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2209-6508 30 pages

M09/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX+

Tuesday 12 May 2009 (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 2009

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0 1 3 0

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–2– M09/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX+

Section a

Answer all the questions in the spaces provided.

a1. Thisquestionisaboutelectricalresistanceofthemetalmercury.

TheresistanceRofasampleofmercurywasmeasuredasafunctionofthetemperature Tofthe sample. The sample was cooled and data points were taken at temperature intervalsof0.2K. Theuncertainties inRandTare toosmall tobeshownon thegraph.

R/Ω

6

5

4

3

2

1

02 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7

T/K

The hypothesis is that resistance is proportional to absolute temperature for temperaturesgreater than4.5K.

(a) (i) Suggestwhetherthedatasupportsthehypothesis.

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

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[1]

(ii) Drawalineofbestfitthroughthedata. [2]

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

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

[1]

(This question continues on the following page)

0 2 3 0

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–3–

turn over


(Question A1 continued)

(c) AtatemperatureTCtheresistancesuddenlybecomeszero.

(i) UsethegraphtodeterminethepossiblerangeofthetemperatureTC.

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[1]

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

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[2]

(iii) OutlinehowthetemperatureTCcouldbemeasuredmoreprecisely.

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[1]

(d) OutlinetworeasonswhyyoucouldnotusethedatatodetermineanaccuratevalueforRatroomtemperature.

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[2]

0 3 3 0

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a2. Thisquestionisaboutimpulse.

(a) AnetforceofmagnitudeFactsonabody.Definetheimpulse Ioftheforce.

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[1]

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

2.20 m s–1

ball mass0.0750 kg

Duetothecollisionwiththewall,20%oftheball’sinitialkineticenergyisdissipated.

(i) Showthattheballreboundsfromthewallwithaspeedof1.97ms–1.

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[2]

(ii) Showthattheimpulsegiventotheballbythewallis0.313Ns.

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[2]


0 4 3 0

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–5–

turn over



(c) Theballstrikesthewallattimet =0andleavesthewallattimet =T.

ThesketchgraphshowshowtheforceFthatthewallexertsontheballisassumedtovarywithtimet.

T t

F

00

ThetimeTismeasuredelectronicallytoequal0.0894s.

Usetheimpulsegivenin(b)(ii)toestimatetheaveragevalueofF.

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

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[4]

0 5 3 0

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a3. Thisquestionisaboutinternalenergy,heatandidealgases.

(a) Theinternalenergyofapieceofcopperisincreasedbyheating.

(i) Explainwhatismeant,inthiscontext,byinternalenergyandheating.

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

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

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[3]

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

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[2]


0 6 3 0

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0 7 3 0


(b) Onemoleofanidealgasisheatedatconstantpressure.Theincreaseintemperatureofthegasis30.0K.Theenergytransferredtothegasis623Jandtheworkdoneis249J.

Determine

(i) thechangeininternalenergyofthegas.

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(ii) thethermalcapacityofthegas.

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[2]

(c) Anothermoleofthesamegasisheatedatconstantvolumestartingfromthesamestateasthatin(b).Suggestwhetherthethermalcapacityinthiscaseisequalto,greaterthanorlessthantheanswerinb(ii).

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[3]

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–8–

turn over


0 8 3 0

a4. Thisquestionisaboutalternatingcurrent.

(a) Thegraph shows thevariationwith time t of theoutputvoltageV of anacgeneratorofnegligibleinternalresistance.

V /V

250

200

150

100

50

0

–50

–100

–150

–200

–250

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 t /ms

Aresistorofresistance25isconnectedacrosstheoutputofthegenerator.

Calculate

(i) thermsvalueofthecurrentintheresistor.

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(ii) theaveragepowerdissipatedintheresistor.

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(iii) thepowerdissipatedintheresistorat0.40ms.

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[2]

(b) Thefrequencyofrotationofthegeneratorcoilisnowdoubled.Sketch,usingtheaxesin(a),thevariationwithtofthenewoutputvoltageV. [2]

0 9 3 0

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–10–

turn over


a5. Thisquestionisaboutenergytransfers.

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

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[2]

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

w

A

B

C

Dynamo(generator)

BoilerCoal

(b) (i) Statewhatisrepresentedbythewidthw.

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[1]

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

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

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

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

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1 0 3 0

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turn over


Section b

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

b1. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutelectricfieldsandelectriccircuitsandPart 2isaboutatomicandnuclearspectra.

Part 1 Electricfieldsandelectriccircuits

(a) Twoparallel,chargedmetalplatesAandBareinavacuum.

+ + + + + + +A

B

P•

– – – – – – –

AtaparticularinstantanelectronisatpointP.

Onthediagram,draw

(i) theelectricfieldpatternduetotheplates.

(ii) anarrowtorepresentthedirectionoftheforceontheelectronatP.

[3]

[1]

(b) TheaccelerationoftheelectronatPis8 8 1014. × ms−2 .DeterminethemagnitudeoftheelectricfieldstrengthatthepointP.

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[3]

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

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[1]


1 1 3 0

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(Question B1, part 1 continued)

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

12V

R L

(i) Calculatethetotalpowersuppliedbythebattery.

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(ii) Calculatethepowerdissipatedintheexternalcircuit.

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(iii) DeterminetheresistanceoftheresistorR.

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[3]


1 2 3 0

2209-6508

–13–

turn over


(Question B1 continued)

Part 2 Atomicandnuclearspectra

Atomicspectra

(a) Thediagramrepresentssomeoftheenergylevelsofthemercuryatom.

energy/eV

0

–1.56

–3.73

–5.54

–10.4

Photonsareemittedbyelectron transitionsbetween the levels. On thediagramdrawarrowstorepresentthetransition,forthoseenergylevelsthatgivesriseto,

(i) thelongestwavelengthphoton(labelthisL). [1]

(ii) theshortestwavelengthphoton(labelthisS). [1]

(b) DeterminethewavelengthassociatedwiththearrowyouhavelabelledS.

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[3]


1 3 3 0

2209-6508



Nuclearspectra

(c) Anucleusof the isotopebismuth-212undergoesα-decay intoanucleusofan isotopeofthallium.Aγ-rayphotonisalsoemitted.

Drawalabellednuclearenergyleveldiagramforthisdecay. [2]

(d) The activity of a freshly prepared sample of bismuth-212 is 2 80 1013. × Bq. After80.0minutestheactivityis1 13 1013. × Bq. Determinethehalf-lifeofbismuth-212.

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1 4 3 0

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–15–

turn over


b2. This question is in two parts. Part 1 is about thegreenhouseeffect andPart 2 is aboutdigitalstoragedevices.

Part 1 Greenhouseeffect

(a) Thegraphshowspartoftheabsorptionspectrumofnitrogenoxide N O2( ) inwhichtheintensityofabsorbedradiationAisplottedagainstfrequencyf.

A /arbitraryunits

0 1 2 3 4 5 6f/×1013Hz

(i) Statetheregionoftheelectromagneticspectrumtowhichtheresonantfrequencyofnitrogenoxidebelongs.

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

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1 5 3 0

2209-6508



(b) Defineemissivityandalbedo.

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

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

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[3]

(c) ThediagramshowsasimpleenergybalanceclimatemodelinwhichtheatmosphereandthesurfaceofEartharetwobodieseachatconstanttemperature.ThesurfaceoftheEarthreceivesbothsolarradiationandradiationemittedfromtheatmosphere.AssumethattheEarth’ssurfacebehavesasablackbody.

242K

solarradiationatmosphericradiation

344 2Wm−

atmosphereα=0.280

e=0.720

Earth’ssurface

288K

Thefollowingdataareavailableforthismodel.

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

averagetemperatureofthesurfaceofEarth =288K


1 6 3 0

2209-6508

–17–

turn over


(Question B2, Part 1 (c) continued)

Usethedatatoshowthatthe

(i) powerradiatedperunitareaoftheatmosphereis140Wm–2.

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[2]

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

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[1]

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

(i) radiatedbytheatmosphere.

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[1]

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

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[1]

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

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1 7 3 0

2209-6508



Part 2 Digitalstoragedevices

(a) (i) Convertthedecimalnumber25tobinary.

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(ii) Outline two advantagesof storinga text indigital form rather than in analogueform.

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

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

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(b) State,withreferencetotheirstructure,whymoredatacanbestoredonaDVDthanonaCD.

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(c) DefinethetermmagnificationasitappliestoaCCD.

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(d) Adigitalcameraisusedtophotographaparticularobject.Twosmallmarksontheobjectareseparatedbyadistanceof2 0 10. × −3 m.

The camera has a magnification of 1 4 10. × −2 and an image collection area of4 0 10. × −4 m2 .DeterminetheminimumnumberofpixelsthattheCCDofadigitalcameramusthave,inorderthattheimagesofthetwomarksontheobjectarejustresolved.

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Blankpage

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2 0 3 0

b3. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutsimpleharmonicmotionandwavesandPart 2isaboutgravitationalfieldsandpotential.

Part 1 Simpleharmonicmotionandwaves

(a) Aparticleofmassmthatisattachedtoalightspringisexecutingsimpleharmonicmotioninahorizontal direction.

Statetheconditionrelatingtothenetforceactingontheparticlethatisnecessaryforittoexecutesimpleharmonicmotion.

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

0.07

0.06

0.05

0.04

0.03

0.02

0.01

0

EK/J

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

(i) Usingtheaxesabove,sketchagraphtoshowhowthepotentialenergyoftheparticlevarieswiththedisplacementx. [2]


2209-6508

–21–

turn over


(Question B3, Part 1 (b) continued)

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

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

(i) Describe,withreferencetothepropagationofenergythroughthemedium,whatismeantbyatransversewave.

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

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[1]


2 1 3 0

2209-6508


(Question B3, Part 1 continued)

(d) Thediagramshowswavefrontsofthewavesin(c)incidentonaboundaryXYbetweenmediumM1andanothermediumM2.

wavefronts

normal

directionoftravel 30º

M1 M2

Y

X

Theanglebetweenthenormal,andthedirectionoftravelofthewavefrontsis30°° .

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

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

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(ii) Onthediagram,sketchthewavefrontsinM2. [1]


2 2 3 0

2209-6508

–23–

turn over



Part 2 Gravitationalfieldsandpotential

(a) Definegravitational field strengthandstatehowitisrelatedtogravitationalpotential.

Definition: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Relationship: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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[3]


2 3 3 0

2209-6508


2 4 3 0


(b) A binary star system consists of two stars with massesM1 andM2 rotating about acommoncentre.ThecentresofthetwostarsareseparatedbyadistanceR=1 2 1010. × m.

Thediagramisnottoscale.

x

R

M1 M2

The total gravitational potential due to the stars at any point along a line joiningtheircentresisV.ThegraphshowshowVvarieswiththedistancexfromthecentreofstarM1.(Valuesofthepotentialinsideeachstararenotknown.)

x/× 109m0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

V/× 1012Jkg–1

–0.5

–0.6

–0.7

–0.8

–0.9

–1

–1.1

–1.2

–1.3

–1.4

–1.5surfaceofstar surfaceofstarwithmassM1 withmassM2


2209-6508

–25–

turn over



A particle is launchedwith kinetic energyEK from the surface of starwithmassM2.TheparticlearrivesatthesurfaceofthestarofmassM1.Usethegraphto

(i) explainwhetherthekineticenergyoftheparticleatthesurfaceofM1islessthan,equalto,orlargerthanEK.

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(ii) determine the distance x at which the gravitational field strength due to thetwostarsiszero.

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(iii) determinetheratio MM

1

2

.

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2 5 3 0

2209-6508


b4. Thisquestionisintwoparts. Part 1 isaboutthedecayofradium-226andPart 2 isaboutdiffractionandresolution.

Part 1 Decayofradium-226

(a) Thenuclearreactionequationforthedecayofradium-226(Ra)maybewrittenas

88226Ra Rn= + α

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

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

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(ii) Compare,withreferenceto thenuclearreactionin(a), thebindingenergyofRawiththatofRn.

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(b) Thefollowingdataareavailable.

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

ShowthattheenergyreleasedinthedecayofaRanucleusis4.94MeV.

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2 6 3 0

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–27–

turn over



(c) Anα-particleofenergy4.94MeVemittedinthedecayofaRanucleus,travelsadistancedinairbeforecomingtorest.

(i) Showthattheinitialspeedoftheα-particleis1 54 107. × ms−1.

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(ii) StatetherelationshipbetweenthemagnitudeoftheaverageforceFactingontheα-particle,thechangeinkineticenergy∆EK andthedistanced.

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(iii) Useyouranswerto(c)(ii)tocalculateFgiventhatd = 4.20 −2×10 m.

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(iv) Estimatethetimethatittakestheα-particletocometorest.

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2 7 3 0

2209-6508



Part 2 Diffractionandresolution

(a) Planewavefrontsofmonochromaticlightofwavelengthareincidentonanarrowslit.Afterpassingthroughtheslittheyareincidentonascreenplacedalargedistancefromtheslit.

λ

b

l(= λ)

X θ

M

P

screen

slit

ThewidthoftheslitisbandthepointXisatthecentreoftheslit.ThepointMonthescreenisthepositionofthefirstminimumofthediffractionpatternformedonthescreen.Thepathdifferencebetweenlightfromthetopedgeoftheslitandlightfromthebottomedgeoftheslitisl.

Usethediagramtoexplainwhythedistancelisequalto.

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2 8 3 0

2209-6508

–29–

turn over


(Question B4, Part 2 continued)

Thewavefrontsin(a)arefromamonochromaticpointsourceS1.Diagram1isasketchofhowtheintensityofthediffractionpatternformedbythesingleslitvarieswithangle.Theunitsontheverticalaxisarearbitary.

Diagram 1

Intensity1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0–10 –5 0 5 10 /degrees

AnotheridenticalpointsourceS2isplacedclosetoS1asshownindiagram2.

Diagram 2

S1

S2

(b) Thediffractionpatternsformedbyeachsourcearejustresolved.

Ondiagram 1sketchtheintensitydistributionofthelightfromsourceS2. [2]


2 9 3 0

2209-6508



(c) OutlinehowtheRayleighcriterionaffectsthedesignofradiotelescopes.

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(d) ThedishoftheAreciboradiotelescopehasadiameterof300m.Twodistantradiosourcesare2 0 1012. × m apart.Thesourcesare3 0 1016. × m fromEarthandtheyemitradiowavesofwavelength21cm.Determinewhethertheradiotelescopecanresolvethesesources.

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3 0 3 0

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