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28 pages
M12/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX
Thursday 10 May 2012 (afternoon)
PHYSICS
STANDARD LEVEL
PAPER 2
INSTRUCTIONS TO CANDIDATES
• Write your session number in the boxes above.
• Do not open this examination paper until instructed to do so.
• Section A: answer all questions.
• Section B: answer one question.
• Write your answers in the boxes provided.
• A calculator is required for this paper.
• A clean copy of the Physics Data Booklet is required for this paper.
• The maximum mark for this examination paper is [50 marks].
1 hour 15 minutes
© International Baccalaureate Organization 2012
Examination code
2 2 1 2 – 6 5 1 1
Candidate session number
0 0
0128
22126511
–2– M12/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX
0228
Section a
Answer all questions. Write your answers in the boxes provided.
a1. Dataanalysisquestion.
AsmallsphererollsdownatrackofconstantlengthAB.ThesphereisreleasedfromrestatA.Thetimet thatthespheretakestorollfromAtoBismeasuredfordifferentvaluesofheighth.
h
A
B
track
(This question continues on the following page)
–3–
turn over
M12/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX
0328
(Question A1 continued)
Astudentsuggests that t isproportional to 1h. To test thishypothesisagraphof t against
1hisplottedasshownontheaxesbelow.Theuncertaintyint isshownandtheuncertaintyin
1hisnegligible.
t/s
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0 0 2 4 6 8 10 12
1h/m–1
(a) (i) Drawthestraightlinethatbestfitsthedata. [1]
(ii) Statewhythedatadonotsupportthehypothesis. [1]
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(This question continues on the following page)
–4– M12/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX
0428
(Question A1 continued)
(b) Anotherstudentsuggeststhattherelationshipbetweent andhisoftheform
1t kh
=
wherek isaconstant.
Totestwhetherornotthedatasupportthisrelationship,agraphoft2against 1hisplotted
asshownbelow.
Thebest-fitlinetakesintoaccounttheuncertaintiesforalldatapoints.
t2/s2
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
1h/m–1
(This question continues on the following page)
–5–
turn over
M12/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX
0528
(Question A1 continued)
Theuncertaintyint2forthedatapointwhere 1h=10.0m–1isshownasanerrorbaron
thegraph.
(i) Statethevalueoftheuncertaintyint2for 1h=10.0m–1. [1]
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(ii) Calculate the uncertainty in t2when t= 0.8± 0.1s. Give your answer to anappropriatenumberofsignificantdigits. [4]
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(iii) Usethegraphtodeterminethevalueofk. Donotcalculateitsuncertainty. [3]
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(iv) Statetheunitofk . [1]
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0628
a2. Thisquestionisaboutthegreenhouseeffect.
Thefollowingdataareavailableforuseinthisquestion:
Quantity Symbol ValuePoweremittedbytheSun P 3.8×1026WDistancefromtheSuntotheEarth d 1.5×1011mRadiusoftheEarth r 6.4×106mAlbedooftheEarth’satmosphere α 0.31Stefan–Boltzmannconstant σ 5.7×10–8Wm–2K–4
(a) ExplainwhythepowerabsorbedbytheEarthis
( ) 22 1
4P rd
× −α ×ππ [3]
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(This question continues on the following page)
–7–
turn over
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0728
(Question A2 continued)
(b) Theequationin(a)leadstothefollowingexpressionwhichcanbeusedtopredicttheEarth’saveragesurfacetemperatureT.
( )4
2
116
PT
d−α
=πσ
(i) CalculatethepredictedtemperatureoftheEarth. [2]
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(ii) ExplainwhytheactualaveragesurfacetemperatureoftheEarthisinfacthigherthantheanswerto(b)(i). [2]
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0828
a3. Thisquestionisaboutthermalenergytransfer.
Ahotpieceofironisplacedintoacontainerofcoldwater.Afteratimetheironandwaterreachthermalequilibrium.Theheatcapacityofthecontainerisnegligible.
(a) Definespecific heat capacity. [2]
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(b) Thefollowingdataareavailable.
Massofwater = 0.35kgMassofiron = 0.58kgSpecificheatcapacityofwater = 4200Jkg–1K–1
Initialtemperatureofwater = 20C°Finaltemperatureofwater = 44C°Initialtemperatureofiron = 180C°
(i) Determinethespecificheatcapacityofiron. [3]
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(ii) Explain why the value calculated in (b)(i) is likely to be different from theacceptedvalue. [2]
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–9–
turn over
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0928
Section b
This section consists of three questions: B1, B2 and B3. Answer one question. Write your answers in the boxes provided.
b1. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutwindpower.Part 2isaboutradioactivedecay.
Part 1 Windpower
(a) Outline in termsofenergychangeshowelectricalenergy isobtained from theenergyofwind. [2]
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(This question continues on the following page)
–10– M12/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX
1028
(Question B1, part 1 continued)
(b) Airofdensityρ andspeedv passesnormallythroughawindturbineofbladelengthrasshownbelow.
r
wind
blade
(i) Deducethatthekineticenergyperunittimeoftheairincidentontheturbineis
2 312
r vρπ [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(ii) Statetwo reasonswhyit is impossible toconvertall theavailableenergyof thewindtoelectricalenergy. [2]
1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(This question continues on the following page)
–11–
turn over
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1128
(Question B1, part 1 continued)
(c) Airisincidentnormallyonawindturbineandpassesthroughtheturbinebladeswithoutchangingdirection.Thefollowingdataareavailable.
Densityofairenteringturbine= 1.1kgm–3
Densityofairleavingturbine = 2.2kgm–3
Speedofairenteringturbine = 9.8ms–1
Speedofairleavingturbine = 4.6ms–1
Bladelength = 25m
Determinethepowerextractedfromtheairbytheturbine. [3]
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(This question continues on the following page)
–12– M12/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX
1228
(Question B1, part 1 continued)
(d) Adifferentwindturbinehasamechanicalinputpowerof3.0×105Wandgeneratesanelectricalpoweroutputof1.0×105W.Onthegridbelow,constructandlabelaSankeydiagramforthiswindturbine. [3]
(e) Outlineoneadvantageandonedisadvantageofusingwindturbinestogenerateelectricalenergy,ascomparedtousingfossilfuels. [2]
Advantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Disadvantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(This question continues on the following page)
–13–
turn over
M12/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX
1328
(Question B1 continued)
Part 2 Radioactivedecay
(a) Describethephenomenonofnaturalradioactivedecay. [3]
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(b) A nucleus of americium-241 (Am-241) decays into a nucleus of neptunium-237(Np-237)inthefollowingreaction.
241 237 495 2Am Np+X→ α
(i) StatethevalueofX. [1]
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(ii) Explainintermsofmasswhyenergyisreleasedinthereactionin(b). [2]
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(This question continues on the following page)
–14– M12/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX
1428
(Question B1, part 2 continued)
(iii) Definebinding energyofanucleus. [1]
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(iv) Thefollowingdataareavailable.
nuclide binding energy per nucleon / MeV americium-241 7.54 neptunium-237 7.58 helium-4 7.07
Determinetheenergyreleasedinthereactionin(b). [3]
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b2. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutsimpleharmonicmotionandthesuperpositionofwaves.Part 2isaboutgravitationalfields.
Part 1 Simpleharmonicmotionandthesuperpositionofwaves
Anobjectofmassm isplacedonafrictionlesssurfaceandattachedtoalighthorizontalspring.Theotherendofthespringisfixed.
mpositivedirection
A B C
TheequilibriumpositionisatB.ThedirectionBtoCistakentobepositive.TheobjectisreleasedfrompositionAandexecutessimpleharmonicmotionbetweenpositionsAandC.
(a) Definesimple harmonic motion. [2]
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(b) (i) Ontheaxesbelow,sketchagraphtoshowhowtheaccelerationofthemassvarieswithdisplacementfromtheequilibriumpositionB. [2]
acceleration
displacement
(ii) Onyourgraph,labelthepointsthatcorrespondtothepositionsA,BandC. [1]
(This question continues on the following page)
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(Question B2, part 1 continued)
(c) (i) Ontheaxesbelow,sketchagraphtoshowhowthevelocityofthemassvarieswithtimefromthemomentofreleasefromAuntilthemassreturnstoAforthefirsttime. [2]
velocity
time
(ii) Onyourgraph,labelthepointsthatcorrespondtothepositionsA,BandC. [1]
(d) Theperiodofoscillationis0.20sandthedistancefromAtoBis0.040m.Determinethemaximumspeedofthemass. [3]
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(Question B2, part 1 continued)
(e) Alongspringisstretchedsothatithasalengthof10.0m.Bothendsaremadetooscillatewithsimpleharmonicmotionsothattransversewavesofequalamplitudebutdifferentfrequencyaregenerated.
Wave X, travelling from left to right, has wavelength 2.0m, and waveY, travellingfromright to left,haswavelength4.0m. Bothwavesmovealong thespringatspeed10.0ms–1.
Thediagrambelowshowsthewavesataninstantintime.
displacement
waveX waveY
position/m
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0
(i) Statetheprincipleofsuperpositionasappliedtowaves. [2]
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(ii) By drawing on the diagram or otherwise, calculate the position at which theresultantwavewillhavemaximumdisplacement0.20slater. [2]
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(Question B2 continued)
Part 2 Gravitationalfields
(a) StateNewton’suniversallawofgravitation. [3]
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(b) Deduce that the gravitational field strength g at the surface of a spherical planet ofuniformdensityisgivenby
2
GMgR
=
whereM isthemassoftheplanet,R isitsradiusandG isthegravitationalconstant.Youcanassumethatsphericalobjectsofuniformdensityactaspointmasses. [2]
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2028
(Question B2, part 2 continued)
(c) ThegravitationalfieldstrengthatthesurfaceofMarsgMisrelatedtothegravitationalfieldstrengthatthesurfaceoftheEarthgEby
gM= 0.38×gE.
TheradiusofMarsRMisrelatedtotheradiusoftheEarthREby
RM= 0.53×RE.
DeterminethemassofMarsMMintermsofthemassoftheEarthME. [2]
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(Question B2, part 2 continued)
(d) (i) On thediagrambelow,draw lines to represent thegravitationalfieldaround theplanetMars. [1]
Mars
(ii) AnobjectfallsfreelyinastraightlinefrompointAtopointBintimet.ThespeedoftheobjectatAisuandthespeedatBisv.Astudentsuggestsusingtheequationv= u+gMt tocalculatev.Suggesttworeasonswhyitisnotappropriatetousethisequation.
A
•B
• Mars
[2]
1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2228
b3. Thisquestion is in two parts. Part 1 is about a collision. Part 2 is about electric currentandresistance.
Part 1 Acollision
Twoidenticalblocksofmass0.17kgandlength0.050maretravellingtowardseachotheralongastraightlinethroughtheircentresasshownbelow.Assumethatthesurfaceisfrictionless.
0.900m
0.18ms–1
blockA
0.050m
0.18ms–1
blockB
0.050m
Theinitialdistancebetweenthecentresoftheblocksis0.900mandbothblocksaremovingataspeedof0.18ms–1relativetothesurface.
(a) Determinethetimetakenfortheblockstocomeintocontactwitheachother. [3]
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2328
(Question B3, part 1 continued)
(b) Asaresultofthecollision,theblocksreversetheirdirectionofmotionandtravelatthesamespeedaseachother.Duringthecollision,20%ofthekineticenergyoftheblocksisgivenoffasthermalenergytothesurroundings.
(i) Stateandexplainwhetherthecollisioniselasticorinelastic. [2]
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(ii) Showthatthefinalspeedoftheblocksrelativetothesurfaceis0.16ms–1. [3]
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(Question B3, part 1 continued)
(c) (i) StateNewton’sthirdlawofmotion. [1]
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(ii) Duringthecollisionoftheblocks,themagnitudeoftheforcethatblockAexertsonblockBisFABandthemagnitudeoftheforcethatblockBexertsonblockAisFBA.Onthediagrambelow,drawlabelledarrowstorepresentthemagnitudeanddirectionoftheforcesFABandFBA. [3]
blockA blockB
(iii) Thedurationofthecollisionbetweentheblocksis0.070s.Determinetheaverageforceoneblockexertedontheother. [3]
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(This question continues on page 26)
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2628
(Question B3 continued from page 24)
Part 2 Electriccurrentandresistance
Thegraphbelowshowshowthecurrent I ina tungstenfilament lampvarieswithpotentialdifference V acrossthelamp.
I/A
0.60
0.50
0.40
0.30
0.20
0.10
0.000.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
V/V
(a) (i) Definetheelectricalresistance ofacomponent. [1]
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(Question B3, part 2 continued)
(ii) ExplainwhetherornotthefilamentobeysOhm’slaw. [2]
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(b) (i) Calculatetheresistanceofthefilamentlampwhenthepotentialdifferenceacrossitis2.8V. [2]
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(ii) Thelengthofthefilamentinalampis0.40m.Theresistivityoftungstenwhenthepotentialdifferenceacrossitis2.8Vis5.8×10–7Ωm.Calculatetheradiusofthefilament. [3]
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(Question B3, part 2 continued)
(c) Twoidenticalfilamentlampsareconnectedinserieswithacellofemf6.0Vandnegligibleinternalresistance.Usingthegraphonpage26,calculatethetotalpowerdissipatedinthecircuit. [2]
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