physics candidate session number higher level paper 2 past papers... · thursday 10 may 2012...

36 pages

M12/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX

Thursday 10 May 2012 (afternoon)

PhysicshiGhER 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 questions.• Section B: answer two questions.• Write your answers in the boxes provided.• A calculator is required for this paper.• A clean copy of the Physics Data Booklet is required for this paper.• The maximum mark for this examination paper is [95 marks].

2 hours 15 minutes

© International Baccalaureate Organization 2012

Examination code

2 2 1 2 – 6 5 0 8

Candidate session number

0 0

0136

22126508

–2– M12/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX

0236

Section a

Answer all questions. Write your answers in the boxes provided.

a1. Dataanalysisquestion.

AsmallsphererollsdownatrackofconstantlengthAB.ThesphereisreleasedfromrestatA.Thetimet thatthespheretakestorollfromAtoBismeasuredfordifferentvaluesofheighth.

h

A

B

track

(This question continues on the following page)

–3–

turn over


0336

(Question A1 continued)

Astudentsuggests that t isproportional to 1h. To test thishypothesisagraphof t against

1hisplottedasshownontheaxesbelow.Theuncertaintyint isshownandtheuncertaintyin

1hisnegligible.

t/s

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0 0 2 4 6 8 10 12

1h/m–1

(a) (i) Drawthestraightlinethatbestfitsthedata. [1]

(ii) Statewhythedatadonotsupportthehypothesis. [1]

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0436


(b) Anotherstudentsuggeststhattherelationshipbetweent andhisoftheform

1t kh

=

wherek isaconstant.

Totestwhetherornotthedatasupportthisrelationship,agraphoft2against 1hisplotted

asshownbelow.

Thebest-fitlinetakesintoaccounttheuncertaintiesforalldatapoints.

t2/s2

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1h/m–1


–5–

turn over


0536


Theuncertaintyint2forthedatapointwhere 1h=10.0m–1isshownasanerrorbaron

thegraph.

(i) Statethevalueoftheuncertaintyint2for 1h=10.0m–1. [1]

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(ii) Calculate the uncertainty in t2 when t= 0.8± 0.1s. Give your answer to anappropriatenumberofsignificantdigits. [4]

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(iii) Usethegraphtodeterminethevalueofk. Donotcalculateitsuncertainty. [3]

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(iv) Statetheunitofk . [1]

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0636

a2. Thisquestionisaboutradioactivedecay.

(a) Describethephenomenonofnaturalradioactivedecay. [3]

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(b) A nucleus of americium-241 (Am-241) decays into a nucleus of neptunium-237(Np-237)inthefollowingreaction.

241 237 495 2Am Np+X→ α

(i) StatethevalueofX. [1]

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(ii) Explainintermsofmasswhyenergyisreleasedinthereactionin(b). [2]

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–7–

turn over


0736


(iii) Definebinding energyofanucleus. [1]

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(iv) Thefollowingdataareavailable.

nuclide Binding energy per nucleon / MeV americium-241 7.54 neptunium-237 7.58 helium-4 7.07

Determinetheenergyreleasedinthereactionin(b). [3]

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0836

a3. Thisquestionisaboutthermalenergytransfer.

Ahotpieceofironisplacedintoacontainerofcoldwater.Afteratimetheironandwaterreachthermalequilibrium.Theheatcapacityofthecontainerisnegligible.

(a) Definespecific heat capacity. [2]

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(b) Thefollowingdataareavailable.

Massofwater = 0.35kgMassofiron = 0.58kgSpecificheatcapacityofwater = 4200Jkg–1K–1

Initialtemperatureofwater = 20C°Finaltemperatureofwater = 44C°Initialtemperatureofiron = 180C°

(i) Determinethespecificheatcapacityofiron. [3]

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(ii) Explain why the value calculated in (b)(i) is likely to be different from theacceptedvalue. [2]

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–9–

turn over


0936

a4. ThisquestionisabouttheDopplereffect.

Asourceemitssoundoffrequency100Hz.Thespeedofsoundinairis330ms–1.

(a) Calculatethefrequencymeasuredbyanobserverwhen

(i) theobserverisstationaryandthesourceismovingtowardstheobserverat120ms–1. [2]

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(ii) thesourceisstationaryandtheobserverismovingtowardsthesourceat120ms–1. [2]

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(b) Whenbothsourceandobserverarestationarythewavelengthisλ0andthewavespeedisv0.

Inthetablebelow,comparethevaluesofmeasuredwavelengthandmeasuredwavespeed,asmeasuredbytheobserver,withrespecttoλ0andv0.Oneofthevaluesisgivenforyou. [3]

Measured wavelength Measured wavespeed

Moving sourceas in (a)(i) lessthan λ0

Moving observeras in (a)(ii)


1036

a5. Thisquestionisaboutpolarization.

Unpolarizedlightisdirectedtowardstwopolarizers.Thedashedlinesrepresentthetransmissionaxesofthepolarizers.Theangleθ betweenthetransmissionaxesofthepolarizersisinitially0�.

unpolarizedlight

firstpolarizer

secondpolarizer

transmittedintensityI

(a) Ontheaxesbelow,sketchagraphtoshowhowtheintensityI ofthelightemergingfromthesecondpolarizer varieswithθ. [2]

transmittedintensityI

0 90 180

angleθ / �

(b) Outlinehowtwopolarizerscanbeusedtocomparetheconcentrationsofdifferentsugarsolutions. [3]

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–11–

turn over


1136

a6. Thisquestionisaboutelectromagneticinduction.

(a) StateLenz’slaw. [1]

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(b) Two identical aluminium balls are dropped simultaneously from the same height.BallPfalls througha regionwithnomagneticfield. BallQfalls througha regionofuniformhorizontalmagneticfluxdensityB.

× × ×× × ×

P Q

h B

ground

ExplainwhyballQtakeslongerthanballPtoreachtheground. [4]

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1236

Section B

This section consists of four questions: B1, B2, B3 and B4. Answer two questions. Write your answers in the boxes provided.

B1. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutwindpower.Part 2isaboutprojectilemotion.

Part 1 Windpower

(a) Outline in termsofenergychangeshowelectricalenergy isobtained from theenergyofwind. [2]

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–13–

turn over


1336

(Question B1, part 1 continued)

(b) Airofdensityρ andspeedv passesnormallythroughawindturbineofbladelengthrasshownbelow.

r

wind

blade

(i) Deducethatthekineticenergyperunittimeoftheairincidentontheturbineis

2 312

r vρπ [3]

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(ii) Statetwo reasonswhyit is impossible toconvertall theavailableenergyof thewindtoelectricalenergy. [2]

1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1436


(c) Airisincidentnormallyonawindturbineandpassesthroughtheturbinebladeswithoutchangingdirection.Thefollowingdataareavailable.

Densityofairenteringturbine= 1.1kgm–3

Densityofairleavingturbine = 2.2kgm–3

Speedofairenteringturbine = 9.8ms–1

Speedofairleavingturbine = 4.6ms–1

Bladelength = 25m

Determinethepowerextractedfromtheairbytheturbine. [3]

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

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–15–

turn over


1536


(d) Adifferentwindturbinehasamechanicalinputpowerof3.0×105Wandgeneratesanelectricalpoweroutputof1.0×105W.Onthegridbelow,constructandlabelaSankeydiagramforthiswindturbine. [3]

(e) Outlineoneadvantageandonedisadvantageofusingwindturbinestogenerateelectricalenergy,ascomparedtousingfossilfuels. [2]

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

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

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1636

(Question B1 continued)

Part 2 Projectilemotion

Aballisprojectedhorizontallyat5.0ms–1fromaverticalcliffofheight110m.Assumethatairresistanceisnegligibleanduseg= 10ms–2.

110m

5.0ms–1

(not to scale)

(a) (i) Statethemagnitudeofthehorizontalcomponentofaccelerationoftheballafteritleavesthecliff. [1]

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

(ii) Ontheaxesbelow,sketchgraphstoshowhowthehorizontalandverticalcomponentsofthevelocityoftheball,vxandvy,changewithtimetuntiljustbeforetheballhitstheground.Itisnotnecessarytocalculateanyvalues. [2]

horizontalcomponent verticalcomponentvx

t

vy

t


–17–

turn over


1736


(b) (i) Calculatethetimetakenfortheballtoreachtheground. [2]

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(ii) Calculate thehorizontaldistance travelledbytheballuntil justbefore it reachestheground. [2]

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(c) Anotherprojectileislaunchedatanangletotheground.Intheabsenceofairresistanceitfollowstheparabolicpathshownbelow.

Onthediagramabove,sketchthepaththattheprojectilewouldfollowifairresistancewerenotnegligible. [3]


1836

B2. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutsimpleharmonicmotionandthesuperpositionofwaves.Part 2isaboutthermodynamics.

Part 1 Simpleharmonicmotionandthesuperpositionofwaves

Anobjectofmassm isplacedonafrictionlesssurfaceandattachedtoalighthorizontalspring.Theotherendofthespringisfixed.

mpositivedirection

A B C

TheequilibriumpositionisatB.ThedirectionBtoCistakentobepositive.TheobjectisreleasedfrompositionAandexecutessimpleharmonicmotionbetweenpositionsAandC.

(a) Definesimple harmonic motion. [2]

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(b) (i) Ontheaxesbelow,sketchagraphtoshowhowtheaccelerationofthemassvarieswithdisplacementfromtheequilibriumpositionB. [2]

acceleration

displacement

(ii) Onyourgraph,labelthepointsthatcorrespondtothepositionsA,BandC. [1]


–19–

turn over


1936


(c) (i) Ontheaxesbelow,sketchagraphtoshowhowthevelocityofthemassvarieswithtimefromthemomentofreleasefromAuntilthemassreturnstoAforthefirsttime. [2]

velocity

time

(ii) Onyourgraph,labelthepointsthatcorrespondtothepositionsA,BandC. [1]

(d) Theperiodofoscillationis0.20sandthedistancefromAtoBis0.040m.Determinethemaximumspeedofthemass. [3]

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2036


(e) Alongspringisstretchedsothatithasalengthof10.0m.Bothendsaremadetooscillatewithsimpleharmonicmotionsothattransversewavesofequalamplitudebutdifferentfrequencyaregenerated.

Wave X, travelling from left to right, has wavelength 2.0m, and waveY, travellingfromright to left,haswavelength4.0m. Bothwavesmovealong thespringatspeed10.0ms–1.

Thediagrambelowshowsthewavesataninstantintime.

displacement

waveX waveY

position/m

0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0 7.0 8.0 9.0 10.0

(i) Statetheprincipleofsuperpositionasappliedtowaves. [2]

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(ii) By drawing on the diagram or otherwise, calculate the position at which theresultantwavewillhavemaximumdisplacement0.20slater. [2]

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(This question continues on page 22)

–21–

turn over


2136

Pleasedo notwriteonthispage.

Answerswrittenonthispagewillnotbemarked.


2236

(Question B2 continued from page 20)

Part 2 Thermodynamics

Afixedmassofanidealgasundergoesthethreethermodynamicprocesses,AB,BCandCA,representedintheP–Vgraphbelow.

P /×105Pa

12.0

10.0

8.0

6.0

4.0

2.0

0.0

A B

C

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

V /×10–3m3

(a) Statewhichoftheprocessesisisothermal,isochoric(isovolumetric)orisobaric. [3]

ProcessAB: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ProcessBC: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ProcessCA: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


–23–

turn over


2336


(b) ThetemperatureofthegasatAis300K.CalculatethetemperatureofthegasatB. [2]

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(c) TheincreaseininternalenergyofthegasduringprocessABis4100J.DeterminetheheattransferredtothegasfromthesurroundingsduringtheprocessAB. [2]

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2436


(d) Thegasiscompressedatconstanttemperature.Explainwhatchanges,ifany,occurtotheentropyof

(i) thegas. [1]

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(ii) thesurroundings. [1]

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(iii) theuniverse. [1]

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–25–

turn over


2536

B3. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutacollision.Part 2isaboutdigitaldatastorage.

Part 1 Acollision

Twoidenticalblocksofmass0.17kgandlength0.050maretravellingtowardseachotheralongastraightlinethroughtheircentresasshownbelow.Assumethatthesurfaceisfrictionless.

0.900m

0.18ms–1

blockA

0.050m

0.18ms–1

blockB

0.050m

Theinitialdistancebetweenthecentresoftheblocksis0.900mandbothblocksaremovingataspeedof0.18ms–1relativetothesurface.

(a) Determinethetimetakenfortheblockstocomeintocontactwitheachother. [3]

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2636


(b) Asaresultofthecollision,theblocksreversetheirdirectionofmotionandtravelatthesamespeedaseachother.Duringthecollision,20%ofthekineticenergyoftheblocksisgivenoffasthermalenergytothesurroundings.

(i) Stateandexplainwhetherthecollisioniselasticorinelastic. [2]

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(ii) Showthatthefinalspeedoftheblocksrelativetothesurfaceis0.16ms–1. [3]

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–27–

turn over


2736


(c) (i) StateNewton’sthirdlawofmotion. [1]

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(ii) Duringthecollisionoftheblocks,themagnitudeoftheforcethatblockAexertsonblockBisFABandthemagnitudeoftheforcethatblockBexertsonblockAisFBA.Onthediagrambelow,drawlabelledarrowstorepresentthemagnitudeanddirectionoftheforcesFABandFBA. [3]

blockA blockB

(iii) Thedurationofthecollisionbetweentheblocksis0.070s.Determinetheaverageforceoneblockexertedontheother. [3]

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2836


Part 2 Digitaldatastorage

(a) Ontheaxesbelow,drawanexampleofananaloguesignalandadigitalsignal. [2]

analoguesignal digitalsignalvoltage voltage

time time

(b) Thebinarynumber00101containsfivebits.Explainwhatismeantbythemost-significantbitofabinarynumber. [2]

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–29–

turn over


2936


(c) (i) OutlinehowdigitalinformationisstoredonaCD. [2]

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(ii) OutlinewhyaDVDcanstoremoreinformationthanaCDeventhoughtheyarethesamephysicalsize. [2]

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(iii) ThelaserofaDVDplayerhasawavelengthinairof630nm.ThecoatingoftheDVDhasarefractiveindexof1.53.CalculateasuitablepitdepthforthisDVD. [2]

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3036

B4. Thisquestionisinthreeparts.Part 1isaboutgravitationalfields.Part 2isaboutelectriccurrentandresistance.Part 3isaboutatomicenergylevels.

Part 1 Gravitationalfields

(a) StateNewton’suniversallawofgravitation. [3]

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(b) Deduce that the gravitational field strength g at the surface of a spherical planet ofuniformdensityisgivenby

2

GMgR

=

whereM isthemassoftheplanet,R isitsradiusandG isthegravitationalconstant.Youcanassumethatsphericalobjectsofuniformdensityactaspointmasses. [2]

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turn over


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(c) ThegravitationalfieldstrengthatthesurfaceofMarsgMisrelatedtothegravitationalfieldstrengthatthesurfaceoftheEarthgEby

gM= 0.38×gE.

TheradiusofMarsRMisrelatedtotheradiusoftheEarthREby

RM= 0.53×RE.

DeterminethemassofMarsMMintermsofthemassoftheEarthME. [2]

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3236


Part 2 Electriccurrentandresistance

Thegraphbelowshowshowthecurrent I ina tungstenfilament lampvarieswithpotentialdifference V acrossthelamp.

I/A

0.60

0.50

0.40

0.30

0.20

0.10

0.000.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

V/V

(a) (i) Definetheelectricalresistance ofacomponent. [1]

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(ii) ExplainwhetherornotthefilamentobeysOhm’slaw. [2]

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(b) Calculate the resistance of the filament lamp when the potential difference across itis2.8V.

[2]

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(c) Twoidenticalfilamentlampsareconnectedinserieswithacellofemf6.0Vandnegligibleinternal resistance. Using the graph opposite, calculate the total power dissipated inthecircuit. [2]

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3436


Part 3 Atomicenergylevels

(a) DescribethedeBrogliehypothesis. [2]

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(b) Outline howatomic emission spectra provide evidence for the quantization of energyinatoms. [2]

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turn over


3536


(c) Consideranelectronconfinedinaone-dimensional“box”oflengthL.ThedeBroglie

wavesassociatedwiththeelectronarestandingwaveswithwavelengthsgivenby 2Ln,

wheren=1,2,3,…

ShowthattheenergyEnoftheelectronisgivenby

2 2

2e8

nn hEm L

=

whereh isPlanck’sconstantandmeisthemassoftheelectron. [3]

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(d) Anelectronisconfinedina“box”of length L=1.0×10–10min the n=1energylevel.Itspositionasmeasuredfromoneendoftheboxis(0.5± 0.5)×10–10m.Determine

(i) themomentumoftheelectron. [2]

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(ii) theuncertaintyinthemomentum. [2]

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