Physics Candidate session number standard level PaPer 2P2+May+12+TZ… · standard level PaPer 2 ... Section A: answer all questions. Section B: ... Part 1 is about ideal gases and

28 pages

M12/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ2/XX

Thursday 10 May 2012 (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. A calculator is required for this paper. A clean copy of the Physics Data Booklet is required for this paper.The maximum mark for this examination paper is [50 marks].

1 hour 15 minutes

© International Baccalaureate Organization 2012

Candidate session number

0 0

Examination code

2 2 1 2 – 6 5 1 7

0128

22126517

–2– M12/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ2/XX

Section a

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

a1. Dataanalysisquestion.

Metalgirdersareoftenusedinbuildingsthathavebeenconstructedtowithstandearthquakes.Toaidthedesignofthesebuildings,experimentsareundertakentomeasurehowthenaturalfrequency f of horizontal oscillations ofmetal girders varieswith their dimensions. In anexperiment,fwasmeasuredforverticallysupportedgirdersofthesamecross-sectionalareabutwithdifferentheightsh.

metalgirder

horizontaloscillationsoffrequencyf

h

groundsurface

(This question continues on the following page)

0228

–3–

turn over


(Question A1 continued)

Thegraphshowstheplotteddataforthisexperiment.Uncertaintiesinthedataarenotshown.

f/Hz

70

60

50

40

30

20

10

00 5 10 15 20 25 h/m

(a) Drawabest-fitlineforthedata. [1]

(b) It ishypothesized that thefrequency f is inverselyproportional to theheighth.

Bychoosingtwowellseparatedpointsonthebest-fit line thatyouhavedrawnin(a),showthatthishypothesisisincorrect. [4]

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


0328



(c) Anothersuggestionisthattherelationshipbetweenfandhisoftheformshownbelow,wherekisaconstant.

2

kfh

=

Thegraphshowsaplotoffagainst 2h− .

f/Hz

70

60

50

40

30

20

10

00 5 10 15 20 25 30 35 40 45 2 3 210 / mh− − −×

Theuncertaintiesin 2h− aretoosmalltobeshown.

(i) Drawabest-fitlineforthedatathatsupportstherelationship 2

kfh

= . [2]

(ii) Determine,usingthegraph,theconstantk. [3]

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


0428

–5–

turn over



(d) State one reasonwhy the results of the experiment could not be used to predict thenatural frequencyofoscillationforgirdersofheight50m. [1]

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

0528


a2. Thisquestionisaboutkinematics.

(a) Statethedifferencebetweenaveragespeedandinstantaneousspeed. [2]

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(b) Thegraphshowshowtheaccelerationaofaparticlevarieswithtimet.

a/ms–2

4.5

4.0

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 t/s

Attimet=0theinstantaneousspeedoftheparticleiszero.


0628

–7–

turn over



(i) Calculatetheinstantaneousspeedoftheparticleatt=7.5s. [2]

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

(ii) Using theaxesbelow,sketchagraph toshowhowthe instantaneousspeedvoftheparticlevarieswith t. [1]

v

00 t

0728


a3. Thisquestionisaboutnuclearreactions.

(a) ThenuclideU-235isanisotopeofuranium.AnucleusofU-235undergoesradioactivedecaytoanucleusofthorium-231(Th-231).Theprotonnumberofuraniumis92.

(i) Statewhatismeantbythetermsnuclideandisotope. [2]

Nuclide: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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

(ii) OneoftheparticlesproducedinthedecayofanucleusofU-235isagammaphoton.Statethenameofanotherparticlethatisalsoproduced. [1]

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

(b) ThedaughternucleiofU-235undergoradioactivedecayuntileventuallyastableisotopeofleadisreached.

ExplainwhythenucleiofU-235areunstablewhereasthenucleioftheleadarestable. [3]

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


0828

–9–

turn over



(c) Nuclei of U-235 bombarded with low energy neutrons can undergo nuclear fission.Thenuclearreactionequationforaparticularfissionisshownbelow.

1 235 144 89 10 92 56 36 0n U Ba Kr 3 n+ → + +

Show,usingthefollowingdata,thatthekineticenergyofthefissionproductsisabout200MeV. MassofnucleusofU-235 =235.04393u MassofnucleusofBa-144 =143.922952u MassofnucleusofKr-89 = 88.91763u Massofneutron = 1.00867u

[3]

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

0928


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 1isaboutidealgasesandspecificheatcapacity.Part 2isaboutsimpleharmonicmotionandwaves.

Part 1 Idealgasesandspecificheatcapacity

(a) Statetwoassumptionsofthekineticmodelofanidealgas. [2]

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(b) Argonbehavesasanidealgasforalargerangeoftemperaturesandpressures.Onemoleofargonisconfinedinacylinderbyafreelymovingpiston.

(i) Definewhatismeantbythetermone mole of argon. [1]

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


1028

–11–

turn over


(Question B1, part 1 continued)

(ii) Thetemperatureoftheargonis300K.Thepistonisfixedandtheargonisheatedatconstantvolumesuchthatitsinternalenergyincreasesby620J.Thetemperatureoftheargonisnow350K.

DeterminethespecificheatcapacityofargoninJkg–1K–1undertheconditionofconstantvolume.(Themolecularweightofargonis40) [3]

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

(c) Atthetemperatureof350K,thepistonin(b)isnowfreedandtheargonexpandsuntilits temperature reaches300K.

Explain,intermsofthemolecularmodelofanidealgas,whythetemperatureofargondecreasesonexpansion. [3]

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1128


(Question B1 continued)

Part 2 Simpleharmonicmotionandwaves

(a) Oneendofa lightspring isattached toa rigidhorizontalsupport.

rigidhorizontalsupport

spring

Wmass=0.15kg

AnobjectWofmass0.15kgissuspendedfromtheotherendofthespring.Theextensionxof the spring isproportional to the forceF causing theextension. The forceperunitextensionofthespringkis18Nm–1.

A student pullsW down such that the extension of the spring increases by 0.040m.ThestudentreleasesWandasaresultWperformssimpleharmonicmotion(SHM).

(i) Statewhatismeantbytheexpression“WperformsSHM”. [2]

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(ii) DeterminethemaximumaccelerationofW. [2]

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


1228

–13–

turn over



(iii) Determinetheperiodofoscillationofthespring. [3]

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

(iv) DeterminethemaximumkineticenergyofW. [1]

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

(b) Win(a) is immersedinabeakerofoil. Asaresultof this immersion theoscillationsofWarecriticallydamped. Describewhat ismeantbycriticallydamped. [2]

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1328



(c) Aspring,suchasthatin(a),isstretchedhorizontallyandalongitudinaltravellingwaveissetupinthespring,travellingtotheright.

(i) Describe, intermsofthepropagationofenergy,whatismeantbyalongitudinaltravellingwave. [2]

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1428

–15–

turn over



(ii) ThegraphshowshowthedisplacementxofonecoilCofthespringvarieswithtimet.

x/cm 3

2

1

0

–1

–2

–3

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8t/s

Thespeedofthewaveis3.0cms–1.Determinethewavelengthofthewave. [2]

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

(iii) Draw,onthegraphin(c)(ii),thedisplacementofacoilofthespringthatis1.8cmawayfromCinthedirectionoftravelofthewave,explainingyouranswer. [2]

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

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b2. Thisquestion is in two parts. Part 1 is aboutkinematics andmechanics. Part 2 is aboutelectricpotentialdifferenceandelectriccircuits.

Part 1 Kinematicsandmechanics

(a) Definelinear momentum. [1]

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

(b) State,intermsofmomentum,Newton’ssecondlawofmotion. [1]

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

(c) Show,usingyouranswerto(b),howtheimpulseofaforceFisrelatedtothechangeinmomentum p∆ thatitproduces. [1]

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


1628

–17–

turn over



(d) Arailwaytruckonalevel,straighttrackisinitiallyatrest.Thetruckisgivenaquick,horizontalpushbyanenginesothatitnowrollsalongthetrack.

pushfromengine railwaytruck

v=4.3ms–1

TheengineisincontactwiththetruckforatimeT=0.54sandtheinitialspeedofthetruckafterthepushis4.3ms–1.Themassofthetruckis2.2×103kg.

Duetothepush,aforceofmagnitudeFisexertedbytheengineonthetruck.ThesketchshowshowFvarieswithcontacttimet.

F

Fmax

00

2T T t

(i) Determine themagnitude of themaximum forceFmax exerted by the engine onthetruck. [4]

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


1728



(ii) After contactwith the engine (t=0.54s) the truckmoves a distance 15m alongthetrack.Aftertravellingthisdistancethespeedofthetruckis2.8ms–1.Assumingauniformacceleration,calculatethetimeittakesthetrucktotravel15m. [2]

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

(iii) Calculate the average rate atwhich thekinetic energyof the truck is dissipatedasitmovesalongthetrack. [2]

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

(iv) When the speed of the truck is 2.8ms–1 it collides with a stationary truck ofmass3.0×103kg. The twotrucksmoveoff togetherwithaspeedV. ShowthatthespeedV=1.2ms–1. [2]

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turn over



(v) Outline the energy transformations that take place during the collision of thetwotrucks. [2]

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1928



Part 2 Electricpotentialdifferenceandelectriccircuits

(a) Ionizedhydrogenatomsareacceleratedfromrest in thevacuumbetween twoverticalparallelconductingplates.ThepotentialdifferencebetweentheplatesisV.Asaresultoftheaccelerationeachiongainsanenergyof1.9×10–18J.

CalculatethevalueofV. [2]

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

(b) Theplatesin(a)arereplacedbyacellthathasanemfof12.0Vandinternalresistance5.00Ω. A resistor of resistanceR is connected in series with the cell. The energytransferredbythecelltoanelectronasitmovesthroughtheresistoris1.44×10–18J.

(i) Defineresistance ofaresistor. [1]

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

(ii) Describewhatismeantbyinternalresistance. [2]

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


2028

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turn over



(iii) ShowthatthevalueofRis15.0Ω. [4]

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

(iv) Calculatethetotalpowersuppliedbythecell. [1]

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

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–23–

turn over


b3. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutsolarpowerandclimatemodels.Part 2isaboutgravitationalfieldsandelectricfields.

Part 1 Solarpowerandclimatemodels

(a) Distinguish, in terms of the energy changes involved, between a solar heating panelandaphotovoltaiccell. [2]

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

(b) Stateanappropriatedomesticusefora

(i) solarheatingpanel. [1]

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(ii) photovoltaiccell. [1]

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2328



(c) TheradiantpoweroftheSunis3.90×1026W.TheaverageradiusoftheEarth’sorbitabout the Sun is 1.50×1011m. The albedo of the atmosphere is 0.300 and itmay beassumedthatnoenergyisabsorbedbytheatmosphere.

Show that the intensity incident on a solar heating panel at theEarth’s surfacewhentheSun isdirectlyoverhead is966Wm–2. [3]

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

(d) Show, using your answer to (c), that the average intensity incident on the Earth’ssurfaceis242Wm–2. [3]

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2428

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turn over



(e) Assuming that the Earth’s surface behaves as a black-body and that no energy isabsorbedbytheatmosphere,useyouranswerto(d)toshowthattheaveragetemperatureoftheEarth’ssurfaceispredictedtobe256K. [2]

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

(f) Outline,with reference to thegreenhouseeffect,why theaveragesurface temperatureof theEarth ishigher than256K. [4]

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


2528



Part 2 Gravitationalfieldsandelectricfields

(a) Themagnitudeofgravitationalfieldstrengthgisdefinedfromtheequationshownbelow.

gFg

m=

ThemagnitudeofelectricfieldstrengthEisdefinedfromtheequationshownbelow.

EFEq

=

Foreachofthesedefiningequations,statethemeaningofthesymbols

(i) gF . [1]

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

(ii) EF . [1]

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(iii) m. [1]

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2628

–27–

turn over



(iv) q. [1]

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(b) In a simple model of the hydrogen atom, the electron is regarded as being in acircular orbit about the proton. The magnitude of the electric field strength at theelectrondue to the proton is pE . Themagnitudeof the gravitationalfield strength attheelectronduetotheprotonis pg .

(i) Drawtheelectricfieldpatternoftheprotonalone. [2]


2728



(ii) Determinetheorderofmagnitudeoftheratioshownbelow.

p

p

Eg

[3]

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