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8809-6505 22 pages

N09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX+

Monday 16 November 2009 (afternoon)

Physicsstandard 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 one question 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.

1 hour 15 minutes

Candidate session number

0 0

© International Baccalaureate Organization 2009

0 1 2 2

8 8 0 9 6 5 0 5

8809-6505

–2– N09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX+

Section a

Answer all the questions in the spaces provided.

a1. Dataanalysisquestion.

ThefrequencyfofthefundamentalvibrationofastandingwaveoffixedlengthismeasuredfordifferentvaluesofthetensionTinthestring,usingtheapparatusshown.

signalgenerator

L pulley

mass

vibrator string

(This question continues on the following page)

0 2 2 2

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–3–

turn over


(Question A1 continued)

InordertofindtherelationshipbetweenthespeedvofthewaveandthetensionTinthestring,thespeedviscalculatedfromtherelation

v =2 f L whereListhelengthofthestring.

Thedatapointsareshownplottedontheaxesbelow.Theuncertaintyinvis±5ms–1andtheuncertaintyinTisnegligible.

v/ms–1

60

50

40

30

20

10

0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

T/N

(a) Drawerrorbarsonthefirstandlastdatapointstoshowtheuncertaintyinspeedv. [1]

(b) The original hypothesis is that the speed is directly proportional to the tension T.Explainwhy thedatadonot support thishypothesis.

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[2]


0 3 2 2

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(c) Itissuggestedthattherelationshipbetweenspeedandtensionisoftheform

v k T=

wherekisaconstant.

To testwhether thedatasupport thisrelationship,agraphofv2againstT isplottedasshownbelow.

v2/×103m2s–2

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5

T/N

The best-fit line shown takes into account the uncertainties for each data point.Theuncertainty inv2 forT =3.5Nisshownasanerrorbaron thegraph.

(i) Statethevalueoftheuncertaintyinv2forT =3.5N.

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[1]

(ii) AtT =1.0Nthespeedv =27±5ms–1.Calculatetheuncertaintyinv2.

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[3]


0 4 2 2

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–5–

turn over



(d) Usethegraphin(c)todeterminekwithoutitsuncertainty.

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[4]

0 5 2 2

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a2. Thisquestionisaboutthermalenergytransfer.

(a) Apieceofcopperisheldinaflameuntilitreachesthermalequilibrium.Thetimeittakestoreachthermalequilibriumwilldependonthethermalcapacityofthepieceofcopper.

(i) Definethermal capacity.

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[1]

(ii) Outlinewhatismeantbythermalequilibriuminthiscontext.

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[1]

(b) Thepieceofcopperistransferredquicklytoaplasticcupcontainingwater.Thethermalcapacityofthecupisnegligible.Thefollowingdataareavailable.

Massofcopper = 0.12kg Massofwater = 0.45kg Riseintemperatureofwater = 30K Finaltemperatureofcopper = 308K Specificheatcapacityofcopper = 390JkgK–1

Specificheatcapacityofwater = 4200JkgK–1

(i) Usethedatatocalculatethetemperatureoftheflame.

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

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[3]

(ii) Explainwhether the temperatureof theflame is likely tobegreateror less thanyouranswer to (b)(i).

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[2]

0 6 2 2

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–7–

turn over


a3. Thisquestionisaboutgravitationalandelectricfields.

(a) Theequationforthemagnitudeofthegravitationalfieldstrengthduetoapointmassmaybewrittenasbelow.

Y KXs

= 2

Theequation for themagnitudeof theelectricfield strengthcanalsobewritten in thesameform.

Inthetableidentifythesymbolsusedintheequation. [4]

Symbol Gravitational field quantity Electrical field quantity

Y

K

X

s

(b) ThemagnitudeoftheelectrostaticforcebetweentheprotonandelectroninahydrogenatomisFE. Themagnitudeofthegravitational forcebetween themisFG.

DeterminetheratioFFE

G

.

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

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[3]

0 7 2 2

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Section b

This section consists of three questions: B1, B2 and B3. Answer one question.

b1. Thisquestionisintwoparts.Part 1 isaboutapumped-storagepowerstation.Part 2isaboutforcesandenergies.

Part 1 Pumped-storagepowerstation

(a) Thediagram,nottoscale,showsapumped-storagepowerstationusedforthegenerationofelectricalenergy.

310m

tank

pipe

turbine

lake

Waterstoredinthetankisallowedtofallthroughapipetoalakeviaaturbine.Theturbineis connected to an electrical generator. The pumped-storage ac generator system isreversiblesothatwatercanbepumpedfromthelaketothetank.

Thetankis50mdeepandhasauniformareaof5.0× 104m2.Theheightfromthebottomofthetanktotheturbineis310m.Thedensityofwateris1.0× 103kgm–3.


0 8 2 2

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–9–

turn over


(Question B1, part 1 continued)

(i) Showthatthemaximumenergythatcanbedeliveredtotheturbinebythefallingwaterisabout8× 1012J.

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[3]

(ii) Theflowrateofwaterinthepipeis400m3s–1.Calculatethepowerdeliveredbythefallingwater.

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[2]


0 9 2 2

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(b) Theenergylossesinthepowerstationareshowninthefollowingtable.

Source of energy loss Percentage loss of energyfrictionandturbulenceofwaterinpipe 27

frictioninturbineandacgenerator 15

electricalheatinglosses 5

(i) Calculate the overall efficiency of the conversion of the gravitational potentialenergyofwaterinthetankintoelectricalenergy.

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[1]

(ii) SketchaSankeydiagramtorepresenttheenergyconversioninthepowerstation. [2]


1 0 2 2

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–11–

turn over



(c) The electrical power produced at the power station is transmitted by cables to theconsumer.

(i) Outlinehowtheenergylossesintransmissionareminimized.

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(ii) State one advantage and one disadvantage that a pumped-storage system hascompared toa tidalwaterstoragesystem.

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

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

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[2]


1 1 2 2

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(Question B1 continued)

Part 2 Forceandenergies

(a) A system consists of a bicycle and cyclist travelling at a constant velocity along ahorizontal road.

(i) Statethevalueofthenetforceactingonthecyclist.

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[1]

(ii) On the diagram draw labelled arrows to represent the vertical forces acting onthebicycle. [2]

(iii) Withreferencetothehorizontalforcesactingonthesystem,explainwhythesystemistravellingatconstantvelocity.

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[2]


1 2 2 2

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–13–

turn over



(b) Thetotalresistiveforceactingonthesystemis40Nanditsspeedis8.0ms–1.Calculatetheusefulpoweroutputofthecyclist.

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[1]

(c) Thecycliststopspedallingandthesystemcomestorest.Thetotalmassofthesystemis70kg.

(i) Calculatethemagnitudeoftheinitialaccelerationofthesystem.

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

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[2]

(ii) Estimate the distance taken by the system to come to rest from the time thecycliststopspedalling.

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[2]

(iii) Stateandexplainonereasonwhyyouranswerto(c)(ii)isonlyanestimate.

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[2]

1 3 2 2

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b2. This question is in two parts. Part 1 is about simple harmonicmotion. Part 2 is aboutelectriccircuits.

Part 1 Simpleharmonicmotion

(a) In terms of the acceleration, state two conditions necessary for a system to performsimpleharmonicmotion.

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

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

[2]

(b) Atuningforkissoundedanditisassumedthateachtipvibrateswithsimpleharmonicmotion.

d

Theextremepositionsoftheoscillatingtipofoneforkareseparatedbyadistanced.

(i) State,intermsofd,theamplitudeofvibration.

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

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[1]

(ii) Ontheaxesbelow,sketchagraphtoshowhowthedisplacementofonetipofthetuningforkvarieswithtime. [1]

displacement

0 0 time

(iii) Onyourgraph,labelthetimeperiodTandtheamplitudea. [2]


1 4 2 2

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–15–

turn over



(c) The frequency of oscillation of the tips is 440Hz and the amplitude of oscillation ofeach tip is1.2mm. Determine themaximum

(i) linearspeedofatip.

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[2]

(ii) accelerationofatip.

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[2]


1 5 2 2

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Part 2 Electriccircuits

ThecomponentsshownbelowaretobeconnectedinacircuittoinvestigatehowthecurrentIinatungstenfilamentlampvarieswiththepotentialdifferenceVacrossit.

(a) Construct a circuit diagram to show how these components should be connectedtogetherinordertoobtainaslargearangeaspossibleforvaluesofpotentialdifferenceacross the lamp. [4]


1 6 2 2

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–17–

turn over



(b) Ontheaxes,sketchagraphofIagainstVforafilamentlampintherangeV =0toitsnormalworkingvoltage. [2]

I

0 0 V

(c) The lampismarkedwith thesymbols“1.25V,300mW”. Calculate thecurrent in thefilamentwhenitisworkingnormally.

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(d) Theresistivityoftungstenatthelamp’sworkingtemperatureis7 4 10 7. × − Ωm.Thetotallengthofthetungstenfilamentis0.80m.Estimatetheradiusofthefilament.

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(e) Thecellisconnectedtotwoidenticallampsconnectedinparallel.Thelampsareratedat 1.25V, 300mW. The cell has an emf of 1.5V and an internal resistance of 1.2Ω.Determinewhetherthelampswilllightnormally.

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b3. This question is in two parts. Part 1 is about nuclearfission and fusion. Part 2 is aboutglobalwarming.

Part 1 Nuclearfissionandfusion

(a) The graph shows the variation of binding energy per nucleon for nuclides with anucleonnumbergreater than40.

bindingenergypernucleon/

MeV

9.5

9.0

8.5

8.0

7.5

7.0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

nucleonnumber

(i) Definebinding energy.

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(ii) Onthegraph,labelwiththeletterSthepositionofthemoststablenuclide. [1]

(iii) Statewhythenuclideyouhavelabelledisthemoststable.

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turn over



(b) In a nuclear reactor, a nucleus of uranium(U)-235 fissions into barium(Ba)-141andkrypton(Kr)-92. Theequationfor thisfission is

92235

56141

3692

01U Ba Kr n→ + + x .

(i) Use the graph to show that the fission of one nucleus of uranium-235 willrelease about 200MeV of energy.

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(ii) Statethevalueofxintheequation.

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(iii) The mass defect in this reaction is 3.1× 10–28kg. Calculate the number ofuranium-235nuclei thatmustfission inorder to release1.0kJofenergy.

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(iv) Outlinehowthisfissionreactioncanleadtoachainreaction.

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(c) Intensive scientific effort is devoted to developing nuclear fusion as a futureenergy source. Discuss what could be the social and environmental benefits ofusing nuclear fusion as compared with nuclear fission as an energy source.

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turn over



Part 2 Globalwarming

(a) Onereasonoftensuggestedforglobalwarmingistheenhancedgreenhouseeffect.

(i) Statewhatismeantbytheenhancedgreenhouseeffect.

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(ii) Statetwo otherpossiblecausesofglobalwarming.

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(b) OneeffectofglobalwarmingistomelttheAntarcticicesheet.ThefollowingdataareavailablefortheAntarcticicesheetandtheEarth’soceans.

Areaoficesheet =1.4×107km2

Averagethicknessofice =1.5×103m Densityofice =920kgm–3

Densityofwater = 1000kgm–3

AreaofEarth’soceans =3.8×108km2

Usingthedata,determinethe

(i) massoftheAntarcticice.

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(ii) changeinmeansealevelifalltheAntarcticicesheetweretomeltandflowintotheoceans.

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(c) Outlinethedifference,ifany,thatthemeltingofoceanicicesheetsmakestothemeansea levelof theEarth.

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