Sample Unit Tests and Mark Schemes

G CE

Specim en Pa pers w ith M a rk Schem es

Ed excel Ad va nced Su bsid ia ry G CE inPhysics (Sa lters Horners) (8552)First exa m ina tion 20 0 1Ed excel Ad va nced G CE in Physics(Sa lters Horners) (9552)First exa m ina tion 20 0 2J a nu a ry 20 0 0

ii

Contents

Q u estion Pa persU nit Test 1 p 1

U nit Test 2 p 15

U nit Test 4 p 29

U nit Test 5(ii) p 41

U nit Test 6: Synoptic p 49

M a rk Schem esG enera l Notes

U nit Test 1

p 57

p 58

U nit Test 2 p 61

U nit Test 4 p 65

U nit Test 5(ii) p 71

U nit Test 6: Synoptic p 73

iii

The G CE a w a rd ing bod ies ha ve prepa red newspecifica tions to incorpora te the ra ng e of fea tu resrequ ired by the new G CE a nd su bject criteria . Thespecim en a ssessm ent m a teria l a ccom pa nying thenew specifica tions is provid ed to g ive centres area sona ble id ea of the g enera l sha pe a nd cha ra cterof the new pla nned qu estion pa pers in a d va nce ofthe first opera tiona l exa m ina tion.

1

For exa m iner’s u seonly

For Tea m Lea d er’su se only

Centre Nu m ber Pa per Reference Su rna m e

Ca nd id a te Nu m ber Ca nd id a te Sig na tu re Other Na m es

6761/0 1

Ed excel G CESa lters Horners PhysicsU nit Test PSA1

Ad va nced Su bsid ia ry / Ad va ncedSpecim en U nit TestTim e: 1 hou r 30 m inu tesM a teria ls requ ired for the exa m ina tion

Nil

Item s inclu d ed w ith these qu estion pa pers

Nil

Instru ctions to Ca nd id a tesIn the boxes a bove, w rite you r Centre Nu m ber, Ca nd id a te Nu m ber, the Pa per Reference, you rsig na tu re, you r su rna m e a nd other na m es.The Pa per Reference is show n tow a rd s the top left-ha nd corner of the pa g e. If m ore tha n one Pa perReference is show n, you shou ld w rite the one for w hich you ha ve been entered .In ca lcu la tions you shou ld show a ll the steps in you r w ork ing , g iving you r a nsw er a t ea ch sta g e.Ca lcu la tors m a y be u sed .Inclu d e d ia g ra m s in you r a nsw ers w here these a re helpfu l.

Inform a tion for Ca nd id a tesThe m a rk s for ind ivid u a l qu estions a nd the pa rts of qu estions a re show n in rou nd bra ck ets.There a re 6 qu estions in this qu estion pa per. The tota l m a rk s for this pa per is 60 .

Ad vice to Ca ndid a tesYou w ill be a ssessed on you r a bility to org a nise a nd present inform a tion, id ea s, d escriptions a nda rg u m ents clea rly a nd log ica lly, ta k ing a ccou nt of you r u se of g ra m m a r, pu nctu a tion a nd spelling .

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Q u estionnu m ber

Lea veBla nk

1

2

3

4

5

6

Tota l

2

1. The forces acting on the hands and feet of a rock climber change continually as the climbermoves across the rock face.

A climber of mass 70 kg who is carrying a rucksack of mass 20 kg is in the process ofmoving his right foot to new toehold. In the diagram he is temporarily at rest whilst lookingfor a suitable position for his foot.

What is the total weight W of the climber and his load?

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...… … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...… … … … …

W = … … … … … … … … … … … … … … ...… … … ..(2 marks)

Show that the vertical components of the 200 N and 550 N forces add up to approximately700 N.

… … … … … ..… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … ..… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … ..… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … ..… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …(2 marks)

The climber is in equilibrium. What do you understand by the term equilibrium?

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..…

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …(1 mark)

F

not to scale

200 N

550 N

37o

30o

14o

Free footW

3

Calculate the magnitude of force F.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..…

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

F = … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..(2 marks)

The climber sees a suitable position and accelerates his free foot vertically upwards.Discuss the effect this might have on the force exerted on the other foot.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …(2 marks)

(Total 9 marks)__________________________________________________________________________

4

2. The diagram shows a cross-section through a compact disc.

The metal layer of a CD is the recording surface and contains narrow ridges, which form aspiral around the disc.

Red monochromatic laser light of wavelength 780 nm is used to view these ridges. Whenthe light meets a ridge some of it scatters in all directions and some interferes destructivelywith light reflected from neighbouring valleys.

Explain the meaning of the words in italics in the passage above.

Monochromatic… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

Interferes destructively … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (2 marks)

Calculate the frequency of the red laser light.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

Frequency = … … … … … … … … … … … … … … … .… … … .

The refractive index of the plastic protective coating is 1.55. What is the speed of the laserlight in the plastic coating?

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

Speed = … … … … … … … … … …

Metal layer

Clear plastic protective coating

Laser light

5

Show that the wavelength of the laser light in the plastic coating is approximately 500 nm.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...… .....…

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

Wavelength = … … … … … … … … … … … … … … … … .… ...(4 marks)

The height of the ridges on a CD is approximately 125 nm. Use your last answer to explainhow destructive interference occurs.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …(3 marks)

The infrared laser standard was fixed in 1980 because of the reliability and availability ofrelatively inexpensive lasers, which emit at 780 nm. However, blue light lasers are nowbeing developed. These emit a wavelength about one half that of the red light lasers.

Will it be possible to play existing CDs using blue light laser CD players? Explain youranswer.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …(2 marks)

(Total 11 marks)__________________________________________________________________________

6

3. The passage below is taken from the marketing material supplied by a manufacturer ofelectrically heated showers.

Most electric showers draw cold water direct from the main supply and heatit as it is used – day or night. Not only are they particularly useful for thosewho do not have a stored water supply, but they are versatile because everyhome can have one.

Write a word equation to describe the energy transfer which takes place in an electricshower.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ....… …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …(2 marks)

Rewrite the equation using the appropriate formulae.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … … ..

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (1 mark)

The technical data supplied by one manufacturer states that their most powerful showersystem is fitted with a 10.8 kW heating element and can deliver up to 16 litres of water perminute.

Show that the showering temperature is about 25° C if the temperature of the mains water is15° C and the shower is used at its maximum settings.

(Specific heat capacity of water = 4200 J kg-1 K-1

Mass of 1 litre of water = 1.0 kg)

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … … … … … ..… … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … … … … … ..… …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … … ..… …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … ..… … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … ..

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …(3 marks)

7

The marketing material includes the statement:

Please remember that during the colder months, flow rates may need to bereduced to allow for the cooler temperature of incoming cold water.

Calculate the flow rate required for an output of 40° C when the incoming water temperatureis 10° C.

… … ..… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … … … … … …

… … … … … ..… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … … … … …

… … … … … … … … ..… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … … …

… … … … … … … … … … … ..… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … … …

Flowrate = … .… … … … … … … … … ..… … … … … .(2 marks)

The maximum steady current drawn by the unit is about 45 A. However, when the showeris first turned on the current is much higher for a short time. Suggest a possible explanation.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … (1 mark)

(Total 9 marks)__________________________________________________________________________

8

4. A floating fire tender is testing its pumps. The hose in use is being directed verticallyupwards but the water is being blown to the left by a strong sideways wind.

The scale diagram below traces the path of one water droplet in the jet.

Use the scale diagram to find h1, the height above sea level of the outlet of the hose.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … …

Use the scale diagram to find h2, the maximum height above sea level of the droplet.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..…(2 marks)

By considering the vertical motion of the droplet and ignoring the effect of air resistance,

(i) show that the vertical velocity of the water leaving the hose is approximately19 m s-1

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… …(2 marks)

(ii) calculate the time taken for the droplet to reach its maximum height.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .…

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… …

Time = … … … … … … … … … … … … … … .… … ...(2 marks)

10 m

10 mscale

sea level

h1

h2

9

(iii) calculate the time taken for the droplet to fall from maximum height to sea level.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .…

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… …

Time = … … … … … … … … … … … … … … … … …(2 marks)

Use the scale diagram and your last two answers to determine the average horizontalvelocity of the droplet.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

Average speed = ..… … … … … … … … … … … … …(3 marks)

It is suggested that the wind speed is the same as the average horizontal velocity of thedroplet. Comment on the validity of this suggestion.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (1 mark)

(Total 12 marks)

__________________________________________________________________________

10

5. The power system of a spacecraft must provide a constant 28.0 V for the equipment onboard, independent of the current supplied.

This can be achieved using two separate power supplies A and B connected in the series asshown in the diagram below.

Power supply A has an e.m.f. of 20.0 V and an internal resistance of 0.40 Ω .

Power supply B provides a variable voltage and has negligible internal resistance. Itsvoltage varies automatically to maintain the constant 28.0 V.

Explain carefully why the voltage output of B must increase as the current supplied rises.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …(2 marks)

Current supplied toequipment on board

I

28.0 V

I

+

−

+

−

A

B

11

When the current is 10.0 A,

(i) show that the voltage output of B is 12.0 V

… … .… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … .… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …(2 marks)

(ii) calculate the power supplied to the equipment on board.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .…

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

Power supplied =… … … … … … … … … … .… … .. (1 mark)

(iii) calculate the power wasted in heating the internal resistance.

… … .… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

Power wasted =… … … .… … … … ..… … … … … .. (1 mark)

(iv) calculate the efficiency of the power system.

… … .… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … .… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

Efficiency = … … … .… … … … … … … … … … … ...(2 marks)

Many spacecraft are fitted with solar cells. Give one advantage and one disadvantage oftheir use.

Advantage… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … .

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

Disadvantage… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..…

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …(2 marks)

(Total 10 marks)

__________________________________________________________________________

12

6. A student performs an experiment to investigate how the speed ν of the waves on a stretchedstring is affected by the tension T. The tension T is equal to the weight of the mass hangingover a pulley as shown in the diagram.

For a particular mass, the student adjusts the frequency f of the signal generator until astanding wave is established. The frequency f and the wavelength λ are recorded. Theprocedure is repeated for a range of masses.

The student finds from an A level textbook that ν is given by the expression

ν = µT

Where µ is the mass per unit length of the string.

The student decides to see if the data supports this expression. She starts to process her dataand plot it on to a graph.

Use the information in the table to add two more points to the graph. Record the results ofyour calculations in the table.

(3 marks)M/kg f/Hz λ/m

0.16 30.6 0.37

0.20 30.0 0.41

Draw the line of best fit through the points on the graph. (1 mark)

Do the student’s results support the relationship given above? Justify your answer.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… ..

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …(2 marks)

Use graph to obtain a value for µ.

… … ..… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … … …

… … … … … ..… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … … … …

… … … … … … … … ..… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … … … … …(3 marks)

(Total 9 marks)

Known mass, M

Pulley Mechanical oscillatorString undertension Signal generator

13

Gra

ph o

f a

gain

st

for a

stre

tche

d st

ring

vT

2

20406080100

120

140

v/m

s2-2

2

00.

20.

40.

60.

81.

01.

21.

41.

61.

82.

0

T/N

14

15



6752/0 1

Ed excel G CESa lters Horners Physics

U nit Test PSA2

Ad va nced Su bsid ia ry / Ad va ncedSpecim en U nit TestTim e: 1 hou r 30 m inu tesM a teria ls requ ired for the exa m ina tion

Nil


Nil

Instru ctions to Ca nd id a tesIn the boxes a bove, w rite you r Centre Nu m ber, Ca nd id a te Nu m ber, the Pa per Reference, you rsig na tu re, you r su rna m e a nd other na m es.The Pa per Reference is show n tow a rd s the top left-ha nd corner of the pa g e. If m ore tha n one Pa perReference is show n, you shou ld w rite the one for w hich you ha ve been entered .Answ er ALL qu estions in the spa ces provid ed in this qu estion pa per.In ca lcu la tions you shou ld show a ll the steps in you r w ork ing , g iving you r a nsw er a t ea ch sta g e.Ca lcu la tors m a y be u sed .Inclu d e d ia g ra m s in you r a nsw ers w here these a re helpfu l.


Advice to Ca ndid a tesYou w ill be a ssessed on you r a bility to org a nise a nd present inform a tion, id ea s, d escriptions a nda rg u m ents clea rly a nd log ica lly, ta k ing a ccou nt of you r u se of g ra m m a r, pu nctu a tion a nd spelling .


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Q u estionnu m ber

Lea veBla nk

1

2

3

4

5

6

7

Tota l

16

1. The diagram below shows the results of a resistivity survey carried out in a field at Abinger,Surrey in December 1995.

Define resistivity.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… ..

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (1 mark)

The probes of a resistance meter are placed 1 m apart in the ground. They measure aresistance of 750 Ω . What approximate resistance would they measure if they were 0.5 mapart?

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (1 mark)

The report on the geophysical survey from Abinger contains the following information:

“The diagram shows a rectangular high resistance anomaly (H) over thelocation of a mosaic floor excavated by the archaeologists.”

Briefly explain what is meant by the term high resistance anomaly.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … ...

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (1 mark)

Resistance anomalyPloughed furrows

17

Explain why the presence of the mosaic floor causes a high resistance anomaly.

… … … … … .… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .

… … … … … … … … … .… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . (1 mark)

Low resistance anomalies are also detected. Suggest and explain a possible cause for a lowresistance anomaly.

… … … … .… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… …

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … ..

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Connections to the resistance meter are made using two long copper wires. Each wire has across-sectional area of 2.0 × 10-6 m2 and a length of 5.0 m. Calculate the extra resistancethat would be introduced into the circuit using these wires.

(Resistivity of copper = 1.7 × 10-8 Ω m)

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...… … …

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What percentage error would be introduced in a measurement of 750 Ω by ignoring theresistance of the wires? Comment on its significance.

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(Total 11 marks)__________________________________________________________________________

18

2. X-rays are used in hospitals to aid diagnosis. The X-ray image is formed because more X-ray photons are absorbed by denser materials such as bones, thus changing the intensity ofparts of the image.

The principal method of absorption of X-rays is the photoelectric effect.

The photoelectric effect is also observed when light falls on a clean metal surface. It is onlyobserved when the frequency of the light is above a threshold frequency. Explain why thisis so.

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X-rays of a frequency of 1.70 ×1018 Hz can be used to form an image of a bone. The energyrequired to free a tightly bound-electron form a calcium atom in bone is 9.61 × 10-16J.

Calculate the maximum kinetic energy with which one of these electrons is emitted from thecalcium atom.

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Kinetic energy = … … … … … … … … … … ..… … …(3 marks)

(Total 5 marks)__________________________________________________________________________

19

3. A simple model of the eye treats the focussing system of the eye as a single lens. For thisquestion, assume the focussing system of the eye is a single lens situated at the front of theeye.

Short-sightedness is caused when rays from a distant point source are focussed in front ofthe retina as shown below.

Suppose that in the eyeball shown above the distance between the eye lens and the retina is20 mm and that the image of a distant object is formed 2 mm in front of the retina as shown.

Calculate the power of the eye lens.

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Power =… … … … .… … … … … … … … … … … … …(2 marks)

Short-sightedness can be most easily corrected by the use of a diverging lens. On thediagram above add a diverging spectacle lens just in front of the eye. Draw in the new pathof rays.

(2 marks)

Calculate the required power of spectacle and eye lens combination.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … …

Power =… … … … … … … … … … ..… .… .… (1 mark)

When lenses are used in combination, the resulting power can be found by adding togetherthe powers of the individual lenses. Calculate the focal length of the spectacle lens.

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Focal length =… … … … … … … … … … …(3 marks)

(Total 8 marks)__________________________________________________________________________

20

4. An ultrasound A-scan is a test that is commonly carried out to check that a fetus isdeveloping correctly and growing at the expected rate. A typical use would be to monitorthe growth of a baby’s head.

The photograph on the left and the simplified diagram on the right show a scan of thebaby’s head.

What quantity is represented by the horizontal axis of the trace?

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (1 mark)

Explain briefly how the two peaks of the trace are formed.

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Explain briefly how the trace could be used to obtain a measurement of the size of thebaby’s head.

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21

If ultrasound is used to image a moving object such as the heart, a Doppler shift is observed.

Explain what is meant by the term Doppler shift.

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(Total 8 marks)__________________________________________________________________________

22

5. When oil is pumped round a car engine it is essential that it flows at the correct rate. It mustcoat the moving parts and still move quickly through narrow passages. To ensure that thishappens the viscosity of the oil must be measured.

One way of measuring the coefficient of viscosity is to use a falling ball viscometer. In thisinstrument a sphere is dropped into the liquid and its subsequent motion is recorded. Thismotion can be analysed in terms of the viscous drag, the upthrust and the weight of thesphere. Stokes’ law can be used if the flow is laminar. When terminal velocity has beenreached measurements can be made to determine the coefficient of viscosity.

Explain the meaning of the terms in italics in the above passage.

Viscous drag… … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … … … … … … … … … … … … .

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Laminar flow… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .

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Terminal velocity… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..

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Draw a labelled diagram showing the forces acting on the sphere when it is falling atconstant velocity.

(1 mark)

23

The sphere has a radius r and it is made form a material of density ρ. Write down anexpression for the weight W of the sphere.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … (1 mark)

The sphere experiences an upthrust force U = r3p34 σ g where σ is the density of the oil.

Explain briefly the cause of the upthrust force on the sphere.

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Explain why, when the sphere is falling with terminal velocity, F = W-U where F is theStokes’ law force.

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Hence show that the viscosity η can be calculated from the expressionη = 2r2 g(ρ -σ)

9υwhere υ is the velocity of the sphere.

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Explain why it is important that the experiment is performed using hot oil.

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(Total 12 marks)__________________________________________________________________________

24

6. Control of high volume manufacturing production, such as in the steel industry, is achievedthrough regular sampling and testing of the product.

The picture below shows a machine called a tensile tester. It is stretching a sample at aconstant rate. The test sample is a rod of steel approximately the size of a pencil.

The results below were from a test on a sample of steel of 1.3 × 10-4 m2 cross-sectional areaand 6.5 × 10-2 m length. The tension T applied to the sample and its resulting extension xwere measured until the sample failed.

T/103 N 0 5 10 15 20 25 30 35x/10-6 m 0 12 24 36 48 60 74 100

Plot these values and draw the graph on the grid below.

(3 marks)

25

Indicate on the graph with the letter P the limit of proportionality. (1 mark)

Calculate the stress applied to the specimen at this point.

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Stress =… … … … … … … … … … … … ..… .(2 marks)

Calculate the strain in the sample at point P.

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Strain =… … … … … … … … … … … … … … (1 mark)

Calculate the Young modulus for this steel.

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Young modulus… … … … … … … ..… … … . (1 mark)

A second sample of exactly the same size is stiffer, weaker and brittle.

Sketch a line on your graph predicting the results for the sample. Label this line X.(2 marks)

(Total 10 marks)__________________________________________________________________________

26

7. When you look at the water on a sunny day you often see just the bright surface because ofthe glare of reflected light. Wearing Polaroid sunglasses can remove this glare and allowyou to see the fish swimming beneath the water.

State the difference between polarised and non-polarised light.

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What do you see if you look at a light source through parallel polaroid filters which areplaced so that their planes of polarisation are at 90° to each other (crossed polaroids)?

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The sunlight is partially polarised on being reflected from the water surface. How can thePolaroid sunglasses remove the glare, allowing the fish to be seen?

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27

As the angle of incidence changes, the proportion of the light which is polarised alsochanges. There is one particular angle, θ, at which the polarisation of the reflected ray iscomplete. It is also found that at this angle the reflected ray and the refracted ray are atright angles.

(aµw, refractive index from air to water = 1.33.)

Explain why the angle of refraction r = 90 - θ.

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Show that θ is about 53°.

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(Total 6 marks)

28

29





6754/0 1


U nit Test PSA4

Ad va ncedSpecim en U nit TestTim e: 1 hou r 30 m inu tesM a teria ls requ ired for the exa m ina tion

Nil


Nil

Instru ctions to Ca ndid a tesIn the boxes a bove, w rite you r Centre Nu m ber, Ca nd id a te Nu m ber, the Pa per Reference, you rsig na tu re, you r su rna m e a nd other na m es.The Pa per Reference is show n tow a rd s the top left-ha nd corner of the pa g e. If m ore tha n one Pa perReference is show n, you shou ld w rite the one for w hich you ha ve been entered .Answ er ALL qu estions in the spa ces provid ed in this qu estion pa per.In ca lcu la tions you shou ld show a ll the steps in you r w ork ing , g iving you r a nsw er a t ea ch sta g e.Ca lcu la tors m a y be u sed .Inclu d e d ia g ra m s in you r a nsw ers w here these a re helpfu l.

Inform a tion for Ca ndid a tesThe m a rk s for ind ivid u a l qu estions a nd the pa rts of qu estions a re show n in rou nd bra ck ets.There a re 7 qu estions in this qu estion pa per. The tota l m a rk s for this pa per is 60

Ad vice to Ca nd id a tesYou w ill be a ssessed on you r a bility to org a nise a nd present inform a tion, id ea s, d escriptions a nda rg u m ents clea rly a nd log ica lly, ta k ing a ccou nt of you r u se of g ra m m a r, pu nctu a tion a nd spelling .


Turn over

Q u estionnu m ber

Lea veBla nk

1

2

3

4

5

6

7

Tota l

30

1. This question is about transmitting digital communications signals along optical fibres. Mosttransducers such as microphones produce analogue outputs, which must go through stages ofsampling, quantisation and encoding in Pulse Code Modulation (PCM) so that they can betransmitted digitally.

The diagram below shows the analogue output of a transducer, together with eight levels ofquantisation and a binary representation of each level.

Draw the series of joined pulses that would make up the signal when the output is sampled atthe middle of each 1 ms time interval.

(2 marks)

For good reproduction the final decoded signal needs to be a good match with the initialsignal. State two ways in which the match can be improved.

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(2 marks)

What problems can arise if the sampling frequency is less than twice the highest frequencypresent in a signal?

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(2 marks)

1

2

3

45

6

7

0

Quantisation level

0 1 2 3 4 5 6 7Time / ms

111

110

101

100

011

010

001

000

Binary Pulse

31

Early communications systems only allowed one message to be sent at a time. Explain howTime Division Multiplexing (TDM) allows several digital signals to be sent along a singleoptical fibre.

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(2 marks)

State two advantages that optical fibres have over coaxial cables when used forcommunications.

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(2 marks)

Unfortunately, optical fibres do suffer from the problems of material dispersion and multipathdispersion. Explain what each of these is and why it occurs.

Material dispersion

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Multipath dispersion

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(2 marks)(Total 12 marks)

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32

2. While investigating the contact times between a golf club and a golf ball, a student wanted tomeasure the contact times between metal objects – looking at how various factors (such as thematerial from which they were made, their mass, their speed on impact) affected the contacttime.

The student devised a set-up in which a pendulum bob hit a plate. Initially it was thought thatthe laboratory millisecond timer could be used to measure contact times, but in a pilotexperiment it was found that many of the times were less than a millisecond. The studentdecided to use the arrangement shown below, determining the contact times from readings ofthe very high resistance voltmeter.

The charging lead is used to charge the capacitor by briefly connecting it to the 10 V powersupply. Calculate the charge stored in the capacitor.

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Charge stored = … … … … … … … … … … … … … … … … …

(2 marks)

Calculate the time constant t of this circuit when it is completed by contact of the pendulumbob with the plate.

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Time constant = … … … … … … … … … … … … … … … … …

(2 marks)

Metal plateBob

Wire suspension

10 kΩ

V

10 V

50 nFCharging lead

33

How much charge will be left on each capacitor plate after a contact time equal to the circuit’stime constant t?

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Charge left = … … … … … … … … … … … … … … … … …

(2 marks)

Hence calculate the voltmeter reading across the capacitor after contact time equal to t.

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(1 mark)

Calculate the voltage across the capacitor after contact times of 2t, 3t and 4t and plot youranswers on the axes below.

(2 marks)

Using your graph, estimate the contact time that left a voltage of 3 V across the capacitor.

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(1 mark) (Total 10 marks)

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Time/s

Voltage across capacitor/V

4

0

2

6

8

10

0.0005 0.0010 0.00200.0015 0.00250

34

3. It should in principle be possible to generate useful electric power by moving a conductorthrough the Earth’s magnetic field. In 1996 and 1992 there were (unsuccessful) attempts todo this using a satellite tethered to a space shuttle. The system consists of the satelliteconnected to the shuttle by a conducting cable which is insulated from the ionised gas throughwhich it moves. (The attempts failed because the cable tangled and broke.)

Suppose a cable of length l moves with a speed ν perpendicular to a magnetic field B. Byconsidering the area swept out by the wire in a time ∆t, write down an expression in terms ofB, l and ν, for the magnetic flux ∆Φ cut by the cable in time ∆t.

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(2 marks)

Hence write an expression for the emf E induced across the ends of this cable.

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(1 mark)

It was expected that the tethered cable would generate a maximum of 5000 V across its ends.If the length of the cable was 20.7 km, and the component of the Earth’s magnetic fluxdensity perpendicular to it was 3.2 x 10-5 T, calculate how fast the tether must have beenmoving.

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35

4. British Gas plc has 17000 km of steel pipeline which needs to be checked for corrosionregularly. To do this they use an inspection device known as an Intelligent Pig. An interiorview of a pipeline containing an Intelligent Pig is shown below.

The pig has two magnetic field detectors (the inductive coil sensors) positioned between twosets of very powerful magnets. The magnets have steel brushes to make sure they have verygood contact with the pipe wall. The magnetic flux remains within the pipe unless there is acrack or a pit in the wall. It leaks out, as shown below, where there is damage to the wall.

The graph shows the variation of magnetic flux leakage with distance from the centre of a pitin the pipe wall.

-4 -3 -1-2 0 +1 +2 +3 +4Distance/mm

0.5

1.0

1.5

2.0

Flux leakage/Wb x 10-6

Steel brushes on magnets

Inductive coil sensors

36

The pig is moving at a speed of 3.0 m s-1. Calculate the time taken for the pig to move 2 mmalong the pipe.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...…

Time taken = … … … … … … … … … … … … … … … ...

(1 mark)

The coil in the inductive coil sensor has 5000 turns and a cross sectional area of 5 × 10-6 m2.Use the graph to calculate the emf induced across the coil sensor at the position –2 mm fromthe centre of the pit.

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Induced emf = … … … … … … … … … … … … … … … .

(3 marks)

What is the induced emf at the instant the probe is directly over the centre of the pit (position0 mm)?

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...…

(1 mark)

Sketch a graph showing how the emf across the coil changes as it moves past the pit fromposition –4 mm to +4 mm.


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[Thanks to British Gas plc for the diagrams and information.]

37

5. This diagram shows a white snooker ball moving with a velocity of 3.2 m s-1. The white ballis on a collision course with a stationary blue ball of identical mass. The player is aiming topropel the blue ball into the pocket along the path shown.

The player set the white ball in motion with a sharp blow from the end of a rod (the ‘cue’).Given that the mass of the white ball is 0.173 kg, calculate the magnitude of the impulsedelivered by the cue on the ball.

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Magnitude = … … … … … … … … … … … … … … … .

(2 marks)

If the cue was in contact with the ball for 0.3 s, what was the magnitude of the average forceexerted by the player?

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Magnitude = … … … … … … … … … … … … … … … .

(2 marks)

The player succeeds in propelling the blue ball along the path shown. The blue ball has avelocity of 2.77 m s-1 after the collision with the white ball. Calculate the velocity of thewhite ball after the collision.

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Velocity = … … … … … … … … … … ..… … … … … … .

(2 marks)

Pocket

Stationary blue ball

White ball

3.2 m s-1

30o

38

State and explain whether the collision was elastic or inelastic.

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6. A car involved in a minor accident skids to a halt with its wheels locked, leaving marks 130 mlong. The driver denies exceeding the 70-mph speed limit. Forensic measurements show thatthe coefficient of sliding friction between the tyres and the road was 0.8. Write an equationlinking the work done by the friction force with the change in kinetic energy of the car. Bycarrying out a suitable calculation, decide whether the police would be able to prosecute thedriver for speeding. Show the steps in your working.

Coefficient of sliding friction µ= friction force/weight

70 mph ≈ 31 m s-1

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(Total 8 marks)___________________________________________________________________________

39

7. In 1997 we celebrated the centenary of JJ Thomson’s discovery of the electron. Thomsonpictured the atom as being like a currant bun, with electron ‘currants’ embedded in apositively charged ‘bun’. Give a short account of three ways in which our model of matter ona subatomic scale has changed since Thomson’s discovery. For each, state clearly how themodel changed, and write a few sentences outlining one piece of evidence that played a partin bringing about the change.

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(Total 9 marks)

40

41





6755/0 2


U nit Test PSA5(ii)

Ad va ncedSpecim en U nit TestTim e: 1 hou rM a teria ls requ ired for the exa m ina tion

Nil


Nil

Instru ctions to Ca nd id a tesIn the boxes a bove, w rite you r Centre Nu m ber, Ca nd id a te Nu m ber, the Pa per Reference, you rsig na tu re, you r su rna m e a nd other na m es.The Pa per Reference is show n tow a rd s the top left-ha nd corner of the pa g e. If m ore tha n one Pa perReference is show n, you shou ld w rite the one for w hich you ha ve been entered .Answ er ALL qu estions in the spa ces provid ed in this qu estion pa per.In ca lcu la tions you shou ld show a ll the steps in you r w ork ing , g iving you r a nsw er a t ea ch sta g e.Ca lcu la tors m a y be u sed .Inclu d e d ia g ra m s in you r a nsw ers w here these a re helpfu l.


Ad vice to Ca nd id a tesYou w ill be a ssessed on you r a bility to org a nise a nd present inform a tion, id ea s, d escriptions a nda rg u m ents clea rly a nd log ica lly, ta k ing a ccou nt of you r u se of g ra m m a r, pu nctu a tion a nd spelling .


Tu rn over

Q u estionnu m ber

Lea veBla nk

1

2

3

4

5

Tota l

42

1. Over the course of 1996 and 1997 the Galileo spacecraft has been investigating the planetJupiter and its moons. One such moon is Io. Measurements of Io’s orbital motion enableJupiter’s mass to be determined.

Calculate the orbital speed, v, of Io. The radius of Io’s orbit around Jupiter, r = 4.22 × 108 mand its period of rotation, T = 1.53 × 105 s.

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Orbital speed = … … … … … … … … … … … … … ..… .

(2 marks)

Write down an expression in terms of Io’s mass mIo for the centripetal force Fcent needed tokeep it in orbit.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...… … … …

… … … ..… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … ..

(1 mark)

Using mJu to denote Jupiter’s mass, write down an expression for the gravitational force ofattraction Fgrav between Jupiter and Io.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...… … … …

(1 mark)

Obtain an expression for mJu in terms of ν, G and r.

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(1 mark)

Calculate a value for the mass of Jupiter.… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ...… … … …

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Mass = … … … … … … … … … … … … … … … … … …


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43

2. The diagram below shows the spectrum of light received from the quasar known as 3C273 (aquasar is an extremely luminous type of galaxy). The four peaks marked are hydrogen linesthat have shifted in wavelength. In a laboratory, these lines have wavelengths 410 nm,434 nm, 486 nm and 656 nm.

What is the name given to this shift in wavelength?

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … … .

(1 mark)

Without doing any calculations, what does the spectrum of 3C273 allow you deduce about itsmotion?

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … …

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(1 mark)

Using any one of the lines marked in the diagram, calculate the speed of 3C273 relative to theEarth.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … .…

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Speed = … … … ..… … … … … … … … … … … … … .....

(3 marks)

What observations would you expect to make of light from a galaxy twice as distant as3C273? State any assumption made.

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Distance = … … … … … … … … … … … … … … … … ...

(2 marks)

(Total 7 marks)

400 450 500 550 600 650 700 750 800 λ/nm

Relative intensity

44

3. Nuclear power stations use nuclear fission to provide energy for electricity generation. Whena nucleus of 235U absorbs a neutron, it becomes unstable and undergoes fission, producing twolighter nuclei and some more neutrons. A typical reaction is

neutronsKrBanU 9236

14156

10

23592 ++→+

The neutrons released can produce more fission reactions if they are captured by further 235Unuclei. A reactor in a power station contains neutron-absorbing materials designed so that thechain reaction proceeds at a steady rate.

The energy released per unit mass of nuclei fuel is several orders of magnitude produced byburning chemical fuels such as oil or gas. After use, the spent fuel can be chemically treatedto extract any useful materials. The remaining waste is highly radioactive.

How many neutrons are produced in the reaction above? Explain your reasoning.

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(2 marks)

Explain why a nuclear fission reaction releases energy.

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(2 marks)

An isotope U23892 is also present within the fuel rods of a nuclear reactor. It absorbs neutrons

and heavier nuclei are produced. Pu23994 (plutonium) is one of these products and is

particularly hazardous. Pu23994 has a half-life of 24 400 years and decays by alpha emission.

A quantity of plutonium is extracted from the fuel rods. Calculate the fraction of these Pu23994

nuclei which remain after one thousand years.

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Fraction = … … … ..… … … … … … … … … ..… … … ..

(3 marks)

45

Calculate the percentage decrease in the activity due to Pu23994 over this period of time.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … .… … … ..… … … …

Decrease in activity = … … ..… … … … … … … … ..… .

(1 mark)

In fact, if you started with a sample of pure Pu23994 the activity of the sample after one

thousand years would be greater than indicated by your answer above. Suggest a reason forthis.

… … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … ..… … … …

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(1 mark)

(Total 9 marks)

46

4. Domestic washing machines often incorporate washing, rinsing, spinning and drying. Thisquestion is about the spinning.

The inner drum of the machine into which the clothes are placed has quite large holes in it.Explain carefully how, when the clothes are being spin-dried, the water gets from the clothesand out through the holes.

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(3 marks)

One of the spin speeds in one model of washing machine was listed as 1000 rpm (rpm standsfor revolutions per minute). Calculate this spin speed in radians per second.

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Spin Speed = … … … … … … … … … … … … … … … ..

(1 mark)

Calculate the highest centripetal force that could be exerted on a wet sweatshirt ofmass m = 0.5 kg. The radius of the spinning drum is 12.5 cm.

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Force = … … … … … … … … … … … … … … … … … ...

(2 marks)

Outer drum

Springs

47

If clothes are unevenly distributed in the machine, it vibrates slightly as it rotates. The outerdrum within which the spinning drum rotates is attached to the rest of the framework of thewashing machine by springs.

Briefly explain the purpose of these springs.

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(2 marks)

For each spring, the spring constant k ≈ 200 Nm-1. In use, the loading on each spring iseffectively 5 kg.

Explain, with the aid of a calculation, what is likely to happen when an unevenly loadedmachine begins to spin the clothes.

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(2 marks)

(Total 10 marks)

48

5. The teacher of a class arranges a visit to the manufacturer of “bouncy castles”. Theclass assume, naturally, that this will be a good excuse to jump up and down on alarge rubber pillow of air. The teacher explains that there are some principles ofphysics associated with bouncy castles, such as energy changes and oscillations whenchildren are bouncing on it.

The speed at which a child collides with the rubber pillows is typically about 2.5 m s − 1 .The time period of the oscillation is typically about 6 s.

Write an illustrated article explaining the relevance of the two topics above to bouncycastles. You should include estimates of quantities and use them in appropriateequations to confirm the estimates given above.

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49

6756/0 1

Ed excel G CESa lters Horners PhysicsU nit Test PSA6: Synoptic Pa per

Ad va ncedSpecim en Synoptic Pa perTim e: 1 hou r 30 m inu tesM a teria ls requ ired for the exa m ina tion

Answ er bookG ra ph pa per


Nil

Instru ctions to Ca ndid a tesIn the boxes on the Answ er Book provid ed , w rite the na m e of the Exa m ining Bod y (Ed excel), you rCentre Nu m ber, Ca nd id a te Nu m ber, the Su bject Title, the Pa per Reference, you r su rna m e, otherna m es a nd sig na tu re.The Pa per Reference is show n tow a rd s the top left-ha nd corner of the pa g e. If m ore tha n one Pa perReference is show n, you shou ld w rite the one for w hich you ha ve been entered .Answ er ALL qu estions in the Answ er Book .In ca lcu la tions you shou ld show a ll the steps in you r w ork ing , g iving you r a nsw er a t ea ch sta g e.Ca lcu la tors m a y be u sed .Inclu d e d ia g ra m s in you r a nsw ers w here these a re helpfu l.

Inform a tion for Ca ndid a tesThis qu estion pa per is d esig ned to g ive you the opportu nity to m a k e connections betw een d ifferenta rea s of Physics a nd to u se sk ills a nd id ea s d eveloped throu g hou t the cou rse in new contexts. Youshou ld inclu d e in you r a nsw ers releva nt inform a tion from the w hole of you r cou rse, w herea ppropria te.The m a rk s for ind ivid u a l qu estions a nd the pa rts of qu estions a re show n in rou nd bra ck ets.There a re 4 qu estions in this qu estion pa per. The tota l m a rk s for this pa per is 60 .The list of d a ta , form u la e a nd rela tionships is printed a t the end of this book let.

Ad vice to Ca nd id a tesYou m u st ensu re tha t you r a nsw ers to pa rts of qu estions a re clea rly nu m bered .You w ill be a ssessed on you r a bility to org a nise a nd present inform a tion, id ea s, d escriptions a nda rg u m ents clea rly a nd log ica lly, ta k ing a ccou nt of you r u se of g ra m m a r, pu nctu a tion a nd spelling .


50

Read the passage carefully and then answer all the questions. Write your answers in the answer bookprovided.

Wind Power Generation

The power available to a wind turbine depends on the kinetic energy of a column of air with the samecross-sectional area A as the wind turbine rotor blades.

The available power P in the wind is given by 3

21

AuP ρ=

where ρ is the density of the air, u is the wind speed.

A steady supply of reasonably strong wind is necessary for utilising the power in the wind. Modernwind turbines are designed to operate most efficiently when the wind speeds are within the range10 m s-1 to 15 m s-1. At a wind speed of 10 m s-1, one wind turbine can supply the National grid withabout 4 A at a transformed voltage of 100 000 V.

Many wind turbines are designed to be stationary when u is below 5 m s-1. The rate of rotationreaches a maximum when u is about 12 m s-1 and cuts out, for safety reasons, when u is above25 m s-1.

There are structural problems to overcome. For example, a 50 m tall wind turbine tower will swingback and forth slightly. If a rotor blade passed the tower each time the tower was in one of itsextreme positions, then the oscillations might become large enough to cause structural damage.

There is a European Union-wide target to provide 12% of the electricity requirements from renewableenergy sources by the year 2010. In the UK approximately half of this could be feasibly supplied bywind power. “However, current policies are not likely to deliver this.” (Lords’ report on Electricityfrom Renewables - June 99.)

Wind

Tower

Turbine

Rotor blades

51

1. (a) Calculate the efficiency of conversion σ of wind power to electrical power when the windspeed is 10 m s-1. Use the data given in paragraph 1 and take the density of air to be1.2 kg m-3 and the diameter of a rotor blade to be 44 m. State any assumptions made.

(7 marks)

(b) By considering the volume of air which passes through a cross-sectional area A in onesecond, show that the power available is given by

P = 3Auρ21

(4 marks)

(c) Explain why it is impossible for all the kinetic energy available in the wind to be transferredto the kinetic energy of the rotor blades.

(2 marks)

(d) State three conditions, other than change in wind speed, which may reduce the power outputof this system.

(4 marks)

(e) Assuming the period of oscillation of the turbine tower is 3.0 s, calculate the angularvelocity of the rotor which would be dangerous.

(3 marks)

(f) Explain why the oscillations referred to in paragraph four of the passage can become verylarge in certain circumstances.

(2 marks)

(g) Why is it desirable to increase the percentage of the electricity requirements provided byrenewable energy? Give one problem in increasing the production of electricity from windpower.

(2 marks)

(Total 24 marks)______________________________________________________________________________

52

2. The graph below shows the variation of power conversion σ with wind speed u for a windturbine.

(a) Describe the relationship between σ and u.(3 marks)

(b) Use the information in paragraph 3 of the passage to explain the relationship between σ andu.

(3 marks)

(c) The maximum electrical power output for this turbine is about 680 kW. Sketch a graph toshow the variation of power output for the same range of wind speeds as the graph above.

(2 marks)

(d) Explain the shape of this graph.(2 marks)

(e) Explain the effect on the electrical power output of the wind turbine of using rotor blades ofhalf the diameter.

(2 marks)

(f) There is a 3% error in the wind speed measurements in the table above. Assuming theelectrical power output can be measured to within 1%, calculate the percentage error in thevalues of σ.

(2 marks)

(g) The average speed of the wind over a period of one month is 10 m s-1. The output power canbe predicted for this wind speed using the graph drawn in part (c) above. Explain why theactual output power for this period will be significantly larger than the predicted value.

(2 marks)

(Total 16 marks)______________________________________________________________________________

0 5 10 15 20 25 30Wind speed /m s u -1

0.1

0.2

0.3

0.4

σ

53

3. Domestic fluorescent lamps contain mercury vapour at low pressure. Free electrons in thevapour are accelerated by a uniform electric field and collide with mercury atoms. Energy istransferred to the mercury atoms in the collisions, exciting them so that they emit yellow, green,blue, violet and ultraviolet radiation.

Domestic fluorescent lamps have a fluorescent coating on their inner surface. The coatingabsorbs some of the mercury radiation (mainly the ultraviolet), which excites the fluorescentmaterial so that it radiates.

(a) Why might a fluorescent lamp be preferred to a conventional filament lamp?(2 marks)

(b) Explain why it would not be possible for the fluorescent coating to give off light of a shorterwavelength than that incident upon it.

(3 marks)

(c) The most intense ultraviolet emission is at 253.7 nm. Calculate the photon energyassociated with this emission.

(2 marks)

(d) Calculate the magnitude, in electron volts, of the energy level transition that producedphotons of this energy.

(1 mark)

(e) In order to excite the mercury atoms so that they give out ultraviolet radiation, the electronsmust acquire energy between collisions that is at least as great as calculated in the previousanswer. If the average distance moved between collisions is 8.0 × 10-3 m, what must be themagnitude of the uniform electric field within the lamp?

(2 marks)

54

(f) The field you have calculated can be maintained by the mains voltage applied between theends of the tube, but to initiate the process of acceleration, excitation and emission, astronger field is needed. The diagram below shows the main components of a fluorescentlamp that produces this high voltage.

Across the filament F is a temperature sensitive “glow switch”. Its contacts are usually openbut as the supply is switched on, a glow discharge begins. This warms the contacts enoughto make them close and the discharge ceases. Without the discharge the glow switch coolsand, after a second or so, the contacts open again. L is an inductive coil of many turnswound on an iron core known as a choke.

By considering the magnetic field in the choke, explain how opening the glow switch canmomentarily produce this high voltage.

(2 marks)

(Total 12 marks)______________________________________________________________________________

Glow switch

L240 V

Lamp FF

55

4. A keen UFO-spotter claims to have seen a “mysterious object, about as bright as the brighteststars - maybe a bit brighter - and moving”. A cynic remarks that it was probably an aeroplane.

An aeroplane landing-light has a power of 600 W. The brightest star in the night sky, Sirius, hasa luminosity of 1.2 × 1028 W and is 8.3 × 1017 m from Earth.

By carrying out a suitable order-of-magnitude calculation, decide whether an aeroplane lightwould typically be seen from a distance at which it could look about as bright as Sirius. Showthe steps in your working, and state clearly any assumptions and approximations you have made.

(Total 7 marks)

56

57

M a rk Schem es

These show the a nsw ers expected a t the tim e of w riting the pa pers. Ad d itiona lly,cred it is a lw a ys g iven for u nexpected , yet a ccepta ble a nsw ers. The ra ng e of a ccepta blea nsw ers is d iscu ssed a nd cla rified a t the sta nd a rd isa tion m eeting follow ing ea chexa m ina tion, u sing exa m ples from the scripts received .

W ithin the schem es:

♦ / ind ica tes a lterna tive m a rk ing point( ) bra ck ets ind ica te w ord s not essentia l to the a nsw er[ ] bra ck ets ind ica te a d d itiona l g u id a nce for m a rk ers

♦ The follow ing sta nd a rd a bbrevia tions a re u sed :

a .e. a rithm etic error (-1 m a rk )c.e.p correct equ iva lent point (a llow m a rk )e.o.p. error of physics (-2 m a rk s)e.c.f. error ca rried forw a rd (a llow m a rk (s))s.f. sig nifica nt fig u res (-1 m a rk only w here specified )u .e. u nit error (-1 m a rk ; m a xim u m –1 per qu estion)

♦ The w ork ing for ca lcu la tions is presented u sing qu a ntity a lg ebra bu t ca nd id a tes a renot requ ired to d o so in their a nsw ers.

58

PSA1 MARK SCHEME

1. W = mg = (70 kg + 20 kg) × 9.81 N kg-1 ü= 883 N ü 2

Vertical component = 550 cos14 + 200 cos30 ü= 707 N ü 2

Forces balance in any direction orno net force ü 1

88.29 N – 706.9 N = F sin 37 ü= 292 N ü 2

Upwards acceleration requires a net upward force üThis could be provided by an increased force by the other foot ü 2

9

2. Single wavelength/frequency üWaves in antiphase superimpose giving complete or partialcancellation ü 2

f = c/λ = 3 × 108 m s-1/ 780 × 10-9 m ü= 3.85 × 10-4 Hz ü

n = υ air/υ plastic

= υ plastic = 3 × 108 m s-1/ 1.55= 1.94 × 108 m s-1 ü

λ = υ /f = 1.94 × 108 m s-1/3.85 × 1014 Hz= 5.04 × 10-7 m ü 4

Path difference between two sets of waves = 2 × ridge height ü= 2 × 125 nm = 250 nm or approx. λ/2 ü

Waves are in antiphase when they combine and producesmall amplitude ü 3

No. Path difference is now ≈λ so waves from ridge andvalley almost in phase when they recombine ü

The pattern of ridges and valleys will not give an on/offsignal ü 2[‘No’ must have an attempt at an explanation for a mark]

11

59

3. Electrical energy (supplied to heater) ü= heat energy gained by water ü 2

IVt (or Pt) = mc∆θ ü 1(or VQ)

∆θ = ( )( ) ( ))Kgk 4200skg/60 16

W 10 8.1011-

3

−×× ü

= 9.6 K = 9.6 °C üso final temperature = 15 °C + 9.6 °C = 24.6 °C ü 3

(for reversed method üü7)

∆θ = 25 – 5 = 20 K ü

m = θ∆c

Pt = ( )K 20kgk J 420060s W108.10

11-

3

×××

−

Flow rate = 7.7 l min-1 [or 0.13 l s-1] ü[8. l min-1 by any or no method] [üü] 2

Initially the element is cold, the resistance is lower ü 1

9

4. 10 m ü28 m ü 2

(i) mg∆h = ½mυ2 υ= hg∆2 ü

υ = ( )m10-2881.92 ×× = 18.8 m s-1 ü 2[or answer using equations of motion]

(ii) υ = u + at 0 = 18.8 m s-1 – 9.81 m s-2 t üt = 18.8 m s-1/ 9.81 m s-2

=1.92 s ü 2

(iii) s = ut + ½ at2 28 = 0 -½ 9.81t2 üt = 2.39 s ü 2

Horizontal distance = 53 m üTotal time taken = 1.92 + 2.39 = 4.31 s üSpeed = 53 m/ 4.31s=12.3 m s-1 ü 3

Wind speed must be at least the maximum horizontalvelocity of the droplet not the average ü 1

12

60

5. As I rises terminal voltage of A falls üdue to internal resistance of A/ “lost volts” ü 2

(i) ‘Lost volts’ V =Ir = 10.0 × 0.40 = 4.0 V üVB = 28.0 – VA = 28.0 –(20.0 +4.0) = 12.0 ü 2

(ii) P = VI = 28.0 × 10.0 = 280 WPower supplied = 280 W ü 1

(iii) P = I2r = 10.02 × 0.40 = 40 WPower wasted =40 W ü 1

(iv) Eff = 320280 = 0.88 = 88% üü 2

Advantage = Renewable supply/last longer ü

Disadvantage =Depends on illumination/high internalresistance/large array needed for power required ü 2

10

6. Calculate υ or υ2 and t and plots correct üüü 3

M/kg f/Hz λ/m υ/ms-1 υ2/m2 s-2 T/N

0.16 30.6 0.37 12.3 151 1.96

0.20 30.0 0.41 11.3 128 1.57

Best fit line ü 1

Yes üBest fit line through origin is near all plots ü 2

Large ∆ drawn ü

Gradient = 01.2

160 = 79.6 ü

µ = Gradient

1 = 0.0126 kg m-1 (accept 0.12 – 0.013) ü 3

9

61

PSA2 MARK SCHEME

1. Resistivity =Length

Area Resistance×ü 1

2750

= 375 Ω ü 1

A resistance reading which is significantly larger than others in the survey ü 1

Mosaic (stone) floor is a poor conductor of electricityor floor will probably contain less water than surrounding soil ü 1

Feature containing water-logged soil e.g. ditch ü

Water contains ions/conducts current/reduces resistivity ü 2

R = ü

= ( )( )( )m 10 2.0

m 5.0m O101.7 226

8 −

−

×× ü

= 8.5 × 10-2 Ω ü 3

Error = ( )( )Ω

× −

750105.8 8

× 100 = 1.1 × 10-2 % ü

This is likely to be insignificant compared to random uncertainties due tovarying resistivity of ground ü 2

11

2. E = hf /photon energy is proportional to frequency üPhoton energy must be greater thanwork function/minimum required to liberate electron ü 2

hf = φ + ½ mυ2 max Ek =½ mυ2 max = hf - φ

Ek = (6.63 × 10-34 J s × 1.70 × 1018 Hz) − 9.61 × 10-16 J ü

= 1.127 × 10-15 J - 9.61 × 10-16 J ü

= 1.66 × 10-16 J ü 3

5

ρlA

62

3. P = f1 =

m018.01 = 55.6 m-1

Power =55.6 m-1 üü 2

Lens shape diverging üNew rays meet at retina ü 2

P = m020.0

1 = 50 m-1

Power = 50 m-1 ü 1

55.6 m-1 + P = 50 m-1 üP = -5.6 m-1

f = 6.5 -

1 = -0.18 m üü 3

8

4. Time ü 1

Reflections occur at boundary between head and surrounding fluid ü1st reflection entering head, 2nd reflection on leaving ü 2

Time between peaks found from trace üKnowing speed of ultra sound, ν in head, distancecan be calculated l = υt üWidth of head = l/2 ü 3

A change in frequency ücaused by relative movement between transducer and object ü 2

8

63

5. Force which opposes motion through a fluid which has viscosity ü 1

Occurs when the streamlines are continuous ü 1

Object travels at constant speed üsince resistive force equals and opposes driving force ü 2

labelled diagram showing upthrust, drag and weight ü 1

rp 334 ρg ü 1

Sphere displaces some of the liquid around it ü 1

No net force on sphere W = F + U ü 1

F = W − U

6πηrυ = rp 334 ρg - rp

34 3 σg ü

6πηrυ = rp34 3 g (ρ-σ) 6ηυ =

34 υ2g(ρ − σ) ü 2

Viscosity varies with temperature üFlow rate of oil will differ from that calculated ü 2

12

6. Sensible scale üPlotted correctly üBest fit line ü 3

Indication on the graph of letter P the limit of proportionality ü 1

σ = AT

= m1.3N28.5

24

3

1010−×

× (± 1) ü

= 2.2 × 108 N m-2 ü 2

ε = lx

= m106.5m106.9

2-

6

×× −

(± 1)

= 1.1× 10-3 ü 1

64

E = εσ

= 101.1

m102.23

28 N−

−

××

= 2.0 × 1011 N m-2 ü 1

Steeper, shorter üNo ‘bend’ [or very little] ü 2

10

7. Polarised – vibrations of transverse wave in 1 plane only (or E or B field)Non –polarised – vibrations can be in any plane perpendicular to directionof travel ü 1

No light ü 1

Align sunglasses so that axis allows absorption of polarised light ü 1

r + 90° + θ = 180° (on straight line)r = 180 – 90 - θ = 90 − θ ü

µ = rsin

sin θ = ü

1.33 = = tan θ

θ = tan-1 1.33

= 53° ü 3

6

sin θcos θ

sin θsin (90 − θ)

65

PSA4 Mark Scheme1.

2Any TWO of the following:

Use more levels of quantisation at both encoding and decoding stages üUse the technique of companding (i.e. spaces between lower levels issmaller than those between higher levels ü

Sample more frequently at both encoding and decoding stages ü Max 2

High frequency components will be missing from decoded signal ü

An unwanted lower frequency signal can be introduced in addition to the original ü 2

Each encoded digital signal is sliced up into time segments and then fitted togetherin a known order into the combined signal that is sent down the fibre. ü

At the other end each piece of sliced up signal is reassembled back into its original position in a separate signal. ü 2

Any TWO of the following:

Security - very difficult to tap üHigher capacity üNo interference from electromagnetic waves üNegligible cross talk üSmaller in physical size üLess attenuation per kilometre üLower weight ü Max 2

Material dispersion:

Pulse consists of a range of frequency components that travel at slightlydifferent speeds in fibre and hence arrive at different times, so pulse is broadened. ü

Multipath dispersion:

Light takes a range of paths down the fibre, pulse arrival time is spread due todifferences in path length and hence in travel time ü 2

___

12______________________________________________________________________________

66

2. C = Q/V so Q = CV ü= (50 × 10-9 F) × 10 V = 5 × 10-7 C ü 2

t = RC ü= (10 × 103 Ω ) × (50 × 10-9 F) = 5 × 10-4 s ü 2

Charge left Q = Qo/e üQ = (5 × 10-7 C)/2.7 = 1.9 × 10-7 C ü 2

V= Q/C = (1.9 × 10-7 C) / (50 × 10-9 F) = 3.8 V ü 1

Graph:

Points üLine ü 2

Answer of the order of 6.5 × 10-4 s[use candidate’s graph to make judgement] ü 1

___

10______________________________________________________________________________

3. Area = lυ∆t ü

∆Φ = Blυ∆t ü 2

E = ∆Φ /∆t = Blυ ü 1

υ = E/Bl ü

= 5000 V/((3.2 × 10-5 T) × (20.7 × 103 m)

= 7.5 × 103 m s-1 ü 2___

5______________________________________________________________________________

67

4. At a speed of 3 m s-1, the pig moves through 2 mm in a time∆t = (2 × 10-3 m)/3 m s-1 = 6.7 × 10-4 s ü 1

Use graph to find change in flux ∆Φ in a time interval ∆te.g. over the 2 mm (1 mm each side of position –2 mm)∆Φ = 1.0 × 10-6 Wb. ü

Change of flux linkageN∆Φ = 5000 × (1.0 × 10-6 Wb) = 5.0 × 10-3 Wb ü

Instantaneous e.m.f. E = N∆Φ /∆ t = (5.0 × 10-3)/ (6.7 × 10-4) = 7.5 V ü

[Allow variations on this approach.Final answer should lie in range 7 V − 8 V] 3

Zero ü 1

Line goes through (0,0) üPeak e.m.f. near positions ± 1.5 mm üCurve symmetrical about (0,0) ü 3

___

8

______________________________________________________________________________

5. Impulse = change of momentum ü= 0.173 kg × 3.2 m s-1 = 0.55 kg m s-1 ü 2

Average force = impulse/contact time ü= 0.55 kg m s-1/0.3 s = 1.8 N ü 2

Momentum conserved in either vertical direction or horizontal direction üeg cos 60 = υ cos 30υ = 1.6 m s-1 ü 2

Idea of checking kinetic energy üKinetic energy before = 0.886 J. Total k.e. after = 0.221 + 0.664, ∴ elastic ü 2

___

8______________________________________________________________________________

68

6. Statement of relevant equations üü 2

Correct manipulation of equations üü 2

Correct calculation of final answer + units üüü 3

Statement of conclusion based on answer ü 1

Possible approach:

Work done by sliding friction force = change in kinetic energyFrictional force F = µ × weight = µ × mgWork done by friction force = FSChange in kinetic energy ∆Ek = mu2/2

where u = initial speed of cars = distance travelled during skid = 130 mµ = coefficient of sliding friction = 0.8g = gravitational acceleration = 9.81 m s-1

m = mass of car (not known)

so mu2/2 = 2 mgs, i.e. u2 = 2µgsu = )2( gsµ

= )m130sm81.98.02( 2 ××× −

= 22 sm2040 −

u = 45 m s-1

This is far above the speed limit (actually about 100 m.p.h.) so police canprosecute. Alternative approaches equally valid: e.g. deduce that accelerationduring a skid = − µF/m = µg, and use υ2 = u2 + 2as ___

8______________________________________________________________________________

69

7. For each of three developments:

Identifying a development ü 1

Some further discussion/information, e.g. discussion of link between evidenceand model or some experimental detail, or some information about peopleinvolved. üü 2

Various possibilities:

Credit any three of the following.

[Things in square brackets are from outside unit 4, so are less likely to beincluded but deserve full credit. Others not anticipated here get full creditat examiners’ discretion.]

• Nuclear atomAlpha scattering: large angles. Incompatible with bun model

• Protons and neutrons in nucleusChadwick’s experiment: neutral particle of same mass as H

• Quarks (existence of)Deep inelastic scatttering: structure within proton [or Gell-Mann’s patterns]

• Momentum of e.m. radiationde Broglie theoretical prediction or Compton scattering

• AntimatterAnderson’s observation of e-like particle with positive charge [or Dirac’stheoretical prediction]

• Neutrinos“Missing” energy in beta decay

• [Photon model of lightPhoto-electric effect]

• [Electronic energy levels line spectra: discrete photon energies linked to discreteelectron energies]

• [Wave nature of particles; electron diffraction]

___

Three marks for each of three developments: 3 × 3 9

70

PSA5(ii) Mark Scheme

1. υ = 2πr/T = 2 × π × (4.22 × 108 m)/(1.53 × 105 s) ü= 1.73 × 104 m s-1 ü 2

Fcent = mIoυ2/r ü 1

Fgrav = GmIo mJu/r2 ü 1

GmJumIo/r2 = mIoυ2/rmJu = rυ2/G ü 1

mJu = rυ2/G= 4.22 × 108 m × (1.73 × 104 m s-1)2 / 6.67 × 10-11 N m2 kg-2 ü= 1.89 × 1027 kg ü 2

___

7______________________________________________________________________________

2. Redshift (accept Doppler shift) ü 1

It is receding/moving away ü 1

Award marks for calculation using any one line:

Observed λ read from graph [Allow ± 10 nm] ü

Calculation of ∆λ; calculation of ∆λ/λ ü

Calculation of υ ü

Emit Obs ∆λ/nm Z = ∆λ/λ V = c∆λ/λ = cz/m s-1

λ/nm λ/nm

410 475 65 0.159 4.8 × 107

434 505 71 0.164 4.9 × 107

486 560 74 0.152 4.6 × 107

656 760 104 0.159 4.8 × 107 3

Doppler shift would be doubled [Accept relative velocity of the galaxy doubled]/appropriate change in λ or colour, e.g. more red-shifted ü

Assumption: expansion rate of the Universe is (approximately) constant acrossthe Universe (at this moment) ü 2

___

7______________________________________________________________________________

71

3. 3 üSum of reactant mass nos. = 236. Products must have same total mass no. ü 2

Actual mass of products is slightly less (by ∆m) than mass of reactants, andproducts have more kinetic energy (∆E) than reactants. The two are related by∆E = c2 where c is the speed of light üü 2

[Explanation in terms of binding energy is also acceptable]

N/N0 = e-λt

λ = ln2/t ½ = 2.84 × 10-5 years ü

λt = 2.84 × 10-2 ü

N/N0 = )10(2.4 -2×-e = 0.97 ü 3

3% ü 1

The products of the decay will themselves be radioactive so will contribute tothe overall activity of the sample ü 1

___

9______________________________________________________________________________

72

4. The drum provides the necessary centripetal force to keep clothes and watermoving in a circle ü

At the holes, there is nothing to provide the centripetal force ü

The fabric pokes slightly through the holes, and water flies off at a tangent ü 3

1 revolutions = 2π radians

1000 rpm = (2π × 1000) / 60 s = 104.7 s -1 ü 1

F = mυ2/r = mw2r ü= 0.5 kg × (104.7 s-1)2 × (12.5 × 10-2 m) = 685 N ü 2

They allow the spinning drum to vibrate a little within the rest of the framework ürather than pass on the vibrations through the framework to the surroundings ü 2

Natural oscillations will have

T = 2π m/k)( f = (½ π) )(k/m

f = (½ π) )kg5/mN200( 1− = 1 Hz ü

(As the spin speed passed through 1 rad s-1 [1 Hz]) the system would resonate/a large amplitude of oscillation could build up and damage the machine. ü 2

___

10______________________________________________________________________________

5. Energy:

Potential energy = mgh = 40 × 10 × 0.3 = 120 J üKinetic energy as child hits rubber pillow is about the same value (120 J) ümυ2 = 2 × 120 gives υ = 2.5 m s-1 üKinetic energy transferred to air in pillow, gets warm üUse of 3kT/2 ü

Oscillations:

Oscillations because to and fro motion about a point üDamped oscillations üF = kx to 400 = k 0.2 gives k = 2000 N m-1 üT = k/m2 gives about 6 s üIdea that oscillations are not simple harmonic ü Max 7

___

7

73

PSA6 Mark Scheme

1. (a) (Electrical) P = IV ü= 400 000 (W) üArea = πr2 ü= 1520 ü

Wind energy = ½ρAu3 = 912 000 W üσ = 0.44 ü[− 1 if a unit appears]

Assumption: e.g. transformer is 100% efficient ü 7

(b) Volume in one second = A × u üUse of mass = density × volume üUse of k.e. = ½mu2 üSuitable combination to give ½ρAu3 ü 4

(c) Wind must have k.e./speed after passing through blades üto make room for next layer of air ü 2

(d) Wind may not be normal to rotor blades üWind turbulence/laminar flow üü[1 for words to this effect, 2 for use of “turbulence” or “laminar”]Wear and tear/loss of lubricant in rotor/turbine ü 4

(e) Period is 3 s, so time between extreme positions = 1.5 s üOne third of a revolution every 1.5 s üAngular speed = 2π/3 / 1.5 = 2.1 rads s-1 ü 3

(f) Resonance üForcing frequency = natural frequency ü 2

(g) Saves gas/coal etc üNo waste gases/carbon dioxide/nuclear waste ü Max 1

Relatively low power üUnreliable if wind drops üLarge area of land needed üPublic objections to wind farms ü Max 1

___

24______________________________________________________________________________

74

2. (a) From about u= 5 m s-1 , σ increases from 0 as u increases üto a maximum value of σ about 0.43, when u is about 12 m s-1 üσ then decreases as u continues to increase ü 3

(b) No output power below about 5 m s-1 as turbine not rotating üEither efficiency designed to be maximum in range 10 − 15 m s-1

Or no rotation above u = 25 m s-1 so efficiency = 0 üAbove 12 m s-1 k.e. of blades does not increase even though k.e. ofwind does. Therefore efficiency must decrease ü 3

(c) Graph indicates:power increases from 0 to 680 kW as u increases from 5 to 12 m s-1 üPower remains constant at 680 kW until u = 25 m s-1 ü 2

(d) Output power will increase because both efficiency and u increasing(in range u = 5 to 12 m s-1) üOutput power becomes constant as rate of rotation becomes constant(for u > 12 m s-1) ü 2

(e) Power output will be reduced by a factor of ¼ üpower output will begin when u < 5 m s-1 ü 2

(f) % error in power input (available) = 9% ü% error in efficiency = 1 + 9 = 10% error ü 2

(g) average speed (of 10 m s-1 ) means speeds varying both sides üPower curve is not symmetrical, it is weighted above 10 m s-1 ü 2

___16

______________________________________________________________________________

67

3. (a) More efficient üEnvironmental benefits of using less energy ü 2

(b) Electrons have been excited (by UV) üReturn to either ground state or intermediate states üTherefore either emit photon of same energy or less. E same/smaller,then λ same/longer ü 3

(c) E = hc/λ ü= 7.8 × 10-19 J ü 2

(d) − 4.9 eV ü 1

(e) Field strength = V/d ü= 4.9 V/0.008 m = 610 V m-1 ü 2

(f) If magnetic flux/field decreases quickly ü(Quick) rate of change of flux leads to (high) voltage ü 2

___

12______________________________________________________________________________

76

4. Sensible approach, carried out correctly with final answer stated to nearestround number, e.g. calculate the distance at which a 600W lamp would havesame radiant energy flux as Sirius.

(L/4πd2) Sirius = (L/4πd 2) plane ü

d2plane= (Llane/LSirius)d2

Sirius

dplane = √(Lplane/LSirius)dSirius ü

= √(600 W/1.2 × 1028 W) x (8.3 × 1017 m) ü

= √(5 × 10-26) × (8.3 × 1017 m)

≈ 2.2 × 10-13 × 8.3 × 1017 m

≈ 2 × 104 m, i.e about 20 km ü Max 3

Some ‘decision’ based on answer

e.g. aircraft fly at a height of several km üand switch on their landing-lights some time before landing, so 20 km is a reasonable distance to see an aircraft light. ü 2

Assumptions:

e.g. both sources radiate isotropically üand emit similar proportions of their radiation as visible light. ü 2[Landing-light will in fact be beamed, and will not emit the sameproportion of visible light (because sources are different temperatures)But NB candidates NOT asked to comment on validity.] ___

7

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