which fuel enrichment could lead.
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(c) A particular nuclear reactor uses uranium-235 as its fuel source. When a nucleus of uranium-235 absorbs a neutron, the following reaction can take place.
�2235
01
54144
38�0
01U n Xe Sr n.+ → + + 2
The following data are available.
rest mass of �2235 U = 2.18�×105MeVc–2
rest mass of 54144 Xe = 1.346×105MeVc–2
rest mass of 38�0Sr = 8.375×104MeVc–2
rest mass of 01n =940.0MeVc–2
(i) Showthattheenergyreleasedinthereactionisapproximately180MeV.
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(ii) State the form in which the energy appears.
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– 17 –
turn over
SPEC/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question B2 continued)
(d) Theenergyreleasedby1atomofcarbon-12duringcombustionisapproximately4eV.
(i) Using the answer to (c)(i), estimate the ratio
energy density of uranium-235energy density of carbon-12
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(ii) Suggest, with reference to your answer in (d)(i), one advantage of uranium-235 compared with fossil fuels.
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