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22 pages

N11/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX

Wednesday 9 November 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

Candidate session number

0 0

Examination code

8 8 1 1 – 6 5 0 5

0 1 2 4

88116505

–2– N11/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX

SECTION A

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

A1. Dataanalysisquestion.

Caroline carried out an experiment to measure the variation with water depth d of thewave speedc of a surfacewaterwave. Herdataareshownplottedbelow.

c/cms–1

20

18

16

14

12

10

8

6

4

2

0 0 5 10 15

d/cm

The uncertainty in the water depth d is too small to be shown. Uncertainties in themeasurement of the wave speed c are shown as error bars on the graph except for thedatapoint corresponding tod =15cm.

(This question continues on the following page)

0 2 2 4

–3–

Turn over


(Question A1 continued)

(a) Caroline calculated the wave speed by measuring the time t for the wave totravel150cm.Theuncertaintyinthisdistanceis2cm.Forthereadingatawaterdepthof15cm,thetimetis8.3swithanuncertainty0.5s.

(i) Showthattheabsoluteuncertaintyinthewavespeedatthistimeis1.3cms–1. [3]

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(ii) On the graph opposite, drawthe error bar for the data point corresponding tod =15cm. [1]

(b) Carolinehypothesizedthatthewavespeedcisdirectlyproportionaltothewaterdepthd.

(i) Onthegraphopposite,drawalineofbest-fitforthedata. [1]

(ii) Suggestifthedatasupportthishypothesis. [2]

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0 3 2 4



(c) Anotherstudentproposesthatcisproportionalto 0.5c d∝ .

Stateasuitablegraphthatcanbeplottedtotestthisproposal. [1]

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(d) ThereisasystematicerrorinCaroline’sdeterminationofthedepth.

(i) Statewhatismeantbyasystematicerror. [1]

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(ii) Statehowthegraphin(c)wouldindicatethatthereisasystematicerror. [1]

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0 4 2 4

–5–

Turn over


A2. Thisquestionisaboutthepropertiesoftungsten.

(a) Tungstenisaconductorusedasthefilamentofanelectriclamp.Thefilamentofthelampissurroundedbyglasswhichisaninsulator.

Outline,intermsoftheiratomicstructure,thedifferencebetweentheelectricalpropertiesoftungstenandofglass. [2]

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(b) Atungstenfilamentlampismarked6.0V,15W.

(i) Showthattheresistanceofthelampatitsworkingvoltageis2.4Ω. [1]

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(ii) Thelengthofthefilamentis0.35mandtheresistivityoftungstenis5.6×10–7Ωmatitsworkingvoltage.

Calculatethecross-sectionalareaofthetungstenfilament. [2]

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0 5 2 4



(c) Thediagramshowspartofapotentialdividercircuitusedtomeasurethecurrent-potentialdifference(I–V )characteristicofthebulb.

6Vbattery

Drawthecompletecircuitshowingthecorrectpositionofthebulb,ammeterandvoltmeter. [2]

0 6 2 4

–7–

Turn over


A3. (a) Anuclideofdeuterium 21H( )andanuclideoftritium 3

1H( )undergonuclearfusion.

(i) Each fusion reaction releases2.8×10–12J of energy. Calculate the rate, inkgs–1,atwhich tritiummustbefused toproduceapoweroutputof250MW. [3]

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(ii) State two problems associated with sustaining this fusion reaction in order toproduceenergyonacommercialscale. [2]

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) Tritium is a radioactivenuclidewithahalf-lifeof4500days.Itdecays toan isotopeofhelium.

Determinethetimeatwhich12.5%ofthetritiumremainsundecayed. [3]

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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 1isaboutforces.Part 2 is aboutinternalenergy.

Part 1 Forces

Arailwayengineistravellingalongahorizontaltrackataconstantvelocity.

(a) Onthediagramabove,drawlabelledarrowstorepresenttheverticalforcesthatactontherailwayengine. [3]

(b) Explain,with reference toNewton’s laws ofmotion,why the velocity of the railwayengineisconstant. [2]

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0 8 2 4

–9–

Turn over


(Question B1, part 1 continued)

(c) The constant horizontal velocity of the railway engine is 16ms–1. A total horizontalresistiveforceof76kNactsontherailwayengine.

Calculatetheusefulpoweroutputoftherailwayengine. [2]

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(d) Thepowerdrivingtherailwayengineisswitchedoff.Therailwayenginestops,fromitsspeedof16ms–1,withoutbrakinginadistanceof1.1km.Astudenthypothesizesthatthehorizontalresistiveforceisconstant.

Basedonthishypothesis,calculatethemassoftherailwayengine. [2]

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(e) Another hypothesis is that the horizontal force in (c) consists of two components.One component is a constant frictional force of 19kN. The other component is aresistive forceF that varieswith speed vwhereF is proportional toF v3∝ .

(i) State the value of themagnitude of Fwhen the railway engine is travelling at16ms–1. [1]

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(ii) Determinethetotalhorizontalresistiveforcewhentherailwayengineistravellingat8.0ms–1. [4]

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(f) Onitsjourney,therailwayenginenowtravelsaroundacurvedtrackatconstantspeed.Explainwhetherornottherailwayengineisaccelerating. [3]

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1 0 2 4

–11–

Turn over


(Question B1 continued)

Part 2 Internalenergy

Humans generate internal energy when moving, while their core temperature remainsapproximatelyconstant.

(a) Distinguishbetweentheconceptsofinternalenergyandtemperature. [3]

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(b) Explain,intermsofmolecularbehaviour,howtheevaporationofsweatenableshumanstomaintainaconstanttemperature. [3]

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(c) Anathleteloses1.8kgofwaterfromherbodythroughsweatingduringatrainingsessionthatlastsonehour.

Estimatetherateofenergylossbytheathleteduetosweating.Thespecificlatentheatofevaporationofwater is2.3×106Jkg–1. [2]

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–13–

Turn over


B2. This question is in two parts. Part 1 is about wave motion. Part 2 is about renewableenergysources.

Part 1 Wavemotion

The diagram shows a wave that is travelling to the right along a stretched string at aparticular instant.

P

Thedottedlineshowsthepositionofthestretchedstringwhenitisundisturbed.Pisasmallmarkerattachedtothestring.

(a) Onthediagramabove,identify

(i) withanarrow,thedirectionofmovementofmarkerPattheinstantintimeshown. [1]

(ii) thewavelengthofthewave. [1]

(b) Thewavelengthofthewaveis25mmanditsspeedis18mms–1.

(i) CalculatethetimeperiodToftheoscillationofthewave. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) Onthediagramabove,drawthedisplacementofthestringatatime3Tlaterthan

thatshowninthediagram. [1]


1 3 2 4



(c) MarkerPundergoessimpleharmonicmotion.Theamplitudeofthewaveis1.7×10–2mand themassofmarkerP is3.5×10–3kg.

(i) CalculatethemaximumkineticenergyofmarkerP. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) SketchagraphtoshowhowthekineticenergyEKofmarkerPvarieswithtimetfrom t =0 to t =T,whereT is the timeperiodof theoscillationcalculatedin (b).Annotatetheaxesofthegraphwithnumericalvalues. [3]

EK

0

4T

2T 3

4T T

t


1 4 2 4

–15–

Turn over



(d) The right-hand edge of the wave AB reaches a point where the string is securelyattached to a second string in which the speed of waves is smaller than that of thefirst string.

B A secondstring

(i) On the diagram above, draw the shape of the second string after the completewaveABis travelling in it. [2]

(ii) Explaintheshapeyouhavedrawninyouranswerto(d)(i). [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


1 5 2 4



Part 2 Renewableenergysources

(a) The inhabitants of a remote island decide to install a tidal waterstorage scheme toprovideelectricity. Thisschemeisbasedonthestorageofseawaterinatidallagoonwith thecontrolledreleaseof thewaterbetween tides.

(i) Stateoneothertypeofhydroelectricpowerproduction. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) Explaintheprincipleofoperationoftheproductionmethodyoustatedin(a)(i). [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) Alagoonistobeconstructedtoholdbackthetide.Thetidefillsthelagoontwiceaday.

Surfaceareaoflagoon =1.2×105m2

Averagedifferencebetweenhighandlowtidewaterlevels =2.6mDensityofseawater =1100kgm–3

Overallefficiencyoftidalstoragescheme =23%

(i) Using the data provided, show that themass ofwater released from the lagooneachday is6.9×108kg. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


1 6 2 4

–17–

Turn over



(ii) Calculatethetotalelectricalenergythatthetidalwaterstorageschemewilloutputeveryday. [3]

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(c) Anotheroptionthattheislandersconsideristheuseofwindpower.Suggesttwopossibledisadvantagesofusingwindpowerasopposedtotidalpower. [2]

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1 7 2 4


B3. This question is in two parts. Part 1 is about the greenhouse effect. Part 2 is about anelectricmotor.

Part 1 Greenhouseeffect

(a) DescribewhatismeantbythegreenhouseeffectintheEarth’satmosphere. [3]

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(b) The graph shows the variation with frequency of the percentage transmittance ofelectromagneticwavesthroughwatervapourintheatmosphere.

percentagetransmittance

100

80

60

40

20

0

X

3 4 5 6 7frequency/×1013Hz

(i) Show that the reduction in percentage transmittance labelled X occurs at awavelengthequal toapproximately5μm. [1]

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1 8 2 4

–19–

Turn over



(ii) Suggest,withreferencetoresonance,thepossiblereasonsforthesharpreductioninpercentage transmittanceatawavelengthof5μm. [3]

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(iii) Explain how the reduction in percentage transmittance, labelled X on thegraph opposite, accounts for the greenhouse effect. [2]

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(iv) Outline how an increase in the concentration of greenhouse gases in theatmosphere may lead to global warming. [3]

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(c) One sourceof atmosphericwater vapour is evaporation from theGreatLakes systeminNorthAmerica. Asa resultofevaporation ithasbeenestimated thatonahotdaythe overall level of the lakes falls by about 1 mm. It has also been estimated thatthetemperatureofthelakeareamightincreaseby0.5C° ifglobalwarmingcontinuesatitspresentrate.

SurfaceareaofGreatLakessystem =2.4×105km2

TotalwatervolumeofGreatLakessystem =2.3×103km3

Coefficientofvolumeexpansionofwater =2.1×10–4K–1

Use the abovedata, to show that any increase in water level due to global warmingissimilartotheloss inwater leveldue toevaporation. [3]

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Turn over



Part 2 Electricmotor

Anelectricmotorisusedtoraiseaload.

(a) Whilstbeingraised,theloadacceleratesuniformlyupwards.Theweightofthecableisnegligiblecomparedtotheweightoftheload.

(i) Drawalabelledfree-bodyforcediagramoftheforcesactingontheacceleratingload.Thedotbelowrepresentstheload. [2]


2 1 2 4



(ii) Theloadhasamassof350kgandittakes6.5storaiseitfromrestthroughaheightof8.0m.

Determinethetensioninthecableastheloadisbeingraised. [4]

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(b) Theelectricmotorcanbeadjustedsuchthat,afteraninitialacceleration,theloadmovesatconstantspeed.Themotorisconnectedtoa450Vsupplyandwiththeloadmovingatconstantspeed,ittakesthemotor15storaisetheloadthrough7.0m.

(i) Calculatethepowerdeliveredtotheloadbythemotor. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) Thecurrentinthemotoris30A.Estimatetheefficiencyofthemotor. [2]

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