Candidate session number
m15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX
PhysicsStandard levelPaper 2
© International Baccalaureate Organization 2015
Instructions to candidates
yy Write your session number in the boxes above.yy Do not open this examination paper until instructed to do so.yy Section A: answer all questions.yy Section B: answer one question.yy Write your answers in the boxes provided.yy A calculator is required for this paper.yy A clean copy of the physics data booklet is required for this paper.yy The maximum mark for this examination paper is [50 marks].
1 hour 15 minutes
Friday 8 may 2015 (morning)
2215 – 651123 pages
24EP01
m15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX– 2 –
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24EP02
m15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX– 3 –
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Section A
Answer all questions. Write your answers in the boxes provided.
1. Thisquestionisabouttheflowofliquids.
AstudentcarriesoutanexperimenttoinvestigatehowtherateofflowRofwaterthroughanarrowtubevarieswiththepressuredifferenceacrossthetube.Thepressuredifferenceis proportional to the height h shown in the diagram. The student measures h in cm with a metre ruler. Risobtainedbymeasuringthevolumeofwatercollectedinameasuringcylinderinatimeof100s.
from tap
h
narrow tube
measuringcylinder
(This question continues on the following page)
24EP03
M15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX– 4 –
(Question 1 continued)
(a) The student enters the data on a spreadsheet and produces the graph and trend line shown below.
R / cm3 s−1
h / cm
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Thedatapointforh = 57 cm, R = 1.70cm3 s−1 has not been shown on the graph. Thestudentestimatestheuncertaintiesinallvaluesofh to be ±1cmandtheuncertaintiesinthevaluesofR to be ±5 %.
(i) On the graph, draw the missing data point. [1]
(ii) Onthegraph,drawtheverticalerrorbarforthisdatapoint. [1]
(iii) Commentonwhythetrendlineisnotaperfectmatchforthedata. [1]
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(This question continues on the following page)
24EP04
m15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX– 5 –
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(Question 1 continued)
(iv) Explainwhythestudent’sestimateofa5%uncertaintyinallvaluesforR is unlikely to be correct. [2]
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(b) Thestudentestimatesthattheuncertaintyintiming100sis±1s.Usingthedataonthegraph,deducetheabsoluteuncertaintyinthevolumeofwatercollectedwhenR = 2.1cm3 s−1. [4]
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24EP05
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2. Thisquestionisabouttheforcesonaskier.
Askierispulledupahillbyaropeatasteadyvelocity.Thehillmakesanangleof12° with thehorizontal.Themassoftheskierandskisis73kg.Thediagrambelowshowsthreeoftheforcesactingontheskier.
normal reaction
tension in rope
frictional forces
12°
(a) On the diagram, draw and label oneotherforceactingontheskier. [1]
(b) Calculatethemagnitudeofthenormalreactionactingontheskier. [2]
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(c) Thetotalfrictionalforceactingis65N.Determinethetensionintherope. [2]
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(d) Explain,usingNewton’sfirstlawofmotion,whytheresultantforceontheskiermust be zero. [2]
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24EP06
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3. Thisquestionisaboutthermalpropertiesofmatter.
(a) Explain,intermsoftheenergyofitsmolecules,whythetemperatureofapuresubstance does not change during melting. [3]
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(b) Threeicecubesatatemperatureof0°Caredroppedintoacontainerofwateratatemperatureof22°C.Themassofeachicecubeis25gandthemassofthewateris330g.Theicemelts,sothatthetemperatureofthewaterdecreases.Thethermalcapacityofthecontainerisnegligible.
(i) Definethermal capacity. [1]
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(ii) StatetheSIunitofthermalcapacity. [1]
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(iii) Thefollowingdataareavailable.
Specificlatentheatoffusionofice = 3.3 ×105 J kg–1
Specificheatcapacityofwater = 4.2 ×103 J kg–1 K–1
Calculatethefinaltemperatureofthewaterwhenalloftheicehasmelted.Assume that no thermal energy is exchanged between the water and the surroundings. [4]
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24EP07
m15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX– 8 –
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24EP08
m15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX– 9 –
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Section B
Thissectionconsistsofthreequestions:4,5and6.Answerone question. Write your answers in the boxes provided.
4. This question is about energy sources.
A small island is situated in the Arctic. The islanders require an electricity supply but have no fossilfuelsontheisland.Itissuggestedthatwindgeneratorsshouldbeusedincombinationwithpowerstationsusingeitheroilornuclearfuel.
(a) Suggesttheconditionsthatwouldmakeuseofwindgeneratorsincombinationwitheitheroilornuclearfuelsuitablefortheislanders. [3]
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(b) Conventionalhorizontal-axiswindgeneratorshavebladesoflength4.7m. Theaveragewindspeedontheislandis7.0ms−1 and the average air density is1.29kgm−3.
(i) Deducethetotalenergy,inGJ,generatedbythewindgeneratorsinoneyear. [3]
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(ii) Explain why less energy can actually be generated by the wind generators than the value you deduced in (b)(i). [2]
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(This question continues on the following page)
24EP09
m15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX–10–
(Question 4 continued)
(c) Theenergyflowdiagram(Sankeydiagram)belowisforanoil-firedpowerstationthatthe islanders might use.
chemicalenergy in oil
energy lost to the environment
energy used in the power station
energy lost in transmission
energy supplied to islanders
(i) Determinetheefficiencyofthepowerstation. [2]
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(ii) Explain why energy is wasted in the power station. [1]
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(This question continues on the following page)
24EP10
m15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX–11–
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(Question 4 continued)
(iii) The Sankey diagram in (c) indicates that some energy is lost in transmission. Explain how this loss occurs. [1]
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(d) Theemissionsfromtheoil-firedpowerstationin(c)arelikelytoincreaseglobalwarmingbytheenhancedgreenhouseeffect.
(i) Statewhatismeantbytheenhancedgreenhouseeffect. [2]
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(ii) Outline the mechanism by which greenhouse gases contribute to global warming. [3]
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(e) Anynuclearfuelavailabletotheislandersmustbeenrichedbeforeitcanbeused.Outlinewhyfuelenrichmentisneeded. [2]
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(This question continues on the following page)
24EP11
M15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX–12–
(Question 4 continued)
(f) Thenuclearequationbelowshowsoneofthepossiblefissionreactionsinanuclearreactor.
+ + +→1 ... 92 141 10 92 ... 56 0n U Kr Ba ... n
Identifythemissingnumbersintheequation. [3]
(g) A nuclear reactor requires both control rods and a moderator to operate. Outline, with referencetoneutrons,one similarity and twodifferencesinthefunctionofeachofthese components. [3]
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24EP12
m15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX–13–
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5. This question is in two parts. Part 1 is about a thermistor circuit. Part 2 is about vibrations and waves.
Part 1 Thermistor circuit
Thecircuitshowsanegativetemperaturecoefficient(NTC)thermistorXanda100kΩfixedresistor R connected across a battery.
Thebatteryhasanelectromotiveforce(emf)of12.0Vandnegligibleinternalresistance.
(a) (i) Defineelectromotive force (emf). [1]
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(ii) Statehowtheemfofthebatterycanbemeasured. [1]
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(This question continues on the following page)
12.0V
X R
100kΩ
24EP13
M 15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX–14–
(Question 5, part 1 continued)
(b) The graph below shows the variation with temperature ToftheresistanceRXofthethermistor.
RX / kΩ
350
300
250
200
150
100
50
0−60 −50 −40 −30 −20 −10 0 10 20 30
T / °C
(i) DeterminethetemperatureofXwhenthepotentialdifferenceacrossRis4.5V. [4]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) Statetherangeoftemperaturesforwhichthechangeintheresistanceofthethermistor is most sensitive to changes in temperature. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 5, part 1 continued)
(iii) Stateandexplaintheeffectofadecreaseintemperatureontheratio
voltageacross Xvoltage across R
. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 5 continued)
Part 2 Vibrationsandwaves
TheconeanddustcapDofaloudspeakerLvibrateswithafrequencyof1.25kHzwithsimple harmonic motion (SHM).
cone
D
L
(c) Definesimple harmonic motion (SHM). [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(d) Dhasmass6.5 × 10−3kgandvibrateswithamplitude0.85mm.
(i) CalculatethemaximumaccelerationofD. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 5, part 2 continued)
(ii) DeterminethetotalenergyofD. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(e) Thesoundwavesfromtheloudspeakertravelinairwithspeed330ms−1.
(i) Calculatethewavelengthofthesoundwaves. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) Describethecharacteristicsofsoundwavesinair. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 5, part 2 continued)
(f) AsecondloudspeakerSemitsthesamefrequencyasLbutvibratesoutofphase withL.ThegraphbelowshowsthevariationwithtimetofthedisplacementxofthewavesemittedbySandL.
0.0 0.50.00
–0.50
–1.00
–1.50
–2.00
2.00
1.50
1.00
0.50 L
S1.0
t / m s
x / mm
(i) DeducetherelationshipbetweenthephaseofLandthephaseofS. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) On the graph, sketch the variation with tofxforthewaveformedbythesuperpositionofthetwowaves. [3]
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6. This question is in two parts. Part 1 is about kinematics and gravitation. Part 2 is about radioactivity.
Part 1 Kinematics and gravitation
AballisreleasednearthesurfaceoftheMoonattimet = 0.ThepointofreleaseisonastraightlinebetweenthecentreofEarthandthecentreoftheMoon.Thegraphbelowshows the variation with time tofthedisplacementsoftheballfromthepointofrelease.
–3.50
–3.00
–2.50
–2.00
–1.50
–1.00
–0.50
0.00
0.50
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t / s
s / m
(a) Statethesignificanceofthenegativevaluesofs. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) Usethegraphto
(i) estimatethevelocityoftheballatt = 0.80s. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 6, part 1 continued)
(ii) calculateavaluefortheaccelerationoffreefallclosetothesurfaceoftheMoon. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(c) Thefollowingdataareavailable.
Massoftheball = 0.20kg MeanradiusoftheMoon = 1.74×106 m MeanorbitalradiusoftheMoonaboutthecentreofEarth= 3.84 × 108 m MassofEarth = 5.97 ×1024 kg
ShowthatEarthhasnosignificanteffectontheaccelerationoftheball. [4]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(d) Calculatethespeedofanidenticalballwhenitfalls3.0mfromrestclosetothesurfaceofEarth.Ignoreairresistance. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(e) Sketch, on the graph, the variation with time tofthedisplacementsfromthepointofreleaseoftheballwhentheballisdroppedclosetothesurfaceofEarth.(For this sketch take the direction towards the Earth as being negative.)
[3]
(This question continues on the following page)
24EP21
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(Question 6 continued)
Part 2 Radioactivity
Twoisotopesofcalciumarecalcium-40 ( )4020Ca and calcium-47 ( )47
20Ca .Calcium-40isstableandcalcium-47isradioactivewithahalf-lifeof4.5days.
(f) Explain,intermsofthenumberofnucleonsandtheforcesbetweenthem,whycalcium-40isstableandcalcium-47isradioactive. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(g) Calculatethepercentageofasampleofcalcium-47thatdecaysin27days. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(This question continues on the following page)
24EP22
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(Question 6, part 2 continued)
(h) Thenuclearequationforthedecayofcalcium-47intoscandium-47 ( )4721Sc is given by
2047
2147
10Ca Sc e X→ + +−
(i) IdentifyX. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) Thefollowingdataareavailable.
Massofcalcium-47nucleus = 46.95455 uMassofscandium-47nucleus= 46.95241u
Usingthedata,determinethemaximumkineticenergy,inMeV,oftheproductsinthedecayofcalcium-47. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(iii) State why the kinetic energy will be less than your value in (h)(ii). [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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