physics higher level paper 2 - papers | xtremepapers · 2019. 1. 17. · length 9.3 m. the carriage...

2208-6514 31 pages

M08/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ2/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

0131

22086514

2208-6514

–2– M08/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ2/XX+

Section a

Answer all the questions in the spaces provided.

a1. Some data for the resistance R of an electrical component at different temperatures are

shownbelow.

t / °°c R / Ω

10.0

15.0

25.0

30.0

35.0

40.0

2600

2150

1510

1280

1080

925

A graph of the variation with temperature t of the resistance R of the component is

shownbelow. Errorbarshavebeen included.

R/Ω

3400

3200

3000

2800

2600

2400

2200

2000

1800

1600

1400

1200

1000

800 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45

t/°C

(This question continues on the following page)

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–3–

turn over


(Question A1 continued)

(a) Estimatethe

(i) uncertaintyrangeinthetemperaturemeasurements.

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

[1]

(ii) percentageuncertaintyintheresistanceat10.0°C.

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

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[2]

(b) Usethegraphtodeterminethe

(i) mostprobableresistanceofthecomponentat20.0°Candat5.0°C.

Resistanceat20.0°C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [1]

Resistanceat5.0°C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . [2]

(ii) rateofchangeofresistancewithtemperatureat20.0°C.

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

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[3]

(c) Therelationshipbetweenresistanceandtemperatureisnotlinear.Describe,andexplain,

theevidenceforanon-linearrelationshipthatisprovidedbythegraph.

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[2]


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(Question A1 continued)

(d) AstudentsuggeststhattherelationshipbetweentheresistanceRandtemperatureisof

theform

Rc

T=

wherecisaconstantandTisthethermodynamic(absolute)temperature.

Usedatafromthetabletodetermine,withoutdrawingagraph,whetherthissuggestion

iscorrect.

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[3]

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turn over


a2. Thisquestionisaboutradioactivity.

(a) Outlineamethodforthemeasurementofthehalf-lifeofaradioactiveisotopehavinga

half-lifeofapproximately109years.

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[3]

(b) Aradioactiveisotopehasahalf-lifeT12

.Determinethefractionofthisisotopethatremains

inaparticularsampleoftheisotopeafteratimeof1.6T12

.

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

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[2]

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a3. Thisquestionisaboutanidealgasandentropy.

(a) A fixed mass of an ideal gas is compressed from volume V1 to volume V2 atconstant temperature. The variation with volume V of the pressure p of the gas is

shownbelow.

p

V2 V1 V

Onthediagramabove,drawalinetoshowthevariationofpressurepasthevolumeof

thegasischangedfromV1toV2withoutallowinganythermalenergytoenterorleave

thegas. [2]

(b) Onthediagramin(a),identify

(i) withtheletterG,thelinethatrepresentsthechangethatrequiresthegreateramount

ofworkdoneonthegas. [1]

(ii) by shading an area of the diagram, the part of the diagram that represents the

differencebetweentheworkdoneinthetwochanges. [1]

(c) For the compression of the gas at constant temperature, deduce what change, if any,

occurs in theentropyof thegasandof itssurroundings. [3]

thegas: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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

thesurroundings: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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

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–�–

turn over


a4. Thisquestionisaboutanidealtransformer.

(a) StateFaraday’slawofelectromagneticinduction.

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

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[2]

(b) Thediagrambelowshowsanidealtransformer.

laminatedcore

primarycoil secondarycoil

(i) Use Faraday’s law to explain why, for normal operation of the transformer,

thecurrent in theprimarycoilmustvarycontinuously.

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

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[2]

(ii) Outlinewhythecoreislaminated.

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[2]

(iii) Theprimarycoilofanidealtransformerisconnectedtoanalternatingsupplyrated

at230V.Thetransformerisdesignedtoprovidepowerforalampratedas12V,

42Wandhas450turnsofwireon itssecondarycoil. Determine thenumberof

turnsofwireontheprimarycoilandthecurrentfromthesupplyforthelampto

operateatnormalbrightness.

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[3]

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Section b

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

b1. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutunitsandmomentumandPart 2isaboutX-rays.

Part 1 Unitsandmomentum

(a) Distinguishbetweenfundamentalunitsandderivedunits.

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[1]

(b) TherateofchangeofmomentumRofanobjectmovingatspeedvinastationaryfluidofconstantdensityisgivenbytheexpression

R = kv2

wherekisaconstant.

(i) Statethederivedunitsofspeedv.

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

[1]

(ii) DeterminethederivedunitsofR.

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[2]

(iii) Usetheexpressionandyouranswersin(b)(i)and(b)(ii)todeterminethederived

unitsofk.

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[1]


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turn over


(Question B1, part 1 continued)

(c) Define

(i) linear momentum.

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(ii) impulse.

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[1]


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(d) Inarideinapleasurepark,acarriageofmass450kgistravellinghorizontallyataspeed

of18ms–1.Itpassesthroughashallowtankcontainingstationarywater.Thetankisof

length9.3m.Thecarriageleavesthetankataspeedof13ms–1.

18ms–1 water-tank 13ms–1

carriage,mass450kg

9.3m

As the carriage passes through the tank, the carriage loses momentum and causes

somewatertobepushedforwardswithaspeedof19ms–1inthedirectionofmotionof

thecarriage.

(i) Forthecarriagepassingthroughthewater-tank,deducethatthemagnitudeofits

totalchangeinmomentumis2250Ns.

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[1]

(ii) Usetheanswerin(d)(i)todeducethatthemassofwatermovedinthedirectionof

motionofthecarriageisapproximately120kg.

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(iii) Calculatethemeanvalueofthemagnitudeoftheaccelerationofthecarriagein

thewater.

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[3]


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(e) Forthecarriagein(d)passingthroughthewater-tank,determine

(i) itstotallossinkineticenergy.

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[3]

(ii) thegaininkineticenergyofthewaterthatismovedinthedirectionofmotionof

thecarriage.

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[1]

(f) Byreferencetotheprinciplesofconservationofmomentumandofenergy,explainyour

answersin(e).

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(Question B1 continued)

Part 2 X-rays

(a) DrawalabelleddiagramofanexperimentalarrangementfortheproductionofX-rays. [4]

(b) Suggesthoweachofthefollowingmaybecontrolled.

(i) IntensityoftheX-raybeam

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(ii) MinimumwavelengthofX-rayphotons

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turn over



(c) State,andexplain,theoriginofthecontinuouspartofanX-rayspectrum.

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Blankpage

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turn over


b2. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutlatentheatandspecificheatandPart 2isaboutforcefields.

Part 1 Latentheatandspecificheat

(a) (i) Definespecific latent heat of vaporization.

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[2]

(ii) Energy is supplied to a boiling liquid at a constant rate. Describe, in terms of

molecularbehaviour,whythetemperatureoftheliquidremainsconstant.

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[3]


1531

2208-6514



(b) Astudentdeterminesthelatentheatofvaporizationofwaterbyanelectricalmethod.

Anelectricalheaterisusedtoboilwater.Whenthewaterisboilingatasteadyrate,

themassofwaterevaporatedperminuteisdetermined. Themassisdeterminedfor

twodifferentpowersoftheheaterandtheresultsareshowninthetablebelow.

power of heater / W mass of water evaporated per minute / g

80.0

35.0

1.89

0.�0

Thepoweroftheheaterisdeterminedusinganammeterandavoltmeter.

(i) Theheaterislabelled9.0V,80.0W.Inthespacebelow,drawanelectricalcircuitto

showhowtheheatermaybeusedcorrectlywithaconstant12Vsupplytoprovide

differentpowerstotheheater.Includetheammeterandvoltmeterinyourcircuit. [2]

12V

(ii) Calculatethecurrentintheheaterforapoweroutputof80.0W.

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[2]

(iii) Usethedatainthetableabovetodetermineavalueforthespecificlatentheatofvaporizationofwater.

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[4]


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2208-6514

–1�–

turn over



(c) Inoneparticularmakeofelectrickettle,theheatermustalwaysbeimmersedinwater

whenthekettleisinuse.Theminimumvolumeofwaterthatcanbeheatedis650cm3.

Thekettleisusedsixtimeseachdaytoboilwaterforasinglecupoftea.Thecuphasa

volumeof350cm3.Themassof1.0cm3ofwateris1.0g.

(i) Calculatethemassofwaterthatisheated,butnotused,duringoneday.

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[1]

(ii) The initial temperature of the water in the kettle before heating is 18°C.The specific heat capacity of water is 4.2×103Jkg–1K–1. Deduce that theelectrical energy wasted each day is 6.2×105J.

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[1]

(iii) Thecostof1.0MJofelectricalenergyis3.5cents.Estimatethecostoftheenergy

thatisusedeachyeartoheatwaterthatisnotusedtomaketea.

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

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[2]


1731

2208-6514



Part 2 Forcefields

(a) Electricfieldsandmagneticfieldsmayberepresentedbylinesofforce. Thediagrambelowshowssomelinesofforce.

A B

(i) StatewhetherthefieldstrengthatAandatBisconstant,increasingordecreasingwhenmeasuredinthedirectionfromAtowardsB.

atA: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

atB: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

[2]

(ii) Explainwhyfieldlinescannevertouchorcross.

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[2]


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–19–

turn over



(iii) The diagram below shows two insulated metal spheres. Each sphere has the

samemagnitudeofpositivecharge.

Intheshadedareabetweenthespheres,drawtheelectricfieldpatternduetothetwospheres. [3]


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2208-6514



(b) A bubble chamber is an apparatus that is used to show the paths of particles.

Ahigh-energyparticleentersthechamberand,atapointP,thereisareactionthatgives

risetotwochargedparticles.Thetracksoftheparticlesareshownbelow.

high-energyparticle

P

Thereisauniformfieldofforceactingnormallytotheplaneofthepaper.

(i) State,andexplain,whetherthefieldofforceiselectricormagnetic.

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[2]

(ii) The path of each of the two particles produced in the reaction is a spiral.

Oneparticleisspirallingclockwise,theotheranti-clockwise.Suggestwhythey

spiralinoppositedirections.

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[1]

(iii) Outlinewhyeachpathisaspiral,ratherthanacircle.

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[3]

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2208-6514

–21–

turn over


Blankpage

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2208-6514


b3. This question is in two parts. Part 1 is about wave phenomena and Part 2 is about

nucleardecay.

Part 1 Wavephenomena

(a) Thegraphbelowshowsthevariationwithtimetofthedisplacementxofoneparticlein

asoundwave.

x/mm 0.3

0.2

0.1

0.0

–0.1

–0.2

–0.3

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

t/ms

Thespeedofthewaveis380ms–1.

(i) Suggest, by marking the letter C on the t-axis of the graphabove, one time at

which theparticlecouldbeat thecentreofacompression. [1]

(ii) Deducethewavelengthofthewave.

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[3]


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2208-6514

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turn over



(b) (i) Outlinetheconditionsnecessaryfortheformationofastanding(stationary)wave.

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[2]

(ii) Ahorizontaltube,closedatoneend,hassomefinepowdersprinkledalongitslength.AsourceSofsoundisplacedattheopenendofthetube,asshownbelow.

sourceSheapofpowder

ThefrequencyofthesourceSisvaried. Explainwhy,ataparticularfrequency,

thepowder isseen to formsmallequally-spacedheaps in the tube.

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[2]

(iii) Themeanseparationoftheheapsofpowderin(b)(ii)is9.3cmwhenthefrequency

ofthesourceSis1800Hz.Calculatethespeedofsoundinthetube.

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[2]

(c) The experiment in (b)(ii) is repeated on a day when the temperature of the air in

the tubeis higher. The mean separation of the heaps is observed to have increased

for the same frequency of the source S. Deduce qualitatively the effect, if any, of

temperatureriseon thespeedof thesound in the tube.

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[2]


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2208-6514



(d) ThediagrambelowshowswavefrontsproducedbytwosourcesS1andS2ofsoundthat

arevibratinginphase.

B A B

S1 S2

ThewavesinterfereconstructivelyalongthelineslabelledAandB.

(i) Statewhatismeantbyconstructiveinterference.

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[3]

(ii) On the diagram above, draw another line, labelled C, along which the waves

interfereconstructively. [1]

(iii) On the diagram above, draw another line, labelled D, along which the waves

interferedestructively. [1]


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2208-6514

–25–

turn over



(e) Adoubleslitconsistsoftwoslits,eachofwidth0.50cmthatare3.5cmapart,asshown

below.

0.50cm 0.50cm

3.5cm

A beam of sound, incident normally to the plane of the double slit, passes through

theslits. Adetector ismovedalonga lineparallel to theplaneof thedoubleslitata

distanceof1.5mfromtheslits.Thedistancebetweenpointsofmaximumsoundintensity

is1.2m.Determinethewavelengthofthesoundwave.

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[3]


2531

2208-6514



Part 2 Nucleardecay

(a) Describethephenomenonofnaturalradioactivedecay.

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[3]

(b) Thesketchgraphbelowshowsthevariationwithmassnumber(nucleonnumber)Aof

thebindingenergypernucleonEofnuclei.

E

A

Onepossiblenuclearreactionthatoccurswhenuranium-235isbombardedbyaneutron

toformxenon-142andstrontium-90isrepresentedas

92

235

0

1

54

142

38

90

0

14U n Xe Sr n+ → + + .

(i) Identifythetypeofnuclearreactionrepresentedabove.

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[1]

(ii) Onthesketchgraphabove,identifywiththeirsymbolstheapproximatepositions

of theuranium(U), thexenon(Xe)and thestrontium(Sr)nuclei. [2]


2631

2208-6514

–2�–

turn over



(iii) Dataforthebindingenergiesofxenon-142andstrontium-90aregivenbelow.

isotope binding energy / MeV

xenon-142

strontium-90

1189

�84.8

Thetotalenergyreleasedduringthereactionis18�.9MeV.Determinethebinding

energypernucleonofuranium-235.

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[3]

(iv) Statewhybindingenergyoftheneutronsformedinthereactionisnotquoted.

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[1]

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2208-6514


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

circularmotion.

Part 1 Gravitation

A spherical planet has radius R and mass M. A satellite of mass m orbits the planet with

constantlinearspeedvataheighthabovetheplanet’ssurface,asshownbelow(nottoscale).

planetmassM v

R

h

satellitemassm

(a) Outlinewhy

(i) althoughthesatelliteismovingatconstantspeed,itisnotinequilibrium.

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[2]

(ii) anobjectinthesatelliteappearstobeweightless.

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[3]


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2208-6514

–29–

turn over



(b) Forthesatelliteinitsorbit,

(i) stateanexpression,intermsofM,m,Randh,foritspotentialenergy.

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[1]

(ii) deriveanexpression,usingthesametermsasin(b)(i),foritskineticenergy.

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(c) The total energy of the satellite is reduced. Use your expressions in (b) to outline

whatchange, ifany,occurs in theradiusof theorbitand thespeedof thesatellite.

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(d) Theforceoffrictionbetweenthesatelliteandtheatmosphericairincreasesasthespeed

ofthesatelliteincreases.Byreferencetoyouranswerin(c),suggestwhysmallsatellites

will“burnup”astheyre-entertheEarth’satmosphere.

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Part 2 Linearmotion

Acarmovesalongastraightroad.Attimet = 0thecarstartstomovefromrestandoilbegins

todripfromtheengineof thecar. Onedropofoil isproducedevery0.80s. Oildropsare

leftontheroad.Thepositionoftheoildropsaredrawntoscaleonthegridbelowsuchthat

1.0cmrepresents4.0m.Thegridstartsattimet = 0.

directionofmotion

1.0cm

(a) (i) State the feature of the diagram above which indicates that, initially, the car

is accelerating.

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(ii) On thegridabove, draw further dots to show where oil would have dripped

if the drops had been produced from the time when the car had started to

move. [2]

(iii) Determinethedistancemovedbythecarduringthefirst5.6sofitsmotion.

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(b) Usinginformationfromthegridabove,determineforthecar,

(i) thefinalconstantspeed.

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(ii) theinitialacceleration.

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2208-6514



(c) Thecar then turnsacorneratconstantspeed. Passengers in thecarwhoweresitting

uprightfeelasiftheirupperbodiesarebeing“thrownoutwards”.

(i) Identifytheforceactingonthecar,andits lineofaction, thatenablesthecarto

turn thecorner.

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(ii) Explainwhythepassengersfeelasiftheyarebeing“thrownoutwards”.

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