Physics Candidate session number standard level PaPer 2 PAST PAPERS - SUBJECT... · 2019-11-07 ·...

26 pages

M11/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ2/XX

Wednesday 11 May 2011 (afternoon)

Physicsstandard 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 one question.•Write your answers in the boxes provided.

1 hour 15 minutes

© International Baccalaureate Organization 2011

Examination code

2 2 1 1 – 6 5 1 7

Candidate session number

0 0

0 1 2 8

22116517

–2– M11/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ2/XX

Section a

Answer all questions. Write your answers in the boxes provided.

a1. Dataanalysisquestion.

The speed v of waves on the surface of deep water depends only on the wavelength λof the waves. The data gathered from a particular region of the Atlantic Ocean areplottedbelow.

v/ms–1

9

8

7

6

5

4

3

2

1

00 10 20 30 40 50 λ/m

Theuncertaintyinthespeedvis±0.30ms–1andtheuncertaintyinλistoosmalltobeshownonthediagram.

(This question continues on the following page)

0 2 2 8

–3–

turn over


(Question A1 continued)

(a) State,withreferencetothegraph,

(i) whyvisnotdirectlyproportionaltoλ. [1]

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(ii) thevalueofvforλ=39m. [1]

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0 3 2 8



(b) Itissuggestedthattherelationshipbetweenvandλ isoftheform

v a= λ

whereaisaconstant.Totestthevalidityofthishypothesis,valuesofv2againstλareplottedbelow.

v2/m2s–2

70

60

50

40

30

20

10

00 10 20 30 40 50 λ/m

(i) Use your answer to (a)(ii) to show that the absolute uncertainty in v2 for awavelengthof39mis±5m2s–2.

[3]

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(ii) Theabsoluteuncertainty inv2 forawavelengthof2.5mis±1m2s–2. Usingthisvalue and the value in (b)(i), construct error bars for v2 at the data points forλ=2.5mand39m. [1]


0 4 2 8

–5–

turn over



(iii) Statewhytheplotteddatain(b)(ii)suggestthatitislikelythatv isproportionalto λ . [1]

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(iv) Usethegraphoppositetodeterminetheconstanta. [3]

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(v) Theoryshowsthata k=2π

.Determineavaluefork. [1]

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0 5 2 8


a2. Thisquestionisaboutkinematics.

Lucystandsontheedgeofaverticalcliffandthrowsastoneverticallyupwards.

15ms–1

80m

Thestone leavesherhandwithaspeedof15ms–1attheinstantherhand is80mabove thesurfaceof thesea. Air resistance isnegligibleand theaccelerationof free fall is10ms–2.

(a) Calculate the maximum height reached by the stone as measured from the pointwhere it is thrown. [2]

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(b) Determine the time for the stone to reach the surface of the sea after leavingLucy’s hand. [3]

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0 6 2 8

–7–

turn over


a3. Thisquestionisaboutinternalenergyandthermalenergy(heat).

(a) Distinguishbetweeninternalenergyandthermalenergy. [3]

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(b) Describe,withreferencetotheenergyofthemolecules,thedifferenceininternalenergyofapieceofironandtheinternalenergyofanidealgas. [2]

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0 7 2 8



(c) Apieceofironisplacedinakilnuntilitreachesthetemperatureθofthekiln.Theironisthenquicklytransferredtowaterheldinathermallyinsulatedcontainer.Thewaterisstirreduntilitreachesasteadytemperature.Thefollowingdataareavailable.

Thermalcapacityofthepieceofiron =60JK–1

Thermalcapacityofthewater =2.0×103JK–1

Initialtemperatureofthewater =16°C Finaltemperatureofthewater =45°C

Thethermalcapacityofthecontainerandinsulationisnegligible.

(i) State an expression, in terms of θ and the above data, for the energy transferoftheironincoolingfromthetemperatureofthekilntothefinaltemperatureofthewater. [1]

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(ii) Calculatetheincreaseininternalenergyofthewaterastheironcoolsinthewater. [1]

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(iii) Useyouranswersto(c)(i)and(c)(ii)todetermineθ. [2]

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0 8 2 8

–9–

turn over


Section b

This section consists of three questions: B1, B2 and B3. Answer one question. Write your answers in the boxes provided.

b1. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutsimpleharmonicmotion(SHM)andawaveinastring.Part 2isabouttheunifiedatomicmassunitandanuclearreaction.

Part 1 Simpleharmonicmotionandawaveinastring

(a) Byreferencetosimpleharmonicmotion,statewhatismeantbyamplitude. [1]

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0 9 2 8


(Question B1, part 1 continued)

(b) AliquidiscontainedinaU-tube.

Diagram1 Diagram2

liquidofdensityρ

x

l

equilibriumpositionoftheliquidsurface

Thepressureontheliquidinonesideofthetubeisincreasedsothattheliquidisdisplacedas shown indiagram2. When the pressure is suddenly released the liquid oscillates.Thedampingoftheoscillationsissmall.

(i) Describewhatismeantbydamping. [2]

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1 0 2 8

–11–

turn over



(ii) The displacement of the liquid surface from its equilibrium position is x. Theaccelerationaof the liquid in the tube isgivenby theexpression

a glx= − 2

wheregistheaccelerationoffreefallandlisthetotallengthoftheliquidcolumn.Thetotallengthoftheliquidcolumninthetubeis0.32m.Determinetheperiodofoscillation. [3]

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1 1 2 8



(c) A wave is travelling along a string. The string can bemodelled as a single line ofparticlesandeachparticleexecutessimpleharmonicmotion.Theperiodofoscillationof theparticles is0.80s.

Thegraphshowsthedisplacementyofpartofthestringattimet=0.Thedistancealongthestringisd.

y/cm 6

4

2

0

–2

–4

–6

0 1 2 3 4 5

P

directionoftravelofthewave

d/m

(i) Onthegraph,drawanarrowtoshowthedirectionofmotionofparticlePatthepointmarkedon thestring. [1]

(ii) DeterminethemagnitudeofthevelocityofparticleP. [4]

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1 2 2 8

–13–

turn over



(iii) Showthatthespeedofthewaveis5.0ms–1. [3]

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(iv) Onthegraphopposite,labelwiththeletterXthepositionofparticlePatt=0.40s. [1]


1 3 2 8


(Question B1 continued)

Part 2 Unifiedatomicmassunitandanuclearreaction

(a) Definethetermunified atomic mass unit. [1]

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(b) The mass of a nucleus of rutherfordium-254 is 254.1001u. Calculate the massinGeVc–2. [1]

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(c) In 1919,Rutherford produced the first artificial nuclear transmutation by bombardingnitrogenwithα + → +7

14817N O X-particles.Thereactionisrepresentedbythefollowingequation.

α + → +714

817N O X

(i) IdentifyX. [1]

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1 4 2 8

–15–

turn over



(ii) Thefollowingdataareavailableforthereaction.

Restmassofα + → +714

817N O X =3.7428GeVc–2

Restmassof 714N =13.0942GeVc–2

Restmassof 817O + X =16.8383GeVc–2

Theinitialkineticenergyoftheα + → +714

817N O X-particleis7.68MeV.Determinethesumofthe

kineticenergiesoftheoxygennucleusandX.(Assumethatthenitrogennucleusisstationary.) [3]

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(d) The reaction in (c) produces oxygen (O-17). Other isotopes of oxygen includeO-19whichisradioactivewithahalf-lifeof30s.

(i) Statewhatismeantbythetermisotopes. [1]

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(ii) Definethetermradioactive half-life. [1]

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(e) Anucleusof the isotopeO-19decays toastablenucleusoffluorine. Thehalf-lifeofO-19 is 30s. At time t=0, a sample of O-19 contains a large number N0 nucleiofO-19.

Onthegridbelow,drawagraphtoshowthevariationwithtimetofthenumberNofO-19nucleiremaininginthesample.Youshouldconsideratimeoft=0tot=120s. [2]

N

N0

00 t

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–17–

turn over


b2. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutpowerproductionandglobalwarming.Part 2isaboutelectriccharge.

Part 1 Powerproductionandglobalwarming

(a) Inanycyclicalprocessdesignedtocontinuouslyconvertthermalenergytowork,someenergyisalwaysdegraded.Explainwhatismeantbydegradedenergy. [2]

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(b) Anuclearpowerstationusesuranium-235(U-235)asfuel.Outlinethe

(i) processesandenergychangesthatoccurthroughwhichthermalenergyisproduced. [4]

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(ii) role of the heat exchanger of the reactor and the turbine in the generation ofelectricalenergy. [3]

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(c) Identifyoneprocessinthepowerstationwhereenergyisdegraded. [1]

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(d) The maximum power output of the Drax coal-fired power station in the UK is4.0GW.Determine the minimum mass of pure U-235 that would be required by anuclear power station to provide the same maximum annual energy output as theDraxpower station.

Energydensityof U-235=82TJkg–1

1year =3.2×107s

[2]

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turn over



(e) TheDraxpowerstationproducesanenormousamountofcarbondioxide,agasclassifiedasagreenhousegas.Outline,withreferencetothevibrationalbehaviourofmoleculesofcarbondioxide,whatismeantbyagreenhousegas. [3]

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(f) It has been suggested that the production of greenhouse gases by coal-fired powerstationshasincreasedglobalwarming.Onepieceofevidencetosupportthissuggestionis the increase in sea-level due to an increase in temperature of the oceans. Over thepast 100 years it is suggested that sea-levels have risen by6.4×10–2m due to volumeexpansion.

Usingthefollowingdata,determinetheaverageriseintemperatureinthetoplevelsoftheoceansinthelast100years.

Meandepthofoceansthatisaffectedbyglobalwarming =4.0×102m Coefficientofvolumeexpansionofseawater =5.1×10–5K–1

[3]

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Part 2 Electriccharge

(a) A plastic rodXY is held at endX. The endY is rubbedwith a piece of cloth and,asa result, theendYbecomeselectricallycharged.

Theprocedure isnowrepeatedusingacopper rodand it is found that thecopper rodremains electrically neutral. Explain these observations in terms of the properties ofconductorsand insulators. [5]

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turn over



(b) Two plastic rods each have a positive charge +q situated at one end. The rods arearrangedasshown.

Assumethatthechargeattheendofeachrodbehavesasapointcharge.Draw,intheshadedareaonthediagram,theelectricfieldpatternduetothetwocharges. [2]

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b3. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutpowerandefficiency.Part 2isaboutelectricalresistance.

Part 1 Powerandefficiency

Abusistravellingataconstantspeedof6.2ms–1alongasectionofroadthatisinclinedatanangleof6.0�tothehorizontal.

6.0�

6.2ms–1

(a) (i) Thebusisrepresentedbytheblackdotshownbelow.Drawalabelledsketchtorepresenttheforcesactingonthebus. [4]

(ii) Statethevalueoftherateofchangeofmomentumofthebus. [1]

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turn over



(b) Thetotaloutputpoweroftheengineofthebusis70kWandtheefficiencyoftheengineis35%.Calculatetheinputpowertotheengine. [2]

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(c) Themassofthebusis8.5×103kg.Determinetherateofincreaseofgravitationalpotentialenergyofthebus. [3]

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(d) Usingyouranswerto(c)andthedatain(b),estimatethemagnitudeoftheresistiveforcesactingonthebus. [3]

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(e) Theengineofthebussuddenlystopsworking.

(i) Determine themagnitudeof thenet forceopposing themotionof thebusattheinstantatwhichtheenginestops. [2]

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(ii) Discuss,withreferencetotheairresistance,thechangeinthenetforceasthebusslowsdown. [2]

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turn over



Part 2 Electricalresistance

(a) Aresistorofresistance1.5Ωismadefromcopperwireofradius0.18mm.Theresistivityof copper is 1.7×10–8Ωm. Determine the length of copper wire used to makethe resistor. [2]

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(b) The manufacturer of the resistor in (a) guarantees that the resistance is within 10%of1.5Ω,providedthatthepowerdissipationintheresistordoesnotexceed1.0W.

(i) Suggest why the resistance of the resistor might be greater than 1.65Ω if thepowerdissipation in the resistor is greater than1.0W. [2]

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(ii) Show that, for a power dissipation of 1.0W, the current in a resistor ofresistance1.5Ω is 0.82A. [1]

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(iii) The 1.5Ω resistor is connected in serieswith a variable resistor and battery ofemf6.0Vand internal resistance1.8Ω.

6.0V 1.8Ω

1.5Ω

Estimate the resistance R of the variable resistor that will limit the currentto 0.82A. [3]

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