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2210-6517 19 pages

M10/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ2/XX+

Monday 10 May 2010 (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 2010

0 1 1 9

2 2 1 0 6 5 1 7

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–2– M10/4/PHYSI/SP2/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

00 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5

h/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)

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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 relationshipbetween d and h. In order to find which theory is best supported by the data,sheprocessedthedataintwoseparateways.Theprocesseddataareshownbelow.

theory 1

Predictsthatd const h= ( )

13

d

00 h

13

theory 2

Predictsthatd const h= ( )

14

d

00 h

14

(i) Drawalineofbest-fitoneachgraph. [2]

(ii) Stateandexplainwhichtheoryisbestsupportedbythestudent’sdata.

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a2. Thisquestionisaboutcircularmotionandglobalwarming.

(a) Acar is travelling at constant speedof18ms–1 aroundahorizontal bend in the road.The mass of the car is 1.5×103kg and the bend forms part of a circle of radius2.0×103m.

(i) Statewhythecarisaccelerating.

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[1]

(ii) Determine the frictional force between the tyres of the car and the surface oftheroad thatproduces theacceleration.

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(b) It issuggested that theuseof fossil fuels topowercarshas led toanenhancementofthegreenhouseeffect.

(i) Statethereasonforthissuggestion.

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(ii) Outline one mechanism by which the enhanced greenhouse effect may lead toan increase inglobalwarming.

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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) Stateandexplainonereasonwhythecalculationin(b)willgiveavalueofthespecificlatentheatofvaporizationof the liquid that isgreater than the truevalue.

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Section b

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

b1. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutfossilfuelsandthegreenhouseeffect.Part 2isaboutradioactivedecayandbindingenergy.

Part 1 Fossilfuelsandthegreenhouseeffect

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

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

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

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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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(Question B1, part 1 continued)

(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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(Question B1 continued)

Part 2 Radioactivedecayandbindingenergy

(a) Describewhatismeantbyradioactivedecay.

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(b) A nucleus of thallium-206 (Tl-206) undergoes radioactive decay to a nucleus oflead-206 (Pb-206). In the reaction equation below, identify the proton numberZ ofleadand theparticlex.

82206 206Tl Pb→ + +−

Z xβ

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

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

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(c) Themass of aTl-206 nucleus is 191870MeVc–2. Determine the binding energy pernucleonofTl-206.

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(d) StatewhythebindingenergyofPb-206isgreaterthanthatofTl-206.

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b2. This question is in two parts. Part 1 is about oscillations and waves. Part 2 is aboutelectrical resistanceandelectriccircuits.

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 0 1 9

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–11–

turn over



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

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

v

0t

(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

0.02.01.51.00.5 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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1 2 1 9

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turn over



Part 2 Electricalresistanceandelectriccircuits

(a) DefineresistanceandstateOhm’slaw.

Resistance: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Ohm’slaw: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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

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(c) Themanufactureroftheresistorin(b)guaranteesitsresistancetobewithin±10%of1.5Ωprovidedthepowerdissipationintheresistordoesnotexceed1.0W.Calculatethemaximumcurrentintheresistorforthepowerdissipationtobeequalto1.0W.

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(d) Theresistanceofeachoftheresistorsinthecircuitbelowismeasuredtobe1.5Ωwithanaccuracyof±10%.

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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turn over


b3. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutmomentum,energyandpower.Part 2isaboutelectricandgravitationalfields.

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

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

(i) speedoftheballonstrikingthespikeis5.6ms–1.

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(ii) energydissipatedasaresultofthecollisionisabout10J.

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turn over



(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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Part 2 Electricandgravitationalfields

(a) State,intermsofelectrons,thedifferencebetweenaconductorandaninsulator.

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(b) Suggestwhytheremustbeanelectricfieldinsideacurrent-carryingconductor.

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(c) Themagnitudeoftheelectricfieldstrengthinsideaconductoris55NC–1.Calculatetheforceonafreeelectronintheconductor.

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(d) Theelectricforcebetweentwopointchargesisafundamentalforceasisthegravitationalforce between two pointmasses. State one similarity between these two forces andonedifference(otherthanthefactthatoneappliestochargeandtheothertomass).

Similarity: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Difference: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(e) Theforceonamassof1.0kgfallingfreelynearthesurfaceofJupiteris25N.TheradiusofJupiteris7.0×107m.

(i) State thevalueof themagnitudeof thegravitationalfieldstrengthat thesurfaceofJupiter.

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(ii) CalculatethatthemassofJupiterisabout1.8×1027kg.

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