physics higher level paper 2 · 2019. 1. 17. · 2210-6514 – 4 – m10/4/physi/hp2/eng/tz2/xx+...

2210-6514 22 pages

M10/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ2/XX+

Monday 10 May 2010 (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 2010

0 1 2 2

2 2 1 0 6 5 1 4

2210-6514

–2– M10/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ2/XX+

Section a

Answer all the questions in the spaces provided.

a1. Dataanalysisquestion.

Gillian carried out an experiment to investigate the craters formed when steel balls aredroppedintosand.Totryandfindtherelationshipbetweenthediameterofthecraterandtheenergyofimpactofsteelballsof thesamediameter,shedroppedasteelballfromdifferentheightshintosandandmeasuredtheresultingdiameterdofthecrater.Thedataareshownplottedbelow.

d/×10–2m 12

10

8

6

4

2

0

0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5h/m

(a) The uncertainty in the measurement of d is ±0.40cm; the uncertainty in h is toosmall tobeshown. Drawerrorbars for thedatapoint (0.2,0.047)and thedatapoint(2.0, 0.10). [2]

(b) Drawabest-fitlineforthedatapoints. [2]

(c) Theoriginalhypothesis,madebyGillian,wasthatthediameterofthecraterisdirectlyproportionaltotheenergyofimpactofthesteelballs. Explainwhythedatadoesnotsupport thishypothesis.

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[3]

(This question continues on the following page)

0 2 2 2

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–3–

turn over


(Question A1 continued)

(d) SinceGillian’s data did not support her hypothesis, she researched tofind alternativehypotheses. She found that there are two theories used to predict a relationshipbetweendandh.

Theory1predictsthatd const h= ( )1

3andtheory2predictsthatd const h= ( )1

4.

Inordertotestwhichtheoryherdatasupports,sheplottedagraphoflg(d)againstlg(h).Theplotproducedastraightlinethatcouldbedrawnthroughalltheerrorbars.

lg(d) 1.0

0.9

0.8

0.7

0.6 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4

lg(h)

The graph includes the lines of maximum and minimum gradients based on thefirsterrorbarforthefirstnon-zerodatapointandthelasterrorbar.Thelasterrorbaris too small to be shown. State and explain if the original data support theory 1ortheory 2.

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a2. Thisquestionisaboutradioactivedecayandbindingenergy.

(a) Describewhatismeantbyradioactivedecay.

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(b) Anucleusofpotassium-40(K-40)undergoesradioactivedecaytoanucleusofargon-40(Ar-40).Inthereactionequationbelow,identifytheprotonnumberZofargonandtheparticlex.

1940 40K Ar→ + ++Z xβ

Z : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

x : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(c) ThemassofaK-40nucleusis37216MeVc–2.DeterminethebindingenergypernucleonofK-40.

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(d) StatewhythebindingenergyofAr-40isgreaterthanthatofK-40.

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[1]

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–5–

turn over


a3. Thisquestionisaboutchangeofphaseofaliquidandlatentheatofvaporization.

(a) State thedifferencebetweenevaporationandboilingwithreference to

(i) temperature.

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(ii) surfaceareaofaliquid.

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(b) A liquid in a calorimeter is heated at its boilingpoint for ameasuredperiodof time.Thefollowingdataareavailable.

Powerratingofheater =15WTimeforwhichliquidisheatedatboilingpoint = 4.5×102sMassofliquidboiledaway =1.8×10–2kg

Usethedatatodeterminethespecificlatentheatofvaporizationoftheliquid.

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(c) State and explain one reason why the calculation in (b) will give a value of thespecific latentheatofvaporizationof the liquid that isgreater than the truevalue.

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a4. Thisquestionisaboutinducedemfandtransformers.

(a) One of the coils of a particular transformer is connected in serieswith a switch anda battery. The coil has low resistance. On closing the switch it is observed that thecurrent takes a certain amount of time to reach its finalconstantvalue. Explain thisobservationwithreferencetoFaraday’slawandLenz’slaw.

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(b) In a particular power station the voltage generated is stepped up by a transformer.Therootmeansquarevoltageisincreasedbyafactorof2×103. Theoutputpowerofthetransformeristransmittedtoatownbycables.

(i) Outlinewhatismeantbytherootmeansquarevalueofatime-varyingvoltage.

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(ii) State the best estimate for the factor by which the power loss in the cables isreducedasa resultofsteppingup thevoltage.

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turn over


a5. Thisquestionisaboutstandingwaves.

(a) Statetwopropertiesofastanding(stationary)wave.

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(b) Thediagramshowsanorganpipethatisopenatoneend.

l

Thelengthofthepipeisl.Thefrequencyofthefundamental(firstharmonic)noteemittedbythepipeis16Hz.

(i) On the diagram, label with the letter P the position along the pipe where theamplitudeofoscillationof theairmolecules is the largest. [1]

(ii) Thespeedofsoundintheairinthepipeis330ms–1.Calculatethelengthl.

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(c) Use your answer to (b)(ii) to suggest why it is better to use organ pipes that areclosed at one end for producing low frequency notes rather than pipes that are openat both ends.

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a6. Thisquestionisaboutpolarizedlight.

(a) Distinguishbetweenpolarizedandunpolarized light.

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(b) AbeamofplanepolarizedlightofintensityI0isincidentonananalyser.Thedirectionof

thebeamisatrightanglestotheplaneoftheanalyser.

transmissionaxis

planeof

polarization

incidentbeam

analyser

Theanglebetweenthetransmissionaxisoftheanalyserandtheplaneofpolarizationofthelightisθ.Inthepositionshownthetransmissionaxisoftheanalyserisparalleltotheplaneofpolarizationofthelight(θ=0).

Ontheaxes,sketchagraphtoshowhowtheintensityIofthetransmittedlightvarieswithθas theanalyser is rotated through180. [2]

I

I0

00 θ

0 8 2 2

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

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0 9 2 2

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(Question B1, part 1 continued)

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

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(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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1 0 2 2

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–11–

turn over


(Question B1 continued)

Part 2 Radioactivedecay

(a) Thealphaparticlesproducedinalphadecayhavediscreteenergies. Suggesthowthisobservationprovidesevidencefor theexistenceofnuclearenergy levels.

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(b) Anucleusoftheisotopefluorine-18decaysintoanucleusofoxygen-18bytheemissionofapositronandneutrino.Outlinehowthenatureoftheβ-decayenergyspectrumoffluorine-18suggeststheexistenceoftheneutrinoinvolvedinthedecay.

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(c) A freshly prepared sample of fluorine-18 has an activity of 1.12MBq. Its activityfourhours later is0.246MBq.

(i) Showthatthedecayconstantforfluorine-18is0.379hr–1.

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(ii) Calculatethehalf-lifeoffluorine-18.

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(d) Theenergyofabetaparticleinthedecayofthesamplein(c)is8.4×10–15J.ShowthatthedeBrogliewavelengthofthisparticleis5.3×10–12m.

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1 1 2 2

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b2. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutoscillationsandwaves.Part 2isaboutgasesandthermodynamicprocesses.

Part 1 Oscillationsandwaves

(a) Arectangularpieceofwoodoflengthlfloatsinwaterwithitsaxisverticalasshownindiagram1.

l

watersurface

x

A

d

d d

diagram1 diagram2 diagram3

Thelengthofwoodbelowthesurfaceisd.Thewoodispushedverticallydownwardsa distanceA such that a length ofwood is still above thewater surface as shown indiagram2.Thewoodisthenreleasedandoscillatesvertically.Attheinstantshownindiagram3,thewoodismovingdownwardsandthelengthofwoodbeneaththesurfaceisd + x.

(i) On diagram3, draw an arrow to show the direction of the acceleration ofthe wood. [1]

(ii) The accelerationa of thewood(inms–2)is related tox (inm) by the followingequation.

al

x= −14

Explain why this equation shows that the wood is executing simple harmonicmotion.

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1 2 2 2

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turn over



(iii) Theperiodofoscillationofthewoodis1.4s.Showthatthelengthlofthewoodis0.70m.

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(b) Thewoodin(a),asshownindiagram2, isreleasedat time t =0. Ontheaxesbelow,sketchagraphtoshowhowthevelocityvofthewoodvarieswithtimeoveroneperiodofoscillation. [1]

v

0

t

(c) ThedistanceAthatthewoodisinitiallypusheddownis0.12m.

(i) Calculatethemagnitudeofthemaximumaccelerationofthewood.

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(ii) On your sketch graph in (b) label with the letter P one point where themagnitude of the acceleration is a maximum. [1]


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(d) The oscillations of the wood generate waves in the water of wavelength 0.45m.ThegraphshowshowthedisplacementD,ofthewatersurfaceataparticulardistancefromthewoodvarieswithtimet.

D/cm 4.0

– 3.0

1.0

– 1.0

2.0

– 2.0

0.0

2.01.51.00.5 3.53.02.5

3.0

– 4.0

t / s0.0

Usingthegraph,calculatethe

(i) speedofthewaves.

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(ii) ratioofthedisplacementatt = 1.75stothedisplacementatt =0.35s.

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(iii) ratiooftheenergyofthewaveatt = 1.75stotheenergyatt =0.35s

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Part 2 Gasesandthermodynamicprocesses

(a) Stateonewayinwhicharealgasdiffersfromanidealgas.

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(b) ThediagramshowshowthepressurepvarieswithvolumeVofanidealgasthatundergoesacyclicchangeofstate.

p

B C

D

A

V

ABandCDareadiabaticchangesofstate. ThepressureatpointBis1.8×105Paandthechange involumeof thegasbetweenBandC is4.8×10–4m3.

(i) Statewhatismeantbyanadiabaticchangeofstate.

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(ii) ThechangeinvolumeofthegasbetweenBandCtakes0.020s.Determinethepowerdevelopedduringthischangeofstate.

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(iii) State duringwhich part of the cycle thermal energy is transferred from the gasto thesurroundings.

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(c) Theenergytransferredisdegraded.Explainwhatismeantbydegradedenergy.

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(d) Discusshowyouranswerto(c)relatestothesecondlawofthermodynamics.

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–17–

turn over


b3. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutfossilfuelsandthegreenhouseeffect.Part 2isaboutelectricpotential.

Part 1 Fossilfuelsandthegreenhouseeffect

(a) State two reasons why most of the world’s energy consumption is provided byfossil fuels.

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(b) A power station has an output power of 500MW and an overall efficiency of 27%.Itusesnaturalgasasa fuel thathasanenergydensityof56MJkg–1.

(i) Defineenergy density.

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(ii) Determinetherateofconsumptionofnaturalgasinthepowerstation.

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(c) OutlinewhytheenhancedgreenhouseeffectmayresultinanincreaseinthetemperatureoftheEarth’ssurface.

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1 7 2 2

2210-6514



(d) (i) ThesolarintensityatthepositionoftheEarthis1380Wm–2.TheaveragealbedoofEarthis0.300.Statewhyanaveragevalueofalbedoisquoted.

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(ii) ShowthattheaveragereflectedintensityfromtheEarthisabout100Wm–2.

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(e) Oneoftheexpectedresultsofglobalwarmingisanincreasedsealevel. TheincreaseinvolumeΔV fora temperature increaseΔT isgivenbyΔV = γVΔT. Show,usingthefollowingdata,thattheresultingriseinsealevelisabout0.5m.

Temperatureincrease=2.0°C SurfaceareaofoceansonEarth =3.6×108km2

Averageoceandepth=3.0km γ =8.8×10–5K–1

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turn over



Part 2 Electricpotential

(a) Defineelectric potentialatapointinanelectricfield.

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(b) Theelectricfieldinsideachargedconductingsphereiszero.Stateandexplainwhythevalueofthepotentialinsidethesphereisconstant.

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(c) In1914NielsBohrproposedasimplemodelofthehydrogenatominwhichtheelectronisassumedtobeinanorbitofradiusrabouttheproton.Boththeelectronandtheprotonareregardedtobepointcharges.

(i) ItcanbeshownthatthekineticenergyEKoftheelectronisgivenbytheequation

Eke

rK =

2

2

wherekistheCoulombconstantandeistheelectroncharge.DeduceanequationforthetotalenergyEoftheelectron.

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(ii) In the Bohr model, the magnitude of the minimum energy of the electron is2.2×10–18J. Estimatetheradiusoftheorbit,inwhichtheelectronhasminimumenergy.

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b4. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutmomentum,energyandpower.Part 2isaboutCCDsanddigitaldatastorage.

Part 1 Momentum,energyandpower

(a) InhisPrincipia MathematicaNewtonexpressedhis third lawofmotion as “to everyaction there is always opposed an equal reaction”. State what Newton meant bythis law.

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(b) Abook is releasedfromrestandfalls towards thesurfaceofEarth. DiscusshowtheconservationofmomentumappliestotheEarth-booksystem.

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(c) A large swinging ball is used to drive a horizontal iron spike into a vertical wall.Thecentreof theball falls throughaverticalheightof1.6mbeforestriking thespikein thepositionshown.

wall

1.6m

ballmass 3.5kg

spikemass 0.80kg


2 0 2 2

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turn over



Themassof theball is3.5kgandthemassof thespikeis0.80kg. Immediatelyafterstrikingthespike,theballandspikemovetogether.Showthatthe

(i) speedoftheballonstrikingthespikeis5.6ms–1.

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(ii) energydissipatedasaresultofthecollisionisabout10J.

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(d) As a result of the ball striking the spike, the spike is driven a distance7.3×10–2minto thewall. Calculate, assuming it to be constant, the friction forceF between thespikeandwall.

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(e) Themachinethatisusedtoraisetheballhasausefulpoweroutputof18W.Calculatehowlongittakesforthemachinetoraisetheballthroughaheightof1.6m.

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2210-6514



Part 2 CCDsanddigitaldatastorage

(a) Anobjectistobephotographedusingadigitalcamera.

(i) State thenameof thephenomenoninwhichlightcauseselectrons tobeemittedfromapixelofaCCD.

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(ii) OutlinehowtheimageoftheobjectontheCCDisformed.

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(b) PhotonsareincidentononeofthepixelsoftheCCDatarateof3.6×106s–1.Thepixelhascapacitance34pFandquantumefficiencyof80%.Determinethepotentialdifferenceacrossthepixelafteranexposuretimeof15ms.

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(c) Outline,with reference to the retrievalof storeddata,why it isbetter to storedata indigitalformratherthananalogueform.

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