PHYSICS STANDARD LEVEL PAPER 2 - XtremePapers

2208-6511 22 pages

M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+

Tuesday 20 May 2008 (afternoon)

PHYSICS

STANDARD LEVEL

PAPER 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 of Section A in the spaces provided.

• Section B: answer one question from Section B in the spaces provided.

• At the end of the examination, indicate the numbers of the questions answered in the

candidate box on your cover sheet.

1 hour 15 minutes

Candidate session number

0 0

© International Baccalaureate Organization 2008

0122

22086511

2208-6511

–2– M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+

Section a

Answer all the questions in the spaces provided.

a1. Thisquestionisaboutdataanalysis.

Data for the refractive indexn of a typeofglassandwavelength of the light transmitted

throughtheglassareshownbelow.

Onlytheuncertaintiesinthevaluesofn are significant and these uncertainties are shown by errorbars.

/nm

n

300 650600550500450400350

1.6020

1.6060

1.6055

1.6050

1.6045

1.6040

1.6035

1.6030

1.6025

1.6065

1.6015

(This question continues on the following page)

0222

2208-6511

–3–

turn over


(Question A1 continued)

(a) Statewhythedatadonotsupportthehypothesisthatthereisalinearrelationshipbetween

refractiveindexandwavelength.

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

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[1]

(b) Draw a best-fit line for the data points. [2]

(c) Therateofchangeofrefractiveindex Dλ withwavelengthisreferredtoasthedispersion.

Atanyparticularvalueofwavelength, Dλisdefinedby

Dn

λ λ= ∆

∆ Usethegraphtodeterminethevalueof Dλ atawavelengthof380nm.

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

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[4]


0322

2208-6511



(d) Basedontheplotteddata,itissuggestedthattherelationshipbetweennand isofthe

form

n AB= +λ 2

whereAandBareconstants.

Totestthissuggestion,valuesofn areplottedagainstvaluesof1

2λ.Theresultinggraph

with the line of best fit is shown below.

1.6020

1.6060

1.6055

1.6050

1.6045

1.6040

1.6035

1.6030

1.6025

1.6065

0 0.70.60.50.40.30.20.1 1.21.11.00.90.8

1.6015

1.6010

110

2

15 2

λ/× − −m

n


0422

2208-6511

–5–

turn over



(i) UsethegraphtodeterminethevalueoftheconstantA.

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[3]

(ii) State the significance of the constant A.

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[1]

0522

2208-6511


a2. Thisquestionisaboutanidealgas.

Anidealgasiscontainedinacylinderbyapiston.

gas

piston

Thepistonismovedrapidlyinthedirectionshownsuchthatitcompressesthegas.Asaresult,

thetemperatureofthegasincreases.

(a) Outlinehowthemolecularmodelofanidealgasaccountsfortheriseintemperature.

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[3]

(b) The initial volume of the gas is 0.20m3 at a temperature of 27oC and a pressure

of 1.0105Pa. After compression, the volume of the gas is 0.070m3 and

thetemperatureis57oC. Determine the final pressure of the gas.

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

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[2]

0622

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–7–

turn over


a3. This question is about the breaking distance of a car and specific heat capacity.

(a) Acarofmass960kgisfree-wheelingdownaninclineataconstantspeedof9.0ms–1.

speed ms−1= 9.0

15o

Theslopemakesanangleof15owiththehorizontal.

(i) Deducethattheaverageresistiveforceactingonthecaris2.4103N.

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[2]

(ii) Calculatethekineticenergyofthecar.

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[1]


0722

2208-6511



(b) Thedrivernowappliesthebrakesandthecarcomestorestin15m.Useyouranswerto

(a)(ii)tocalculatetheaveragebrakingforceexertedonthecarincomingtorest.

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[2]

(c) Thesamebrakingforceisappliedtoeachrearwheelofthecar.Theeffectivemassof

each brake is 5.2 kg with a specific heat capacity of 900 J kg–1K–1.Estimatetherisein

temperatureofabrakeasthecarcomestorest.Stateoneassumptionthatyoumakein

yourestimation.

estimate:

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[4]

assumption:

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0822

2208-6511

–9–

turn over


Section b

This section consists of three questions: B1, B2, and B3. Answer one question.

b1. This question is in two parts. Part 1 is about momentum and energy and Part 2 is about

waves.

Part 1 Momentumandenergy

(a) Define impulse of a forceandstatetherelationbetweenimpulseandmomentum.

definition:

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

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relation:

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

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[2]

(b) By applying Newton’s laws of motion to the collision of two particles, deduce that

momentumisconservedinthecollision.

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

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[5]


0922

2208-6511


(Question B1 part 1 continued)

(c) In an experiment to measure the speed of a bullet, the bullet is fired into a piece of plasticine suspendedfromarigidsupportbyalightthread.

24cm

speedVbullet

plasticine

Thespeedof thebulleton impactwith theplasticine isV. Asa resultof the impact,

thebulletembedsitselfintheplasticineandtheplasticineisdisplacedverticallythrough

aheightof24cm.Themassofthebulletis5.210–3kgandthemassoftheplasticineis

0.38kg.


1022

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–11–

turn over



(i) Ignoringthemassofthebullet,calculatethespeedoftheplasticineimmediately

aftertheimpact.

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[2]

(ii) Deduce that the speed V with which the bullet strikes the plasticine is about

160ms−1 .

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[2]

(This question is continued on the following page)

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(Question B1 continued)

Part 2 Waves

(a) Withreferencetothedirectionofenergytransferthroughamedium,distinguishbetween

atransversewaveandalongitudinalwave.

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

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

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

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

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

[3]

(b) A wave is travelling along the surface of some shallow water in the x-direction.

Thegraphshowsthevariationwithtimetofthedisplacementdofaparticleofwater.

–10

10

8

6

4

2

0

–2

–4

–6

–8

0 0.05 0.250.20.150.1 0.3t / s

d /mm

Usethegraphtodetermineforthewave

(i) thefrequency,

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

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[2]

(ii) theamplitude.

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[1]


1222

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–13–

turn over



(c) Thespeedofthewavein(b)is15cms–1.Deducethatthewavelengthofthiswaveis

2.0cm.

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[2]

(d) Thegraphin(b)showsthedisplacementofaparticleattheposition x = 0 .

Ontheaxesbelow,drawagraphtoshowthevariationwithdistancexalongthewater

surfaceofthedisplacementdofthewatersurfaceattime s.t = 0.070 [3]

–10

10

8

6

4

2

0

–2

–4

–6

–8

0 1 432

d /mm

x/cm


1322

2208-6511


(Question B1, part 2 continued)

(e) Thewaveencountersashelfthatdividesthewaterintotwoseparatedepths.Thewaterto

therightoftheshelfisdeeperthanthattotheleftoftheshelf.

shelf

deepwatershallowwater

directionof

travelofwave

wavefronts

30o

Theanglebetweenthewavefrontsintheshallowwaterandtheshelfis30o.Thespeed

ofthewaveintheshallowwateris15cms–1andinthedeeperwateris20cms–1.Forthe

waveinthedeeperwater,determinetheanglebetweenthenormaltothewavefrontsand

theshelf.

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

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[3]

1422

2208-6511

–15–

turn over


b2. Thisquestion is intwoparts. Part 1 isaboutpowerandPart 2 isaboutnuclearreactions.

Part 1 Power

(a) Define power.

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[1]

(b) AconstantforceofmagnitudeFmovesanobjectatconstantspeedvinthedirectionof

theforce.DeducethatthepowerPrequiredtomaintainconstantspeedisgivenbythe

expression

P Fv=

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1522

2208-6511



(c) Sandfallsverticallyontoahorizontalconveyorbeltatarateof60kgs–1.

sand

60kgs–1

2.0ms–1

Theconveyorbeltthatisdrivenbyanengine,moveswithspeed2.0ms–1.

Whenthesandhitstheconveyorbelt,itshorizontalspeediszero.

(i) IdentifytheforceFthatacceleratesthesandtothespeedoftheconveyorbelt.

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(ii) DeterminethemagnitudeoftheforceF.

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(iii) CalculatethepowerPrequiredtomovetheconveyorbeltatconstantspeed.

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(iv) DeterminetherateofchangeofkineticenergyKofthesand.

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(v) ExplainwhyPandKarenotequal.

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1622

2208-6511

–17–

turn over


(Question B2, part 1 continued)

(d) The engine that drives the conveyor belt has an efficiency of 40 %. Calculate the input powertotheengine.

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Part 2 Nuclearreaction

(a) Statethemeaningoftheterms

(i) nuclide

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(ii) isotope

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(b) Anucleusof24

11 Na undergoesradioactivedecaytothestablenucleus24

12 Mg.

(i) Identifythistypeofradioactivedecay.

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(ii) Usethedatabelowtodeterminetherestmassinatomicmassunitoftheparticle

emittedinthedecayof 24

11 Na.

24

11restmassof Na u= 23.9909624

12restmassof Mg u= 23.98504energyreleasedindecay MeV= 5.002160

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1722

2208-6511



(c) Theisotopesodium-24isradioactivebuttheisotopesodium-23isstable.Suggestwhich

oftheseisotopeshasthegreaternuclearbindingenergy.

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(d) Attime t = 0,asampleofsodium-24containsN0 atomsofsodium-24.Thehalf-lifeof

sodium-24isT12

.

(i) Usingtheaxesbelow,drawasketchgraphtoshowthevariationwithtimetofthe

numberNofsodium-24atomsinthesample. [2]

00

T12

2T12

3T12

t

0N

N

(ii) Statehowtherateatwhichthesampleisdecayingatanytimetcanbefoundfrom

yoursketchgraph.

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1822

2208-6511

–19–

turn over


b3. This question is about aspects of electric fields and electric charge.

Fieldsandelectricchargeassociatedwithatoms

(a) Define electric field strength.

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(b) Aprotonmaybeconsideredtobeapointcharge.Forsuchaproton

(i) sketch the electric field pattern. [2]

(ii) calculate the magnitude of the electric field strength at a distance of 5.0 10–11m

fromtheproton.

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1922

2208-6511



(c) Inasimplemodelofthehydrogenatom,anelectronorbitstheproton.Bothelectronand

protonareregardedaspointcharges.Theorbitalradiusoftheelectronis5.010–11m.

(i) Usingyouranswerto(b)(ii)deducethatthemagnitudeoftheelectricforcebetween

theelectronandtheprotonis9.310–8N.

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(ii) Deducethatthekineticenergyoftheelectronis2.310–18 J.

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(iii) Thetotalenergyoftheelectronis–14eV.Determinethepotentialenergyofthe

electroninelectronvolt.

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2022

2208-6511

–21–

turn over



Fieldsandelectricchargeinconductors

(d) Describe the concept of drift velocity as applied to the conduction electrons in a

conductor.

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(e) Define electromotive force(e.m.f.).

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(f) A filament lamp is operating at normal brightness.

The potential difference across the lamp is 6.0 V. The current in the filament is 0.20 A. For the filament of this lamp, calculate

(i) theresistance.

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(ii) thepowerdissipated.

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2122

2208-6511



(g) Thelampin(f)isconnectedinthecircuitbelow.Thelampisstilloperatingatnormal

brightness.

BR

ThebatteryBhasaninternalresistanceof5.0andtheresistanceRoftheresistoris

15.

(i) CalculatethecurrentintheresistorR.

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(ii) Determinethee.m.f.ofthebattery.

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