36 pages
M12/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
Thursday 10 May 2012 (afternoon)
PhysicshiGhER lEvElPaPER 2
INSTRUCTIONS TO CANDIDATES
• Write your session number in the boxes above.• Do not open this examination paper until instructed to do so.• Section A: answer all questions.• Section B: answer two questions.• Write your answers in the boxes provided.• A calculator is required for this paper.• A clean copy of the Physics Data Booklet is required for this paper.• The maximum mark for this examination paper is [95 marks].
2 hours 15 minutes
© International Baccalaureate Organization 2012
Examination code
2 2 1 2 – 6 5 0 8
Candidate session number
0 0
0136
22126508
–2– M12/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
0236
Section a
Answer all questions. Write your answers in the boxes provided.
a1. Dataanalysisquestion.
AsmallsphererollsdownatrackofconstantlengthAB.ThesphereisreleasedfromrestatA.Thetimet thatthespheretakestorollfromAtoBismeasuredfordifferentvaluesofheighth.
h
A
B
track
(This question continues on the following page)
–3–
turn over
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0336
(Question A1 continued)
Astudentsuggests that t isproportional to 1h. To test thishypothesisagraphof t against
1hisplottedasshownontheaxesbelow.Theuncertaintyint isshownandtheuncertaintyin
1hisnegligible.
t/s
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0 0 2 4 6 8 10 12
1h/m–1
(a) (i) Drawthestraightlinethatbestfitsthedata. [1]
(ii) Statewhythedatadonotsupportthehypothesis. [1]
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0436
(Question A1 continued)
(b) Anotherstudentsuggeststhattherelationshipbetweent andhisoftheform
1t kh
=
wherek isaconstant.
Totestwhetherornotthedatasupportthisrelationship,agraphoft2against 1hisplotted
asshownbelow.
Thebest-fitlinetakesintoaccounttheuncertaintiesforalldatapoints.
t2/s2
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1h/m–1
(This question continues on the following page)
–5–
turn over
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0536
(Question A1 continued)
Theuncertaintyint2forthedatapointwhere 1h=10.0m–1isshownasanerrorbaron
thegraph.
(i) Statethevalueoftheuncertaintyint2for 1h=10.0m–1. [1]
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(ii) Calculate the uncertainty in t2 when t= 0.8± 0.1s. Give your answer to anappropriatenumberofsignificantdigits. [4]
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(iii) Usethegraphtodeterminethevalueofk. Donotcalculateitsuncertainty. [3]
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(iv) Statetheunitofk . [1]
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a2. Thisquestionisaboutradioactivedecay.
(a) Describethephenomenonofnaturalradioactivedecay. [3]
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(b) A nucleus of americium-241 (Am-241) decays into a nucleus of neptunium-237(Np-237)inthefollowingreaction.
241 237 495 2Am Np+X→ α
(i) StatethevalueofX. [1]
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(ii) Explainintermsofmasswhyenergyisreleasedinthereactionin(b). [2]
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(This question continues on the following page)
–7–
turn over
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0736
(Question A2 continued)
(iii) Definebinding energyofanucleus. [1]
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(iv) Thefollowingdataareavailable.
nuclide Binding energy per nucleon / MeV americium-241 7.54 neptunium-237 7.58 helium-4 7.07
Determinetheenergyreleasedinthereactionin(b). [3]
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0836
a3. Thisquestionisaboutthermalenergytransfer.
Ahotpieceofironisplacedintoacontainerofcoldwater.Afteratimetheironandwaterreachthermalequilibrium.Theheatcapacityofthecontainerisnegligible.
(a) Definespecific heat capacity. [2]
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(b) Thefollowingdataareavailable.
Massofwater = 0.35kgMassofiron = 0.58kgSpecificheatcapacityofwater = 4200Jkg–1K–1
Initialtemperatureofwater = 20C°Finaltemperatureofwater = 44C°Initialtemperatureofiron = 180C°
(i) Determinethespecificheatcapacityofiron. [3]
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(ii) Explain why the value calculated in (b)(i) is likely to be different from theacceptedvalue. [2]
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–9–
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0936
a4. ThisquestionisabouttheDopplereffect.
Asourceemitssoundoffrequency100Hz.Thespeedofsoundinairis330ms–1.
(a) Calculatethefrequencymeasuredbyanobserverwhen
(i) theobserverisstationaryandthesourceismovingtowardstheobserverat120ms–1. [2]
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(ii) thesourceisstationaryandtheobserverismovingtowardsthesourceat120ms–1. [2]
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(b) Whenbothsourceandobserverarestationarythewavelengthisλ0andthewavespeedisv0.
Inthetablebelow,comparethevaluesofmeasuredwavelengthandmeasuredwavespeed,asmeasuredbytheobserver,withrespecttoλ0andv0.Oneofthevaluesisgivenforyou. [3]
Measured wavelength Measured wavespeed
Moving sourceas in (a)(i) lessthan λ0
Moving observeras in (a)(ii)
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a5. Thisquestionisaboutpolarization.
Unpolarizedlightisdirectedtowardstwopolarizers.Thedashedlinesrepresentthetransmissionaxesofthepolarizers.Theangleθ betweenthetransmissionaxesofthepolarizersisinitially0�.
unpolarizedlight
firstpolarizer
secondpolarizer
transmittedintensityI
(a) Ontheaxesbelow,sketchagraphtoshowhowtheintensityI ofthelightemergingfromthesecondpolarizer varieswithθ. [2]
transmittedintensityI
0 90 180
angleθ / �
(b) Outlinehowtwopolarizerscanbeusedtocomparetheconcentrationsofdifferentsugarsolutions. [3]
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–11–
turn over
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1136
a6. Thisquestionisaboutelectromagneticinduction.
(a) StateLenz’slaw. [1]
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(b) Two identical aluminium balls are dropped simultaneously from the same height.BallPfalls througha regionwithnomagneticfield. BallQfalls througha regionofuniformhorizontalmagneticfluxdensityB.
× × ×× × ×
P Q
h B
ground
ExplainwhyballQtakeslongerthanballPtoreachtheground. [4]
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Section B
This section consists of four questions: B1, B2, B3 and B4. Answer two questions. Write your answers in the boxes provided.
B1. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutwindpower.Part 2isaboutprojectilemotion.
Part 1 Windpower
(a) Outline in termsofenergychangeshowelectricalenergy isobtained from theenergyofwind. [2]
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(This question continues on the following page)
–13–
turn over
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1336
(Question B1, part 1 continued)
(b) Airofdensityρ andspeedv passesnormallythroughawindturbineofbladelengthrasshownbelow.
r
wind
blade
(i) Deducethatthekineticenergyperunittimeoftheairincidentontheturbineis
2 312
r vρπ [3]
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(ii) Statetwo reasonswhyit is impossible toconvertall theavailableenergyof thewindtoelectricalenergy. [2]
1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–14– M12/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
1436
(Question B1, part 1 continued)
(c) Airisincidentnormallyonawindturbineandpassesthroughtheturbinebladeswithoutchangingdirection.Thefollowingdataareavailable.
Densityofairenteringturbine= 1.1kgm–3
Densityofairleavingturbine = 2.2kgm–3
Speedofairenteringturbine = 9.8ms–1
Speedofairleavingturbine = 4.6ms–1
Bladelength = 25m
Determinethepowerextractedfromtheairbytheturbine. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–15–
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1536
(Question B1, part 1 continued)
(d) Adifferentwindturbinehasamechanicalinputpowerof3.0×105Wandgeneratesanelectricalpoweroutputof1.0×105W.Onthegridbelow,constructandlabelaSankeydiagramforthiswindturbine. [3]
(e) Outlineoneadvantageandonedisadvantageofusingwindturbinestogenerateelectricalenergy,ascomparedtousingfossilfuels. [2]
Advantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Disadvantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–16– M12/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
1636
(Question B1 continued)
Part 2 Projectilemotion
Aballisprojectedhorizontallyat5.0ms–1fromaverticalcliffofheight110m.Assumethatairresistanceisnegligibleanduseg= 10ms–2.
110m
5.0ms–1
(not to scale)
(a) (i) Statethemagnitudeofthehorizontalcomponentofaccelerationoftheballafteritleavesthecliff. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) Ontheaxesbelow,sketchgraphstoshowhowthehorizontalandverticalcomponentsofthevelocityoftheball,vxandvy,changewithtimetuntiljustbeforetheballhitstheground.Itisnotnecessarytocalculateanyvalues. [2]
horizontalcomponent verticalcomponentvx
t
vy
t
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–17–
turn over
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1736
(Question B1, part 2 continued)
(b) (i) Calculatethetimetakenfortheballtoreachtheground. [2]
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(ii) Calculate thehorizontaldistance travelledbytheballuntil justbefore it reachestheground. [2]
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(c) Anotherprojectileislaunchedatanangletotheground.Intheabsenceofairresistanceitfollowstheparabolicpathshownbelow.
Onthediagramabove,sketchthepaththattheprojectilewouldfollowifairresistancewerenotnegligible. [3]
–18– M12/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
1836
B2. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutsimpleharmonicmotionandthesuperpositionofwaves.Part 2isaboutthermodynamics.
Part 1 Simpleharmonicmotionandthesuperpositionofwaves
Anobjectofmassm isplacedonafrictionlesssurfaceandattachedtoalighthorizontalspring.Theotherendofthespringisfixed.
mpositivedirection
A B C
TheequilibriumpositionisatB.ThedirectionBtoCistakentobepositive.TheobjectisreleasedfrompositionAandexecutessimpleharmonicmotionbetweenpositionsAandC.
(a) Definesimple harmonic motion. [2]
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(b) (i) Ontheaxesbelow,sketchagraphtoshowhowtheaccelerationofthemassvarieswithdisplacementfromtheequilibriumpositionB. [2]
acceleration
displacement
(ii) Onyourgraph,labelthepointsthatcorrespondtothepositionsA,BandC. [1]
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–19–
turn over
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1936
(Question B2, part 1 continued)
(c) (i) Ontheaxesbelow,sketchagraphtoshowhowthevelocityofthemassvarieswithtimefromthemomentofreleasefromAuntilthemassreturnstoAforthefirsttime. [2]
velocity
time
(ii) Onyourgraph,labelthepointsthatcorrespondtothepositionsA,BandC. [1]
(d) Theperiodofoscillationis0.20sandthedistancefromAtoBis0.040m.Determinethemaximumspeedofthemass. [3]
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2036
(Question B2, part 1 continued)
(e) Alongspringisstretchedsothatithasalengthof10.0m.Bothendsaremadetooscillatewithsimpleharmonicmotionsothattransversewavesofequalamplitudebutdifferentfrequencyaregenerated.
Wave X, travelling from left to right, has wavelength 2.0m, and waveY, travellingfromright to left,haswavelength4.0m. Bothwavesmovealong thespringatspeed10.0ms–1.
Thediagrambelowshowsthewavesataninstantintime.
displacement
waveX waveY
position/m
0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
(i) Statetheprincipleofsuperpositionasappliedtowaves. [2]
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(ii) By drawing on the diagram or otherwise, calculate the position at which theresultantwavewillhavemaximumdisplacement0.20slater. [2]
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(This question continues on page 22)
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–22– M12/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
2236
(Question B2 continued from page 20)
Part 2 Thermodynamics
Afixedmassofanidealgasundergoesthethreethermodynamicprocesses,AB,BCandCA,representedintheP–Vgraphbelow.
P /×105Pa
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
A B
C
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
V /×10–3m3
(a) Statewhichoftheprocessesisisothermal,isochoric(isovolumetric)orisobaric. [3]
ProcessAB: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ProcessBC: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ProcessCA: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2336
(Question B2, part 2 continued)
(b) ThetemperatureofthegasatAis300K.CalculatethetemperatureofthegasatB. [2]
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(c) TheincreaseininternalenergyofthegasduringprocessABis4100J.DeterminetheheattransferredtothegasfromthesurroundingsduringtheprocessAB. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2436
(Question B2, part 2 continued)
(d) Thegasiscompressedatconstanttemperature.Explainwhatchanges,ifany,occurtotheentropyof
(i) thegas. [1]
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(ii) thesurroundings. [1]
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(iii) theuniverse. [1]
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2536
B3. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutacollision.Part 2isaboutdigitaldatastorage.
Part 1 Acollision
Twoidenticalblocksofmass0.17kgandlength0.050maretravellingtowardseachotheralongastraightlinethroughtheircentresasshownbelow.Assumethatthesurfaceisfrictionless.
0.900m
0.18ms–1
blockA
0.050m
0.18ms–1
blockB
0.050m
Theinitialdistancebetweenthecentresoftheblocksis0.900mandbothblocksaremovingataspeedof0.18ms–1relativetothesurface.
(a) Determinethetimetakenfortheblockstocomeintocontactwitheachother. [3]
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–26– M12/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
2636
(Question B3, part 1 continued)
(b) Asaresultofthecollision,theblocksreversetheirdirectionofmotionandtravelatthesamespeedaseachother.Duringthecollision,20%ofthekineticenergyoftheblocksisgivenoffasthermalenergytothesurroundings.
(i) Stateandexplainwhetherthecollisioniselasticorinelastic. [2]
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(ii) Showthatthefinalspeedoftheblocksrelativetothesurfaceis0.16ms–1. [3]
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(This question continues on the following page)
–27–
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2736
(Question B3, part 1 continued)
(c) (i) StateNewton’sthirdlawofmotion. [1]
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(ii) Duringthecollisionoftheblocks,themagnitudeoftheforcethatblockAexertsonblockBisFABandthemagnitudeoftheforcethatblockBexertsonblockAisFBA.Onthediagrambelow,drawlabelledarrowstorepresentthemagnitudeanddirectionoftheforcesFABandFBA. [3]
blockA blockB
(iii) Thedurationofthecollisionbetweentheblocksis0.070s.Determinetheaverageforceoneblockexertedontheother. [3]
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(Question B3 continued)
Part 2 Digitaldatastorage
(a) Ontheaxesbelow,drawanexampleofananaloguesignalandadigitalsignal. [2]
analoguesignal digitalsignalvoltage voltage
time time
(b) Thebinarynumber00101containsfivebits.Explainwhatismeantbythemost-significantbitofabinarynumber. [2]
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(Question B3, part 2 continued)
(c) (i) OutlinehowdigitalinformationisstoredonaCD. [2]
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(ii) OutlinewhyaDVDcanstoremoreinformationthanaCDeventhoughtheyarethesamephysicalsize. [2]
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(iii) ThelaserofaDVDplayerhasawavelengthinairof630nm.ThecoatingoftheDVDhasarefractiveindexof1.53.CalculateasuitablepitdepthforthisDVD. [2]
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B4. Thisquestionisinthreeparts.Part 1isaboutgravitationalfields.Part 2isaboutelectriccurrentandresistance.Part 3isaboutatomicenergylevels.
Part 1 Gravitationalfields
(a) StateNewton’suniversallawofgravitation. [3]
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(b) Deduce that the gravitational field strength g at the surface of a spherical planet ofuniformdensityisgivenby
2
GMgR
=
whereM isthemassoftheplanet,R isitsradiusandG isthegravitationalconstant.Youcanassumethatsphericalobjectsofuniformdensityactaspointmasses. [2]
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(Question B4, part 1 continued)
(c) ThegravitationalfieldstrengthatthesurfaceofMarsgMisrelatedtothegravitationalfieldstrengthatthesurfaceoftheEarthgEby
gM= 0.38×gE.
TheradiusofMarsRMisrelatedtotheradiusoftheEarthREby
RM= 0.53×RE.
DeterminethemassofMarsMMintermsofthemassoftheEarthME. [2]
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(Question B4 continued)
Part 2 Electriccurrentandresistance
Thegraphbelowshowshowthecurrent I ina tungstenfilament lampvarieswithpotentialdifference V acrossthelamp.
I/A
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.000.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
V/V
(a) (i) Definetheelectricalresistance ofacomponent. [1]
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(Question B4, part 2 continued)
(ii) ExplainwhetherornotthefilamentobeysOhm’slaw. [2]
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(b) Calculate the resistance of the filament lamp when the potential difference across itis2.8V.
[2]
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(c) Twoidenticalfilamentlampsareconnectedinserieswithacellofemf6.0Vandnegligibleinternal resistance. Using the graph opposite, calculate the total power dissipated inthecircuit. [2]
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(Question B4 continued)
Part 3 Atomicenergylevels
(a) DescribethedeBrogliehypothesis. [2]
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(b) Outline howatomic emission spectra provide evidence for the quantization of energyinatoms. [2]
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(Question B4, part 3 continued)
(c) Consideranelectronconfinedinaone-dimensional“box”oflengthL.ThedeBroglie
wavesassociatedwiththeelectronarestandingwaveswithwavelengthsgivenby 2Ln,
wheren=1,2,3,…
ShowthattheenergyEnoftheelectronisgivenby
2 2
2e8
nn hEm L
=
whereh isPlanck’sconstantandmeisthemassoftheelectron. [3]
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(Question B4, part 3 continued)
(d) Anelectronisconfinedina“box”of length L=1.0×10–10min the n=1energylevel.Itspositionasmeasuredfromoneendoftheboxis(0.5± 0.5)×10–10m.Determine
(i) themomentumoftheelectron. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(ii) theuncertaintyinthemomentum. [2]
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