22096511 - IB Documents

2209-6511 20 pages

M09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+

Tuesday 12 May 2009 (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 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 2009

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0 1 2 0

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–2– M09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+

Section a

Answer all the questions in the spaces provided.

a1. Thisquestionisaboutelectricalresistanceofthemetalmercury.

TheresistanceRofasampleofmercurywasmeasuredasafunctionofthetemperature Tofthe sample. The samplewascooledanddatapointswere takenat temperature intervalsof0.2K.TheuncertaintiesinRandTaretoosmalltobeshownonthegraph.

R/Ω

6

5

4

3

2

1

02 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7

T/K

Thehypothesisisthatresistanceisproportionaltoabsolutetemperaturefortemperaturesgreaterthan4.5K.

(a) (i) Suggestwhetherthedatasupportsthehypothesis.

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(ii) Drawalineofbestfitthroughthedata. [2]

(b) State the value of R for which the rate of change of resistance of the sample withtemperatureisleast.

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(This question continues on the following page)

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turn over


(Question A1 continued)

(c) AtatemperatureTCtheresistancesuddenlybecomeszero.

(i) UsethegraphtodeterminethepossiblerangeofthetemperatureTC.

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(ii) State, to the correct number of significant figures, the value of TC and itsuncertainty.

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(iii) OutlinehowthetemperatureTCcouldbemeasuredmoreprecisely.

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(d) OutlinetworeasonswhyyoucouldnotusethedatatodetermineanaccuratevalueforRatroomtemperature.

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a2. Thisquestionisaboutimpulse.

(a) AnetforceofmagnitudeFactsonabody.Definetheimpulse Ioftheforce.

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(b) Aballofmass0.0750kgistravellinghorizontallywithaspeedof2.20ms–1.Itstrikesaverticalwallandreboundshorizontally.

2.20 m s–1

ball mass0.0750 kg

Duetothecollisionwiththewall,20%oftheball’sinitialkineticenergyisdissipated.

(i) Showthattheballreboundsfromthewallwithaspeedof1.97ms–1.

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(ii) Showthattheimpulsegiventotheballbythewallis0.313Ns.

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(Question A2 continued)

(c) Theballstrikesthewallattimet =0andleavesthewallattimet =T.

ThesketchgraphshowshowtheforceFthatthewallexertsontheballisassumedtovarywithtimet.

T t

F

00

ThetimeTismeasuredelectronicallytoequal0.0894s.

Usetheimpulsegivenin(b)(ii)toestimatetheaveragevalueofF.

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a3. Thisquestionisaboutenergytransfers.

(a) Energy degradation takes place in the energy transformations which occur in thegeneration of electrical power. Explain what is meant in this context by energydegradation.

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Some of the energy transformations that take place in a coal-fired power station arerepresentedbytheSankeydiagrambelow.

w

A

B

C

Dynamo(generator)

BoilerCoal

(b) (i) Statewhatisrepresentedbythewidthw.

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(ii) At the three places marked A, B and C on the diagram, energy is degraded.Identifytheprocessbywhichtheenergyisdegradedineachoftheplaces.

A: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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B: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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C: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Section b

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

b1. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutgreenhouseeffectandPart 2isaboutmotionofaballfallinginoil.

Part 1 Greenhouseeffect

(a) Thegraphshowspartoftheabsorptionspectrumofnitrogenoxide N O2( ) inwhichtheintensityofabsorbedradiationAisplottedagainstfrequencyf.

A /arbitraryunits

0 1 2 3 4 5 6f/×1013Hz

(i) Statetheregionoftheelectromagneticspectrumtowhichtheresonantfrequencyofnitrogenoxidebelongs.

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(ii) Using your answer to (a)(i), explain why nitrogen oxide is classified as agreenhousegas.

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(Question B1, part 1 continued)

(b) Defineemissivityandalbedo.

Emissivity:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Albedo: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(c) ThediagramshowsasimpleenergybalanceclimatemodelinwhichtheatmosphereandthesurfaceofEartharetwobodieseachatconstanttemperature.ThesurfaceoftheEarthreceivesbothsolarradiationandradiationemittedfromtheatmosphere.AssumethattheEarth’ssurfacebehavesasablackbody.

242K

solarradiationatmosphericradiation

344 2Wm−

atmosphereα=0.280

e=0.720

Earth’ssurface

288K

Thefollowingdataareavailableforthismodel.

averagetemperatureoftheatmosphereofEarth =242K emissivity,eoftheatmosphereofEarth =0.720 averagealbedo,αoftheatmosphereofEarth =0.280 solarintensityattopofatmosphere =344Wm–2

averagetemperatureofthesurfaceofEarth =288K


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(Question B1, Part 1 (c) continued)

Usethedatatoshowthatthe

(i) powerradiatedperunitareaoftheatmosphereis140Wm–2.

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(ii) solarpowerabsorbedperunitareaatthesurfaceoftheEarthis248Wm–2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(d) Itishypothesizedthat,iftheproductionofgreenhousegasesweretostayatitspresentlevel then the temperature of the Earth’s atmospherewould eventually rise by 6.0K.Calculatethepowerperunitareathatwouldthenbe

(i) radiatedbytheatmosphere.

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(ii) absorbedbytheEarth’ssurface. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(e) Estimate,usingyouranswerto(d)(ii),theincreaseintemperatureofEarth’ssurface.

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(Question B1 continued)

Part 2 Motionofaballfallinginoil

(a) Distinguishbetweenaveragespeedandinstantaneousspeed.

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(b) A small steel ball of mass M is dropped from rest into a long vertical tube thatcontains oil.

Thesketchgraphshowshowthespeedvoftheballvarieswithtimet.

v

00 t1 t2 t

Explain how youwould use the graph to find the average speed of the ball betweent = 0 and t t= 1 .

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(c) Thegradientofthegraphat t t= 1 isk. Deduceanexpressionintermsofk,Mandg,the acceleration of free fall, for themagnitude of the frictional forceF acting on theballat t t= 1 .

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(d) Stateandexplainthemagnitudeofthefrictionalforceactingontheballat t t= 2 .

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[3]

1 1 2 0

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b2. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutsimpleharmonicmotionandwavesandPart 2isaboutthedecayofradium-226.

Part 1 Simpleharmonicmotionandwaves

(a) Aparticleofmassmthatisattachedtoalightspringisexecutingsimpleharmonicmotioninahorizontal direction.

Statetheconditionrelatingtothenetforceactingontheparticlethatisnecessaryforittoexecutesimpleharmonicmotion.

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[2]

(b) The graph shows how the kinetic energy EK of the particle in (a) varies with thedisplacementxoftheparticlefromequilibrium.

0.07

0.06

0.05

0.04

0.03

0.02

0.01

0

EK/J

x/m–0.05 –0.04–0.03–0.02–0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05

(i) Usingtheaxesabove,sketchagraphtoshowhowthepotentialenergyoftheparticlevarieswiththedisplacementx. [2]


1 2 2 0

2209-6511

–13–

turn over


(Question B2, Part 1 continued)

(ii) Themass of the particle is 0.30kg. Use data from the graph to show that thefrequencyfofoscillationoftheparticleis2.0Hz.

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[4]

(c) TheparticlesofamediumM1 throughwhicha transversewave is travelling,oscillatewiththesamefrequencyandamplitudeasthatoftheparticlein(b).

(i) Describe,withreferencetothepropagationofenergythroughthemedium,whatismeantbyatransversewave.

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[2]

(ii) Thespeedofthewaveis0.80ms–1.Calculatethewavelengthofthewave.

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[1]


1 3 2 0

2209-6511


(Question B2, part 1 (b) continued)

(d) Thediagramshowswavefrontsofthewavesin(c)incidentonaboundaryXYbetweenmediumM1andanothermediumM2.

wavefronts

normal

directionoftravel 30º

M1 M2

Y

X

Theanglebetweenthenormal,andthedirectionoftravelofthewavefrontsis30°° .

(i) ThespeedofthewaveinM1is0.80ms–1.ThespeedofthewavesinM2is1.2ms

–1.Calculate the anglebetween thedirectionof travelof thewavefronts inM2 andthenormal.

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[3]

(ii) Onthediagram,sketchthewavefrontsinM2. [1]


1 4 2 0

2209-6511

–15–

turn over



Part 2 Decayofradium-226

(a) Anucleusoftheisotoperadium-226(Ra)undergoesα-decaywithahalflifeof1 6 103. × yrtoformanucleusofradon(Rn).

Definethetermsisotopeandhalf-life.

Isotope: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Half-life: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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[2]

(b) Using the grid below, sketch a graph to show how the activity A of a sample ofradium-226(Ra)wouldbeexpectedtovarywithtimetoveraperiodofabout5 0 103. × yr .Theactivityofthesampleattime t = 0 isA0. [3]

A0

A

1 2 3 4 50t/×103yr


1 5 2 0

2209-6511


(Question B2, Part 2 continued)

(c) Thenuclearreactionequationforthedecayofradium-226(Ra)maybewrittenas

88226Ra Rn= + α

(i) State the value of the proton number and neutron number of the isotope ofradon(Rn).

Protonnumber: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Neutronnumber:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(ii) OutlinewhythebindingenergyofRaislessthanthatofRn.

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(d) Thefollowingdataareavailable.

massofRa =226.0254u massofRn =222.0175u massofα =4.0026u

ShowthattheenergyreleasedinthedecayofaRanucleusis4.94MeV.

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1 6 2 0

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–17–

turn over


b3. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutinternalenergy,heatandidealgasesandPart 2isaboutelectricfieldsandelectriccircuits.

Part 1 Internalenergy,heatandidealgases

(a) Theinternalenergyofapieceofcopperisincreasedbyheating.

(i) Explainwhatismeant,inthiscontext,byinternalenergyandheating.

Internalenergy: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Heating: .........................................................

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

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

[3]

(ii) Thepieceofcopperhasmass0.25kg.Theincreaseininternalenergyofthecopperis 1 2 103. × J and its increase in temperature is 20K. Estimate the specificheatcapacityofcopper.

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(b) Anidealgasiskeptinacylinderbyapistonthatisfreetomove.Thegasisheatedsuchthatitsinternalenergyincreasesandthepressureremainsconstant.Usethemolecularmodelofidealgasestoexplain

(i) theincreaseininternalenergy.

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(ii) howthepressureremainsconstant.

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1 7 2 0

2209-6511



Part 2 Electricfieldsandelectriccircuits

(a) Twoparallel,chargedmetalplatesAandBareinavacuum.

+ + + + + + +A

B

P•

– – – – – – –

AtaparticularinstantanelectronisatpointP.

Onthediagram,draw

(i) theelectricfieldpatternduetotheplates.

(ii) anarrowtorepresentthedirectionoftheforceontheelectronatP.

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[1]

(b) TheaccelerationoftheelectronatPis 8 8 1014. × ms−2.DeterminethemagnitudeoftheelectricfieldstrengthatthepointP.

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(c) Theelectricpotentialenergyoftheelectronchangesby1 9 10. × −17 J asitmovesfromoneplatetotheother.Showthatthepotentialdifferencebetweentheplatesis120V.

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1 8 2 0

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–19–

turn over



(d) AresistorRandafilamentlampLareconnectedinserieswithabattery.Thebatteryhasanemfof12Vandinternalresistance4.0.Thepotentialdifferenceacrossthefilamentofthelampis3.0Vandthecurrentinthefilamentis0.25A.

12V

R L

(i) Defineemf anddescribetheconceptofinternalresistance.

emf:

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Internalresistance:

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(ii) Calculatethetotalpowersuppliedbythebattery.

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(iii) Calculatethepowerdissipatedintheexternalcircuit.

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2209-6511


(Question B3, part 2 (d) continued)

(iv) DeterminetheresistanceoftheresistorR.

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2 0 2 0