b4. two part 1 electrical heater -...

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b4. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutanelectricalheater.Part 2isaboutthehydrogenatom.

Part 1 Electricalheater

Anelectricalheaterconsistsoftwoheatingelements 1E andE2 .Theelementsareconnectedinparallel.Eachelementhasaswitchandisconnectedtoasupplyofemf240V.Thesupplyhasnegligibleinternalresistance.

240 V supply

ElementE1 ismadefromwirethathasacross-sectionalareaof8 26.8 10 m−× .Theresistivity

ofthewireattheoperatingtemperatureoftheelementis1 1 10 6. × − Ωm.

(a) (i) Thetotallengthofwireis4.5m.Showthattheresistanceof 1E is73Ω .

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[1]

(ii) Calculatethepoweroutputof 1E withonlythiselementconnectedtothesupply.

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[2]

(iii) Element E2 ismadeofwireof thesamecross-sectionandmaterialas 1E . Thelengthofwireusedtomake E2 is1.5m.Determinethetotalpoweroutputwhenboth 1E andE2 areconnectedtothesupply.

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[3]

(This question continues on the following page)

1E

E2

2 6 2 9

COMBINED IB HL PHYSICS ELECTRICITY LONG QUESTIONS 2009-10

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Turn over

M10/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX+

(Question B4, part 1 continued)

(iv) Withreferencetothepoweroutput,explainwhyitwouldbeinappropriatetoconnecttheheatingelementsinseries.

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[3]

(b) Eachelementintheelectricalheateriswoundasacoilasshown.

Eachturnofthecoilmaybeconsideredtoactasacurrent-carryinglongstraightwire.

(i) On the diagram, draw the magnetic field around a current-carrying longstraightwire.Thearrowshowsthedirectionofthecurrent. [3]

eye

current-carryingwire

M10/2/A2MGR/HP1/GRE/TZ0/XX

(ii) Stateandexplainwhethertheturnsofwirewillattractorrepeloneanother.

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steveweatherell

Cross-Out

steveweatherell

Cross-Out

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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 1isaboutelectricfieldsandelectricalresistance.Part 2isaboutradioactivedecay.

Part 1 Electricfieldsandelectricalresistance

(a) State,intermsofelectrons,thedifferencebetweenaconductorandaninsulator.

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(b) Suggestwhytheremustbeanelectricfieldinsideacurrent-carryingconductor.

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(c) Themagnitudeoftheelectricfieldstrengthinsideaconductoris55NC–1.Calculatetheforceonafreeelectronintheconductor.

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(d) Defineresistance.

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[1]

(e) Aresistormadefromametaloxidehasaresistanceof1.5Ω.Theresistorisintheformofacylinderof length2.2×10–2mand radius1.2×10–3m. Calculate the resistivityofthemetaloxide.

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(f) Themanufacturerof theresistor in(e)guaranteesitsresistancetobewithin±10%of1.5Ωprovidedthepowerdissipationintheresistordoesnotexceed1.0W.Calculatethemaximumcurrentintheresistorforthepowerdissipationtobeequalto1.0W.

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[2]

(g) Threeof theresistorsin(f)areconnected in thecircuitbelow.

Thecellhasanemfof2.0Vandnegligibleinternalresistance.

(i) Defineemf.

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(ii) Determine the minimum and the maximum power that could be dissipated inthiscircuit.

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b4. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutelectriccircuits.Part 2isaboutelectrons.

Part 1 Electriccircuits

ThecomponentsshownbelowaretobeconnectedinacircuittoinvestigatehowthecurrentIinatungstenfilamentlampvarieswiththepotentialdifferenceVacrossit.

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


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turn over

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(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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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.

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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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(iii) OutlinehowthetemperatureTCcouldbemeasuredmoreprecisely.

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[1]

(d) OutlinetworeasonswhyyoucouldnotusethedatatodetermineanaccuratevalueforRatroomtemperature.

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(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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a2. Thisquestionisaboutelectricalresistance.

(a) A heating coil is to be made of wire of diameter 3.5 ×10–4m. The heater is todissipate980Wwhenconnected toa230Vd.c. supply. Thematerialof thewirehasresistivity 1.3 ×10–6Ωm at theworking temperature of the heater.

(i) Defineelectrical resistance.

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(ii) Calculatetheresistanceoftheheatingcoilatitsnormalworkingtemperature.

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(iii) Showthatthelengthofwireneededtomaketheheatingcoilisapproximately4m.

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Turn over


(Question A2 continued)

(b) Three identical electrical heaters eachprovidepowerPwhen connected separately toa supply Swhichhaszero internal resistance. On the diagram below, complete thecircuit by drawing two switches so that the power provided by the heaters may beeitherPor2Por3P. [2]

supplyS


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– 26 – SPEC/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ0/XX

b4. This question is in two parts. Part 1 is about heating water for a domestic shower. Part 2 is about the photoelectric effect.

Part 1 Domestic shower

(a) The diagram below shows part of the heating circuit of a domestic shower.

cold water 14°C

insulated wire

240 V water pipe

supply

insulated heating elementhot water 40°C

Cold water enters the shower unit and flows over an insulated heating element.The heating element is rated at 7.2 kW, 240 V. The water enters at a temperature of 14 °C and leaves at a temperature of 40 °C. The specific heat capacity of wateris 4.2×103Jkg–1 K–1.

(i) Definespecific heat capacity.

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(ii) Estimatetheflowrateofthewater.

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SPEC/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ0/XX


(iii) Suggest two reasons why your answer to (a)(ii) is only an estimate.

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(iv) Calculate the current in the heating element when the element is operating at 7.2 kW.

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(v) Explain why, when the shower unit is switched on, the initial current in the heating element is greater than the current calculated in (a)(iv).

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(This question continues on page 29)


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(b) In some countries, shower units are operated from a 110 V supply. A heating element operating with a 240 V supply has resistance R240 and an element operating from a 110 V supply has resistance R110.

Show that for heating elements to have identical power outputs

RR

110

240

0 21= . .

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b4. two part 1 electrical heater -...

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