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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


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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0428


(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


–5–

turn over


0528


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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–7–

turn over


0728


(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


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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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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–11–

turn over


1128


(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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1228


(d) Adifferentwindturbinehasamechanicalinputpowerof3.0×105Wandgeneratesanelectricalpoweroutputof1.0×105W.Onthegridbelow,constructandlabelaSankeydiagramforthiswindturbine. [3]

(e) Outlineoneadvantageandonedisadvantageofusingwindturbinestogenerateelectricalenergy,ascomparedtousingfossilfuels. [2]

Advantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Disadvantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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–13–

turn over


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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(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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–15–

turn over


1528

Pleasedo notwriteonthispage.

Answerswrittenonthispagewillnotbemarked.


1628

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]


–17–

turn over


1728


(c) (i) Ontheaxesbelow,sketchagraphtoshowhowthevelocityofthemassvarieswithtimefromthemomentofreleasefromAuntilthemassreturnstoAforthefirsttime. [2]

velocity

time

(ii) Onyourgraph,labelthepointsthatcorrespondtothepositionsA,BandC. [1]

(d) Theperiodofoscillationis0.20sandthedistancefromAtoBis0.040m.Determinethemaximumspeedofthemass. [3]

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1828


(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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–19–

turn over


1928

(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


(c) ThegravitationalfieldstrengthatthesurfaceofMarsgMisrelatedtothegravitationalfieldstrengthatthesurfaceoftheEarthgEby

gM= 0.38×gE.

TheradiusofMarsRMisrelatedtotheradiusoftheEarthREby

RM= 0.53×RE.

DeterminethemassofMarsMMintermsofthemassoftheEarthME. [2]

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–21–

turn over


2128


(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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–23–

turn over


2328


(b) Asaresultofthecollision,theblocksreversetheirdirectionofmotionandtravelatthesamespeedaseachother.Duringthecollision,20%ofthekineticenergyoftheblocksisgivenoffasthermalenergytothesurroundings.

(i) Stateandexplainwhetherthecollisioniselasticorinelastic. [2]

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(ii) Showthatthefinalspeedoftheblocksrelativetothesurfaceis0.16ms–1. [3]

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2428


(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)

–25–

turn over


2528

Pleasedo notwriteonthispage.

Answerswrittenonthispagewillnotbemarked.


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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–27–

turn over


2728


(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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2828


(c) Twoidenticalfilamentlampsareconnectedinserieswithacellofemf6.0Vandnegligibleinternalresistance.Usingthegraphonpage26,calculatethetotalpowerdissipatedinthecircuit. [2]

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