Physics hiGhER lEvEl PaPER 2 - St Leonard's College · 2014. 6. 2. · Physics hiGhER lEvEl PaPER 2 INSTRUCTIONS TO CANDIDATES • Write your session number in the boxes above. •

2210-6508 29 pages

M10/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX+

Monday 10 May 2010 (afternoon)

PhysicshiGhER 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 two questions 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.

2 hours 15 minutes

Candidate session number

0 0

© International Baccalaureate Organization 2010

2 2 1 0 6 5 0 8

0 1 2 9

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–2– M10/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX+

Blankpage

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–3–

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SecTion a

Answer all the questions in the spaces provided.

a1. Thisquestionisaboutelectricalresistance.

ThegraphshowsthevariationwithtemperatureToftheresistanceRofanelectricalcomponent.

250 300 350 4000

1000

2000

3000

4000

5000

6000

(a) Astudenthypothesizesthat theresistanceis inverselyproportional to thetemperature.Usedatafromthegraphtoshowwhetherthehypothesisissupported.

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[3]

(This question continues on the following page)

R / Ω

T / K

0 3 2 9

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(Question A1 continued)

(b) Asecondstudentsuggeststhattherelationshipisoftheform

lg = +R a b

T whereaandbareconstants.

Thestudentplotsthegraphbelow.Errorbarshavebeenincludedforthesakeofclarity.

–3

–2

–1

0

1

2

3

4

1 2 3 40

5


lg(R

/ Ω

)

1 10 3 1T/ K× − −

0 4 2 9

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–5–

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(i) Explainhowthegraphdrawncouldbeusedasevidencetosupportthestudent’ssuggestion.

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[2]

(ii) Usethegraphtodeterminetheconstantsaandb.

b: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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a: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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[4]

(iii) Usingyouranswersto(b)(ii),determineavaluefortheresistanceofthecomponentatatemperatureof260K.

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

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0 5 2 9

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a2. Thisquestionisaboutforces.

Anathletetrainsbydraggingaheavyloadacrossaroughhorizontalsurface.

F

TheathleteexertsaforceofmagnitudeFontheloadatanangleof25 tothehorizontal.

(a) Oncetheloadismovingatasteadyspeed,theaveragehorizontalfrictionalforceactingontheloadis470N.

CalculatetheaveragevalueofFthatwillenabletheloadtomoveatconstantspeed.

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[2]

(b) Theloadismovedahorizontaldistanceof2.5kmin1.2hours.

Calculate

(i) theworkdoneontheloadbytheforceF.

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

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[2]

(ii) theminimumaveragepowerrequiredtomovetheload.

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[2]


25

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–7–

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(c) Theathletepullstheloaduphillatthesamespeedasinpart(a).

Explain,intermsofenergychanges,whytheminimumaveragepowerrequiredisgreaterthanin(b)(ii).

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[2]

0 7 2 9

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a3. Thisquestionisaboutsolarheatingpanels.

(a) Avillageconsistsof120houses.Itisproposedthatsolarpanelsbeusedtoprovidehotwatertothehouses.

Thefollowingdataareavailable.

averagepowerneededperhousetoheatwater = 3 0. kW averagesurfacesolarintensity = −650 2Wm efficiencyofenergyconversionofasolarpanel =18%

Calculatetheminimumsurfaceareaofthesolarpanelsrequiredtoprovidethetotalpowerforwaterheating.

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[3]

(b) Suggesttwodisadvantagesofusingsolarpowertoprovideenergyforheatingwater.

1:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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[2]

0 8 2 9

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a4. Thisquestionisaboutagenerator.

(a) Defineelectromotive force.

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[1]

(b) Thegraphshowsthevariationwithtimeofelectromotiveforce(emf)foragenerator.

emf/V

1500

1000

500

0

–500

–1000

–1500

0 0.01 0.02 0.03 0.050.04 time/s

(i) Calculatethermsvalueoftheemfofthegenerator.

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[2]

(ii) Thespeedofrotationofthegeneratorishalvedwithnootherchangesbeingmade.

Onthegraph,sketchthevariationofemfwithtime. [2]

(iii) Explainwhythegraphyoudrewin(ii)isdifferentfromtheoriginalgraph.

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0 9 2 9

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a5. Thisquestionisaboutanidealgas.

(a) Thegraphshowsapressure-volume(P–V)relationshipforafixedmassofanidealgas.

p/105Pa

11109876543210

B C

A

0 0.5 1 1.5 2

V /10–3m3

Thegasundergoesathree-stagecycleAB,BCandCA. (i) Identifytheisochoric(isovolumetric)changeofstate.

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[1]

(ii) UsedatafromthegraphtoshowthatthechangeABisisothermal.

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[3]

(iii) Statethetwochangesforwhichthermalenergyistransferredfromthegas.

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[1]


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(iv) CalculatetheworkdonebythegasinthechangeBC.

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(b) Theamountofgasinpart(a)is0.74mol.

Calculatethemaximumtemperatureofthegasduringthecycleinpart(a).

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(c) ThefixedmassofgasisheatedfromtemperatureT1toT2atconstantvolume.Explainwhy,ifthisfixedmassofgasisheatedfromT1toT2atconstantpressure,theamountofenergyrequiredisdifferent.

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SecTion b

This section consists of four questions: B1, B2, B3 and B4. Answer two questions.

b1. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutsolarradiation.Part 2isaboutcharge-coupleddevices(CCDs).

Part 1 Solarradiation

(a) StatetheStefan–Boltzmannlawforablackbody.

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(b) ThefollowingdatarelatetotheEarthandtheSun.

Earth-Sundistance = 111.5 10 m× radiusofEarth = 66.4 10 m× radiusofSun = 87.0 10 m× surfacetemperatureofSun =5800K

(i) UsedatafromthetabletoshowthatthepowerradiatedbytheSunisabout4 1026× W.

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(ii) CalculatethesolarpowerincidentperunitareaatadistancefromtheSunequaltotheEarth’sdistancefromtheSun.

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1 2 2 9

2210-6508

–13–

Turn over


(Question B1, part 1 continued)

(iii) The average power absorbed per unit area at the Earth’s surface is 240Wm−2 .Statetworeasonswhythevaluecalculatedin(b)(ii)differsfromthisvalue.

1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(iv) Showthat thevalueforpowerabsorbedperunitareaof240Wm−2 isconsistentwithanaverageequilibriumtemperatureforEarthofabout255K.

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(c) Explain,byreferencetothegreenhouseeffect,whytheaveragetemperatureofthesurfaceoftheEarthisgreaterthan255K.

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(d) SuggestwhytheburningoffossilfuelsmayleadtoanincreaseinthetemperatureofthesurfaceoftheEarth.

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1 3 2 9

2210-6508


(Question B1 continued)

Part 2 Charge-coupleddevices(CCDs)

(a) ListtwoadvantagesofusingCCDsascomparedtousingfilmforimagecapture.

1:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(b) ACCDusedtocaptureX-rayimagesconsistsofasquare26000 26000× arrangementofpixels.Eachpixelproduces16levelsofinformation.ImagescapturedbytheCCDarestoredonadiskwhichcanstoreamaximumof4 0 1011. × bitsofdata.

Determinethenumberofimagesthatmaybestoredononedisk.

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(c) Outline

(i) howX-raysincidentonapixelinaCCDproduceavoltagesignal.

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(ii) howvoltagesignalssuchasthatin(c)(i)areusedtostoretheX-rayinformation.

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2210-6508

–15–

Turn over


b2. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutwaterwaves.Part 2isaboutprojectilemotion.

Part 1 Waterwaves

A small sphere, mounted at the end of a vertical rod, dips below the surface of shallowwaterinatray.Thesphereisdrivenverticallyupanddownbyamotorattachedtotherod.Theoscillationsofthesphereproducetravellingwavesonthesurfaceofthewater.

water surfacerod

sphere

(a) Statewhatismeantbyatravelling(progressive)wave.

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(b) The diagram shows how the displacement of thewater surface at a particular instantin timevarieswith distance from the sphere. Theperiodof oscillationof the sphereis0.027s.

displacement/mm1.5

1.0

0.5

0

–0.5

–1.0

–1.5

0 5 10 15 distance/mm

Usethediagramtocalculate,forthewave,

(i) theamplitude.

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(ii) thewavelength.

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(iii) thefrequency.

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(iv) thespeed.

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1 6 2 9

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Turn over



(c) ThewavemovesfromregionAintoaregionBofshallowerwater. ThewavesmovemoreslowlyinregionB.Thediagram(nottoscale)showssomeofthewavefrontsinregionA.

region A region B

direction of motion

(i) Onthediagram,drawthreelinestocompletethewavefrontsinregionB. [2]

(ii) Theorysuggeststhatthewavespeedcisrelatedtothewaterdepthdby

c gd=

wheregisaconstant.

TherefractiveindexforwavestravellingfromregionAtoregionBis1.4.

Determinethefollowingratio.

waterdepthinAwaterdepthinB

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60

1 7 2 9

2210-6508



(d) Anothersphereisdippedintothewater. Thespheresoscillateinphase. Thediagramshows some lines in regionA along which the disturbance of the water surface is aminimum.

(i) Outlinehowtheregionsofminimumdisturbanceoccuronthesurface.

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(ii) Thefrequencyofoscillationofthespheresisincreased.

Stateandexplainhowthiswillaffectthepositionsofminimumdisturbance.

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(This question continues on page 20)

linesofminimumdisturbance

wavefront

1 8 2 9

2210-6508

–19–

Turn over


Blankpage

1 9 2 9

2210-6508



Part 2 Projectilemotion

Asphereisprojectedhorizontally.Thesphereisphotographedatintervalsof0.10s.Theimagesofthesphereareshownagainstagridonthediagram.Airresistanceisnegligible.

horizontaldistance/m

verticaldistance/m

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.50

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8


2 0 2 9

2210-6508

–21–

Turn over



(a) Usedatafromthediagramtodeterminetheaccelerationoffreefall.

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(b) Determinethespeedofthesphere1.2safterrelease.

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(c) Onthegrid,drawthepathofthesphereassumingairresistanceisnotnegligible. [2]

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b3. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutnucleardecayandionization.Part 2isaboutradiowaves.

Part 1 Nucleardecayandionization

(a) Anucleusof radium-91 91226 Ra( ) undergoesalphaparticledecay to formanucleusof

radon(Rn).

IdentifytheprotonnumberandnucleonnumberofthenucleusofRn.

Protonnumber: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Nucleonnumber: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(b) Immediatelyafter thedecayofastationary radiumnucleus, thealphaparticleand theradonnucleusmoveoffinoppositedirectionsandatdifferentspeeds.

radonα

(i) Outlinethereasonsfortheseobservations.

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(ii) Showthattheratio

initialkineticenergyofalphaparticleinitialkineticeneergyofradonatom

isabout56.

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Turn over



(c) The initial kinetic energy of the alpha particle is 4.9MeV. As the alpha particlepasses throughair, it losesall itskineticenergybycausing the ionizationof 1 7 105. × airmolecules.

(i) Statewhatismeantbyionization.

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(ii) Estimate,injoules,theaverageenergyneededtoionizeanairmolecule.

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(d) Outlinewhyabetaparticlehasalongerrangeinairthananalphaparticleofthesameenergy.

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Part 2 Radiowaves

A satellite is travelling directly away from a space shuttle with a speed of 7 9 1. kms− .Thesatelliteistransmittingradiowavesoffrequency150.000000MHz.

(a) (i) Calculate the frequency towhich an astronaut on the shuttlewill need to set areceiverinordertoreceivethesignalfromthesatellite.

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(ii) Thesatellitenowpassesclosetoasecondspaceshuttle.Describethechangesthatwillneedtobemadetothesettingofthereceiverasthesatelliteapproachesandmovesawayfromthesecondshuttle.

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(iii) Suggestwhytheformulausedinthecalculationin(a)(i)wouldnotbesuitableforradiationfromadistantgalaxymovingawayfromtheEarthat 90%ofthespeedoflight.

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Turn over



(b) Aspaceshuttleorbitsataheightof300kmabove thesurfaceof theEarth. Itcarriestwo panels separated by a distance of 24m. The panels reflect light of wavelength500nmtowardsanobserverontheEarth’ssurface.

Theobserverviewsthepanelswithatelescopeofaperturediameter85mm.Thepanelsactaspointsourcesoflightfortheobserver.

(i) DescribewhatismeantbytheRayleighcriterion.

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(ii) Determinewhethertheimagesofthepanelsformedbythetelescopewillberesolved.

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b4. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutanelectricalheater.Part 2isaboutthehydrogenatom.

Part 1 Electricalheater

Anelectricalheaterconsistsoftwoheatingelements 1E andE2 .Theelementsareconnectedinparallel.Eachelementhasaswitchandisconnectedtoasupplyofemf240V.Thesupplyhasnegligibleinternalresistance.

240 V supply

ElementE1 ismadefromwirethathasacross-sectionalareaof8 26.8 10 m−× .Theresistivity

ofthewireattheoperatingtemperatureoftheelementis1 1 10 6. × − Ωm.

(a) (i) Thetotallengthofwireis4.5m.Showthattheresistanceof 1E is73Ω .

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(ii) Calculatethepoweroutputof 1E withonlythiselementconnectedtothesupply.

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(iii) Element E2 ismadeofwireof thesamecross-sectionandmaterialas 1E . Thelengthofwireusedtomake E2 is1.5m.Determinethetotalpoweroutputwhenboth 1E andE2 areconnectedtothesupply.

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1E

E2

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Turn over



(iv) Withreferencetothepoweroutput,explainwhyitwouldbeinappropriatetoconnecttheheatingelementsinseries.

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(b) Eachelementintheelectricalheateriswoundasacoilasshown.

Eachturnofthecoilmaybeconsideredtoactasacurrent-carryinglongstraightwire.

(i) On the diagram, draw the magnetic field around a current-carrying longstraightwire.Thearrowshowsthedirectionofthecurrent. [3]

eye

current-carryingwire

M10/2/A2MGR/HP1/GRE/TZ0/XX

(ii) Stateandexplainwhethertheturnsofwirewillattractorrepeloneanother.

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Part 2 Thehydrogenatom

(a) Aparallelbeamofvisiblelightisshonethroughmonatomichydrogengas.

Theradiationemergingfromthegasisanalysedbycomparingtheincidentandemergingintensitiesatvariouswavelengths.Itisfoundthatatawavelengthof490nmtheintensityoftheemergentbeamisgreatlyreduced.

Thediagramshowssomeoftheelectronenergystatesofthehydrogenatomwherenisthequantumnumberoftheenergylevel.

energy/eV

0

–0.85

–1.51

–3.4

–13.6

n = 4

n = 3

n = 2

n =1

(i) Calculatetheenergy,ineV,ofaphotonoflightofwavelength490nm.

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(ii) Useyouranswerin(a)(i)andtheenergyleveldiagramtoexplainthereductioninintensityoftheemergentbeam.

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(b) OutlinehowtheSchrödingermodelofthehydrogenatomleadstotheideaofdiscreteelectronenergystates.

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Physics hiGhER lEvEl PaPER 2 - St Leonard's College · 2014. 6. 2. · Physics hiGhER lEvEl PaPER 2 INSTRUCTIONS TO CANDIDATES • Write your session number in the boxes above. •