physics higher level paper 2 - papers | xtremepapers · 2019. 1. 17. · 2208-6508 – 3 – turn...

2208-6508 33 pages

M08/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX+

Tuesday 20 May 2008 (afternoon)

PHYSICS

HIGHER LEVEL

PAPER 2

INSTRUCTIONS TO CANDIDATES

• Write your session number in the boxes above.

• Do not open this examination paper until instructed to do so.

• Section A: answer all of Section A in the spaces provided.

• Section B: answer 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 2008

22086508

0133

2208-6508

–2– M08/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX+

Section a

Answer all the questions in the spaces provided.

a1. Thisquestionisaboutdataanalysis.

Data for the refractive indexn of a typeofglassandwavelength of the light transmittedthroughtheglassareshownbelow.

Onlytheuncertaintiesinthevaluesofn are significant and these uncertainties are shown by errorbars.

300 650600550500450400350

1.6020

1.6060

1.6055

1.6050

1.6045

1.6040

1.6035

1.6030

1.6025

1.6065

1.6015

/nm

n

(This question continues on the following page)

0233

2208-6508

–3–

turn over


(Question A1 continued)

(a) Statewhythedatadonotsupportthehypothesisthatthereisalinearrelationshipbetween

refractiveindexandwavelength.

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[1]

(b) Draw a best-fit line for the data points. [2]

(c) Therateofchangeofrefractiveindex Dλ withwavelengthisreferredtoasthedispersion.Atanyparticularvalueofwavelength, Dλ isdefinedby

Dn

λ λ= ∆

∆ Usethegraphtodeterminethevalueof Dλ atawavelengthof380nm.

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

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[4]

(d) Itissuggestedthattherelationshipbetweennand isoftheform

n k p= λ

wherekandpareconstants.

Stateandexplainthegraphthatyouwouldplotinordertodeterminethevalueofp.

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[3]


0333

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(e) Asecondsuggestionisthattherelationshipbetweennand isoftheform

n AB= +λ 2

whereAandBareconstants.

Totestthissuggestion,valuesofn areplottedagainstvaluesof1

2λ.Theresultinggraph

with the line of best fit is shown below.

1.6020

1.6060

1.6055

1.6050

1.6045

1.6040

1.6035

1.6030

1.6025

1.6065

0 0.70.60.50.40.30.20.1 1.21.11.00.90.8

1.6015

1.6010

110

2λ/× −15 −2m

n


0433

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–5–

turn over



(i) UsethegraphtodeterminethevalueoftheconstantA.

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[3]

(ii) State the significance of the constant A.

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[1]

0533

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a2. Thisquestionisaboutprojectilemotion.

Astoneisthrownfromthetopofacliffofheight28mabovethesea.Thestoneisthrownata

speedof14ms–1atanangleabovethehorizontal.Airresistanceisnegligible.

. . . . . . . . . . .

28m

sea

14ms–1

Themaximumheightreachedbythestonemeasuredfromthepointfromwhichitisthrownis

8.0m.

(a) Byconsideringtheenergyof thestone,determinethespeedwithwhichthestonehits

thesea.

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[3]

(b) Thestoneleavesthecliffattimet =0.Itreachesitsmaximumheightatt =TH.Ontheaxisbelow,drawasketch-graphtoshowthevariationwithtimetofthemagnitudeofthe

verticalcomponentofvelocityofthestonefromt =0tot =TS,thetimejustbeforethestonestrikesthesea. [4]

speed

00

TH TS

t

0633

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–7–

turn over


a3. Thisquestionisaboutnuclearreactions.

(a) Statethemeaningoftheterms

(i) nuclide

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[2]

(ii) isotope

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[1]

(b) The isotope sodium-24 undergoes radioactive decay to the stable isotope

magnesium-24.

(i) Completethenuclearreactionequationforthisdecay.

24 24

11 12Na Mg→

[2]

(ii) Oneoftheparticlesemittedinthedecayhaszerorest-mass.Usethedatabelow

toestimatetherestmass,inatomicmassunits,oftheotherparticleemittedinthe

decayof 2411 Na.

24

12restmassof Mg u= 23.98504

24

11restmassof Na u= 23.99096

energyreleasedindecay MeV= 5.002160

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[3]


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(c) Theisotopesodium-24isradioactivebuttheisotopesodium-23isstable.Suggestwhich

oftheseisotopeshasthegreaternuclearbindingenergy.

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[2]

a4. Thisquestionisaboutinducede.m.f.

AsmallareaA is in a region of uniform magnetic field of strength B. The field makes an angle tothenormaltotheareaasshownbelow.

AreaA

normal

B

(a) With reference to the diagram, define magnetic flux bothinwordsandinsymbols.

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[2]

(b) A thincopper ringenclosesanareaof21.8 10 m .−3× Theplaneof the ring isnormal

to a uniform magnetic field. The magnetic field strength increases at a constant rate of 5.0×10–2Ts–1.

Calculatethee.m.f.inducedinthering.

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[2]

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turn over


Section b

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

b1. This question is in two parts. Part 1 is about momentum and energy and Part 2 is about

gravitation.

Part 1 Momentumandenergy

(a) Define impulse of a forceandstatetherelationbetweenimpulseandmomentum.

definition

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relation

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[2]

(b) By applying Newton’s laws of motion to the collision of two particles, deduce that

momentumisconservedinthecollision.

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(Question B1 part 1 continued)

(c) In an experiment to measure the speed of a bullet, the bullet is fired into a piece of plasticine suspendedfromarigidsupportbyalightthread.

24cm

speedVbullet

plasticine

Thespeedof thebulleton impactwith theplasticine isV. Asa resultof the impact,

thebulletembedsitselfintheplasticineandtheplasticineisdisplacedverticallythrough

aheightof24cm.Themassofthebulletis 5.2 10 kg−3× andthemassoftheplasticineis0.38kg.


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–11–

turn over



(i) Ignoringthemassofthebullet,calculatethespeedoftheplasticineimmediately

aftertheimpact.

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[2]

(ii) Deduce that the speed V with which the bullet strikes the plasticine is about

160ms−1 .

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[2]

(iii) Estimatethekineticenergylostintheimpact.

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(d) Another bullet is fired from a different gun into a large block of wood. The block remains stationaryafterimpactandthebulletmeltscompletely.Thetemperatureriseoftheblock

isnegligible.Usethedatatoestimatetheminimumimpactspeedofthebullet.

massofbullet 10 kg−3= 5.2×

specific heat capacity of the material of the bullet 130Jkg K−1 −1= latentheatoffusionofthematerialofthebullet 870Jkg

−1= meltingpointofthematerialofthebullet 330 C= °

initialtemperatureofbullet 30 C= °

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[5]

(This question is continued on the following page)

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–13–

turn over


(Question B1 continued)

Part 2 Gravitation

(a) StateNewton’suniversallawofgravitation.

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[3]

(b) TheaveragedistanceofEarthfromtheSunis 111.5 10 m.× The gravitational field strength duetotheSunattheEarthis 6.0 10 Nkg−3 −1× .

EstimatethemassoftheSun.

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

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[3]

(c) DeducethattheorbitalperiodTofaplanetabouttheSunisgivenbytheexpression

2 3T KR=

whereRistheradiusoftheorbitandKisaconstant.

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

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[5]

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2208-6508


b2. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutwavesandPart 2 is about magnetic fields.

Part 1 Waves

(a) Withreferencetothedirectionofenergytransferthroughamedium,distinguishbetween

atransversewaveandalongitudinalwave.

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[3]

(b) A wave is travelling along the surface of some shallow water in the x-direction.Thegraphshowsthevariationwithtimetofthedisplacementdofaparticleofwater.

–10

10

8

6

4

2

0

–2

–4

–6

–8

0 0.05 0.250.20.150.1 0.3t / s

d /mm

Usethegraphtodetermineforthewave

(i) thefrequency,

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[2]

(ii) theamplitude.

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[1]


1433

2208-6508

–15–

turn over


(Question B2, part 1 continued)

(c) Thespeedofthewavein(b)is15cms–1.Deducethatthewavelengthofthiswaveis

2.0cm.

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

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[2]

(d) Thegraphin(b)showsthedisplacementofaparticleattheposition x = 0 .

Ontheaxesbelow,drawagraphtoshowthevariationwithdistancexalongthewatersurfaceofthedisplacementdofthewatersurfaceattime s.t = 0.070 [3]

–10

10

8

6

4

2

0

–2

–4

–6

–8

0 1 432

d /mm

x/cm


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2208-6508



(e) Thewaveencountersashelfthatdividesthewaterintotwoseparatedepths.Thewaterto

therightoftheshelfisdeeperthanthattotheleftoftheshelf.

shelf

deepwatershallowwater

directionof

travelofwave

wavefronts

30o

Theanglebetweenthewavefrontsintheshallowwaterandtheshelfis30o.Thespeed

ofthewaveintheshallowwateris15cms–1andinthedeeperwateris20cms–1.Forthe

waveinthedeeperwater,determinetheanglebetweenthenormaltothewavefrontsand

theshelf.

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

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[3]


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–17–

turn over



(f) Theshelf is removedso that thewater isofconstantdepth. Abarriercontaining two

narrowslitsisplacedparalleltothewavefronts.

9.4cm

barrier

18cm

P1

P2

D

.

.

Theseparationofthetwoslitsis9.4cm.

P1andP2areadjacentnodalpoints that lieona lineparallel to,anddistanceD from,

thebarrier.TheseparationofP1andP2is18cm.

(i) Explainwhy,asaresultofthewavespassingthroughtheslits,therearepointssuch

asP1andP2wherethedisplacementofthewaterisaminimum.

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[4]

(ii) Thewavelengthofthewavesis2.0cm.EstimatethedistanceD.

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[3]


1733

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(g) Asimilareffecttothatdescribedin(f)canbedemonstratedusinglightwaves.Theslitsin

thiscaseareverynarrowandtheirseparationislargecomparedtotheirwidth.Ascreen

isplacedbeyondthenarrowslits.Thedistancebetweenthenarrowslitsandthescreenis

about1m.Thelightwavesemergingfromtheslitsarecoherent.

(i) Statewhatismeantbycoherent.

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[1]

(ii) Using the axes below, draw a sketch of the intensity distribution of the light

onthescreen. [2]

intensity

distancealongthescreen


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–19–

turn over



Part 2 Magnetic fields

Inacertainexperimentitisnecessarytocreateasmallregioninwhichtheeffectofthehorizontal

component of the Earth’s magnetic field is eliminated. In order to achieve this, a square coil of side 1.2mconsistingof20turnsofcopperwireisconstructed.

I

1.2m

ThecurrentIinthecoilisinthedirectionshown.Thestrengthofthehorizontalcomponentof

the Earth’s magnetic field is 7.0 10−5× Τ.

(a) Assuming each side of the coil behaves as an infinitely long wire, deduce that, for a current of 2.6 A, the horizontal magnetic field strength at the centre of the coil is 7.0 10−5× Τ.

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(b) The horizontal component of the Earth’s magnetic field strength is 7.0 10−5× Τ. DrawalabelledsketchtoshowhowthecoilmustbearrangedwithrespecttotheEarth’smagnetic

field so that the resultant field at the centre of the coil could be zero. [2]

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–21–

turn over


Blankpage

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2208-6508


b3. Thisquestionisintwoparts.Part 1 is about aspects of electric fields and electric charge and Part 2isaboutthermodynamics.

Part 1 Fieldsandelectricchargeassociatedwithatoms

(a) Aprotonmaybeconsideredtobeapointcharge.Forsuchaproton

(i) sketch the electric field pattern. [2]

(ii) calculate the magnitude of the electric field strength at a distance of 5.0 10 m−11× fromtheproton.

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[2]


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–23–

turn over



(b) Inasimplemodelofthehydrogenatom,anelectronorbitstheproton.Bothelectronand

protonareregardedaspointcharges.Theorbitalradiusoftheelectronis5.0 10 m−11× .

(i) Usingyouranswerto(a)(ii)deducethatthemagnitudeoftheelectricforcebetween

theelectronandtheprotonis9.3 10 N.−8×

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

[1]

(ii) Deducethatthekineticenergyoftheelectronis 2.3 10 J.−18×

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[3]

(c) Theelectronin(b)alsohaselectrostaticpotentialenergy.

(i) Define electrostatic potentialatapoint.

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(ii) Calculatetheelectrostaticpotentialenergyofthiselectron.

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[2]


2333

2208-6508



(d) Usingyouranswersin(b)(ii)and(c)(ii)determinetheenergyrequired,inelectronvolt,

to completely remove the electron from the influence of the proton.

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[2]

Fieldsandelectricchargeinconductors

(e) Define electromotive force(e.m.f.).

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[1]

(f) A filament lamp is operating at normal brightness.

The potential difference across the lamp is 6.0 V. The current in the filament is 0.20 A. For the filament of this lamp, calculate

(i) theresistance.

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[1]

(ii) thepowerdissipated.

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[1]


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2208-6508

–25–

turn over



(g) Thelampin(f)isconnectedinthecircuitbelow.Thelampisstilloperatingatnormal

brightness.

BR

ThebatteryBhasaninternalresistanceof5.0andtheresistanceRoftheresistoris15.

(i) CalculatethecurrentintheresistorR.

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[1]

(ii) Determinethee.m.f.ofthebattery.

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Part 2 Thermodynamics

(a) State, by reference to energy exchanges, the difference between a heat pump and a

heatengine.

Heatpump:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Heatengine: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(b) The diagram shows the ideal shape of a pressure-volume relationship (P-V) for the

workingsubstanceduringonecycleofasteamengine.

P

B A610 Pap =1.2×

3

1 mV = 0.103

2 mV = 0.40

V

ThepartofthecyclelabelledABisanisobaricisothermalchangeofphase.


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–27–

turn over



(i) The only part of the cycle in which energy is transferred to the surroundings

is A B.→ Assuming that there is no change in the internal energy of theworkingsubstance,usedatafromthediagramtodeducethattheenergytransferred

tothesurroundingsis53.6 10 J× .

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(ii) The efficiency of the engine is 32 %. Determine the energy transferred fromthesurroundingsduringonecycle.

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(iii) Calculatetheworkdonebytheengineinonecycle.

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b4. This question is in two parts. Part 1 is about powerandanidealgas and Part 2 is about

photoelectriceffect.

Part 1 Powerandanidealgas

(a) Define power.

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(b) Aconstant forceofmagnitudeFmovesanobjectatconstant speedv in thedirection

oftheforce.DeducethatthepowerPrequiredtomaintainconstantspeedisgivenby

theexpression

P Fv=

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turn over



(c) Sandfallsverticallyontoahorizontalconveyorbeltatarateof60kgs–1.

sand

60kgs–1

2.0ms–1

Theconveyorbeltthatisdrivenbyanengine,moveswithspeed2.0ms–1.

Whenthesandhitstheconveyorbelt,itshorizontalspeediszero.

(i) IdentifytheforceFthatacceleratesthesandtothespeedoftheconveyorbelt.

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(ii) DeterminethemagnitudeoftheforceF.

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(iii) CalculatethepowerPrequiredtomovetheconveyorbeltatconstantspeed.

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(iv) DeterminetherateofchangeofkineticenergyKofthesand.

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(v) ExplainwhyPandKarenotequal.

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(d) Theenginethatdrivestheconveyorbeltin(c)operatesinacycle.Inpartofthiscycle,

airiscompressedinacylinderoftheenginesuchthatthepressureandthetemperatureof

theairincreases.Assumingthattheairinthecylinderbehavesasanidealgas,outlinehow

thekineticmodelofanidealgasaccountsforthisincreaseintemperatureandpressure.

temperature:

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pressure:

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turn over



Part 2 Thephotoelectriceffect

Inthephotoelectriceffect,electronsareemittedfromametalsurfacewhenlightofasuitable

frequencyisincidentonthesurface.Thediagrambelowshowsanarrangementforinvestigating

someaspectsofthephotoelectriceffect.

µA

evacuatedquartztube

light

P Q

variabledcsupply

µA

PandQaremetalplates.MonochromaticlightoffrequencyfisincidentonplateP.

Inthesituationshown,themicroammeter( Aµ )registersacurrent.Theintensityofthelightiskeptconstantthroughouttheexperiment.


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(a) AsthepotentialdifferencebetweenPandQisincreased,thecurrentinthecircuitdecreases

untilitiszero.StateandexplainthepolarityofthemetalplateQ.

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(b) The potential difference in the circuit is increased until the current in the circuit just

becomeszero.Thepotentialdifferenceisthenkeptconstant.Thefrequencyfofthelight

isincreasedtoanewvalueandtheintensityiskeptconstant.Themicroammeteragain

registersacurrent.OutlinehowEinstein’stheoryofthephotoelectriceffectaccountsfor

thisobservation.

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(c) Explainwhyin(b)as f is increasedatconstant intensity, thecurrentregisteredby the

microammeterdecreases.

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(d) At a frequency f of 153.0 10 Hz× , the potential difference between P and Q at whichthecurrentjustbecomeszerois8.0V.TheworkfunctionofthemetalsurfaceofPis

4.4eV.

DetermineavalueforthePlanckconstant.

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