PHYSICS STANDARD LEVEL PAPER 2 - Papers ...PHYSICS STANDARD LEVEL PAPER 2 INSTTINS T NIATES • Write yo sesson ne n e oxes aove. • Do no open s eanaon pape n nsted o do so. •

8810-6505 24 pages

N10/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX

Monday 8 November 2010 (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 2010

0124

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Blankpage

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Turnover


SECTIONA

Answer all the questions in the spaces provided.

A1. Dataanalysisquestion.

A student performs an experiment with a paper toy that rotates as it falls slowly throughtheair.Afterrelease,thepapertoyquicklyattainsaconstantverticalspeedasmeasuredoverafixedverticaldistance.

releaseofpapertoy

papertoy fixeddistance

The aim of the experiment was to find how the terminal speed of the paper toy varieswith its weight. Theweight of the paper toywas changed by using different numbers ofpaper sheets in its construction.

(This question continues on the following page)

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(Question A1 continued)

Thegraphshowsaplotoftheterminalspeedvofthepapertoy(calculatedfromtherawdata)andthenumberofpapersheetsnusedtoconstructthetoy.Theuncertaintyinvforn =1isshownbytheerrorbar.

v/m s–1

0.45

0.40

0.35

0.30

0.25

0.20

0.15

0.10

0.05

0.000 1 2 3 4 5 6 7 n

(a) Thefixeddistanceis0.75 mandhasanabsoluteuncertaintyof0.01 m.Thepercentageuncertaintyinthetimetakentofallthroughthefixeddistanceis5 %.

(i) Calculatetheabsoluteuncertaintyintheterminalspeedofthepapertoyforn = 6.

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[3]

(ii) Onthegraph,drawanerrorbaronthepointcorrespondington = 6. [1]

(b) Onthegraph,drawalineofbest-fitforthedatapoints. [1]


0424

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Turnover



(c) The studenthypothesizes thatv isproportional ton.Usethedatapoints forn = 2andn = 4fromthegraphoppositetoshowthat thishypothesis is incorrect.

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[3]


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(d) Another student hypothesized that v might be proportional to n . To verify thishypothesisheplottedagraphofv2againstnasshownbelow.

v2/m2s–2

0.20

0.18

0.16

0.14

0.12

0.10

0.08

0.06

0.04

0.02

0.00 0 1 2 3 4 5 6 7

n

Explainhowthegraphverifiesthehypothesisthatvisproportionalto n .

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Turnover


A2. In1997ahigh-speedcarofmass1.1´104kgachievedtheworldlandspeedrecord.Thecaraccelerateduniformlyintwostagesasshowninthetable.Thecarstartedfromrest.

Time/s Speedattainedatendofstage/ms–1

Stage1 0.0–4.0 44

Stage2 4.0–12 280

Usethedatatocalculatethe

(a) averageaccelerationofthecarinstage1.

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(b) averagenetforcerequiredtoacceleratethecarinstage2.

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(c) totaldistancetravelledbythecarin12s.

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A3. (a) Drawthecompletediagramofthecircuitthatusesapotentialdivider,ammeter,voltmeterandcelltomeasurethecurrent-voltagecharacteristicsforcomponentX. [3]

X


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Turnover



(b) Thegraphshowsthecurrent-voltagecharacteristicsforthecomponentX.

current/A

– 5 – 4 – 3 – 2 – 1 0 1 2 3 4 5

4

2

0

– 2

– 4

voltage/V

ComponentXisnowconnectedacrosstheterminalsofacellofemf2.0Vandnegligibleinternalresistance.UsethegraphtoshowthattheresistanceofXis0.83Ω.

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[2]

(c) A resistor of constant resistance 1.0Ω is connected in serieswith the cell in (b) andwithX. Usethegraphtodeducethatthecurrentin thecircuitis1.3A.

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SECTIONB

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

B1. Thisquestionisintwoparts.Part1isaboutasimplependulum.Part2isabouttheRutherfordmodeloftheatom.

Part1 Simplependulum

(a) Apendulumconsistsofabobsuspendedbyalightinextensiblestringfromarigidsupport.Thependulumbob ismoved toone side and then released. The sketchgraph showshowthedisplacementofthependulumbobundergoingsimpleharmonicmotionvarieswith timeoverone timeperiod.

displacement

time

Onthesketchgraphabove,

(i) labelwith the letterAapoint atwhich the accelerationof thependulumbob isamaximum. [1]

(ii) label with the letter V a point at which the speed of the pendulum bob isamaximum. [1]

(b) Explainwhythemagnitudeofthetensioninthestringatthemidpointoftheoscillationisgreaterthantheweightofthependulumbob.

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Turnover


(Question B1, part 1 continued)

(c) Thependulumbobismovedtoonesideuntilitscentreis25mmaboveitsrestpositionandthenreleased.

pointofsuspension

25 mm

rigidsupport

0.80 m

pendulumbob

(i) Show that the speed of the pendulum bob at the midpoint of the oscillationis0.70ms–1.

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[2]

(ii) Themassof thependulumbob is0.057kg. Thecentreof thependulumbob is0.80mbelowthesupport.Calculatethemagnitudeofthetensioninthestringwhenthependulumbobisverticallybelowthepointofsuspension.

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(d) The point of suspension of the pendulum bob is moved from side to side with asmall amplitude andat avariabledriving frequency f.

pointofsuspension

pendulumbob

For each value of the driving frequency a steady constant amplitude A is reached.Theoscillationsofthependulumbobarelightlydamped.

(i) Ontheaxesbelow,sketchagraphtoshowthevariationofAwith f. [2]

A

00 f

(ii) Explain,withreferencetothegraphin(d)(i),whatismeantbyresonance.

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Turnover



(e) Thependulumbobisnowimmersedinwaterandthevariablefrequencydrivingforcein (d) is again applied. Suggest the effect this immersion of the pendulumbobwillhaveon theshapeofyourgraph in (d)(i).

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(Question B1 continued)

Part2 Rutherfordmodeloftheatom

(a) Most alphaparticlesused tobombard a thingold foil pass through the foilwithout asignificantchange indirection. A fewalphaparticlesaredeviated from theiroriginaldirection through angles greater than 90. Use these observations to describe theRutherfordatomicmodel.

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Turnover



(b) Theisotopegold-19779

197Au( )isstablebuttheisotopegold-199 79199Au( )isnot.

(i) Outline,intermsoftheforcesactingbetweennucleons,why,forlargestablenucleisuchasgold-197,thenumberofneutronsexceedsthenumberofprotons.

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(ii) Anucleusof79

199Audecaystoanucleusof

80

199Hgwith the emissionof an electron

andanotherparticle. State thenameof thisotherparticle.

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B2. This question is in two parts. Part 1 is about a lightningdischarge. Part 2 is about fuelforheating.

Part1 Lightningdischarge

(a) Defineelectric field strength.

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[2]

(b) A thundercloud can be modelled as a negatively charged plate that is parallel tothe ground.

thundercloud

ground

Themagnitudeofthechargeontheplateincreasesduetoprocessesintheatmosphere.Eventuallyacurrentdischarges fromthe thundercloud to theground.

On the diagram, draw the electric field pattern between the thundercloud base andthe ground. [3]


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–17–

Turnover



(c) ThemagnitudeoftheelectricfieldstrengthEbetweentwoinfinitechargedparallelplatesisgivenbytheexpression

E = σε

0

whereσ isthechargeperunitareaononeoftheplates.

A thundercloudcarries a chargeofmagnitude35C spreadover itsbase. Theareaofthebaseis1.2 ́ 107 m2.

(i) Determinethemagnitudeoftheelectricfieldbetweenthebaseofthethundercloudandtheground.

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(ii) Statetwoassumptionsmadein(c)(i).

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(iii) When the thundercloud discharges, the average discharge current is 1.8kA.Estimatethedischargetime.

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(iv) Thepotentialdifferencebetweenthethundercloudandthegroundbeforedischargeis2.5 ́ 108V.Determinetheenergyreleasedinthedischarge.

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Turnover



Part2 Fuelforheating

(a) Definetheenergy densityofafuel.

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(b) Aroomheaterburns liquidfueland thefollowingdataareavailable.

Densityofliquidfuel = 8.0 ́ 102kgm–3

Energyproducedby1m3ofliquidfuel= 2.7 ́ 1010J Rateatwhichfuelisconsumed = 0.13gs–1

Latentheatofvaporizationofthefuel = 290kJkg–1

(i) Usethedatatocalculatethepoweroutputoftheroomheater,ignoringthepowerrequiredtoconverttheliquidfuelintoagas.

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(ii) Showwhy,inyourcalculationin(b)(i), thepowerrequiredtoconverttheliquidfuel intoagasat itsboilingpointcanbeignored.

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(c) State, in terms of molecular structure and their motion, two differences between aliquidandagas.

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1924

8810-6505


B3. This question is in two parts. Part 1 is about the production of energy in nuclear fission.Part2 isaboutcollisions.

Part1 Productionofenergyinnuclearfission

(a) Apossiblefissionreactionis

92

235

0

1

36

92

56

141

0

1U n Kr Ba x n + → + + .

(i) Statethevalueofx.

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(ii) Show that the energy released when one uranium nucleus undergoes fission inthereaction in (a) isabout2.8 ́ 10–11 J.

Massofneutron = 1.00867 u MassofU-235nucleus = 234.99333 u MassofKr-92nucleus = 91.90645 u MassofBa-141nucleus = 140.88354 u

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(iii) Statehow theenergyof theneutronsproduced in the reaction in (a) is likely tocomparewiththeenergyoftheneutronthatinitiatedthereaction.

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Turnover



(b) Outlinetheroleofthemoderator.

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(c) A nuclear power plant that uses U-235 as fuel has a useful power output of 16 MWandanefficiencyof40 %.AssumingthateachfissionofU-235givesriseto2.8 ́ 10–11 Jofenergy,determine themassofU-235fuelusedperday.

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2124

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Part2 Collisions

(a) Statetheprincipleofconservationofmomentum.

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2224

8810-6505

–23–

Turnover



(b) Inanexperiment,anair-riflepelletisfiredintoablockofmodellingclaythatrestsonatable.

clayblock

pathofair-riflepellet

(nottoscale) 2.8m

Theair-riflepelletremainsinsidetheclayblockaftertheimpact.

Asa resultof thecollision, theclayblockslidesalong the table inastraight lineandcomestorest.Furtherdatarelatingtotheexperimentaregivenbelow.

Massofair-riflepellet =2.0gMassofclayblock =56gVelocityofimpactofair-riflepellet=140ms–1

Stoppingdistanceofclayblock = 2.8 m

(i) Show that the initial speed of the clay block after the air-rifle pellet strikes itis 4.8 m s–1.

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(ii) Calculate the average frictional force that the surface of the table exerts on theclayblockwhilst theclayblock ismoving.

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2324

8810-6505



(c) Discuss theenergy transformations thatoccur in theclayblockand theair-riflepelletfromthemomenttheair-riflepelletstrikestheblockuntiltheclayblockcomestorest.

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(d) The clayblock is dropped from rest from the edgeof the table and falls vertically totheground.Thetableis0.85mabovetheground.Calculatethespeedwithwhichtheclayblockstrikes theground.

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