1 

PHYSICS 221      Fall 2012 EXAM 1: September 26, 2012  8:15pm—10:15pm 

 Name (printed):___________________________________________________________ Recitation Instructor: _____________________________________      Section #:______  

INSTRUCTIONS:  This exam contains 25 multiple‐choice questions, plus two extra‐credit questions, each worth 3 points. Choose one answer only for each question. Choose the best answer to each question. Answer all questions.   

Allowed material:   Pencils, erasers, rulers and your calculator.  

Everything else, including bags, coats, etc., must be left in the front of the room. 

There is a formula sheet attached to the exam. Other copies of the formula sheet are not allowed. 

 Calculator: In general, any calculator, including calculators that perform graphing, is permitted. Electronic devices that can store large amounts of text, data or equations (like laptops, palmtops, pocket computers, PDA or e‐book readers) are NOT permitted. Phones cannot be used as calculators. If you are unsure whether or not your calculator is allowed for the exam, ask your TA.   

How to fill in the bubble sheet:  Use a number 2 pencil. Do NOT use ink. If you did not bring a pencil, ask for one. Write and fill in the bubbles corresponding to: - Your last name, middle initial and first name. -    Your ID number (the middle 9 digits on your ISU card)    - Special codes K to L are your recitation section. (Honors section: please enter 24). Always use 

two digits (e.g. 01, 09, 11, 13)   Please turn over your bubble sheet when you are not writing on it.  If you need to change any entry, you must completely erase your previous entry.  

 

Circle your answers on this exam.  Before handing in your exam, be sure that your answers on your bubble sheet are what you intend them to be. You may also copy down your answers on a piece of paper to take with you and compare with the posted answers. You may use the table at the end of the exam for this. 

 When you are finished with the exam, place all exam materials, including the bubble sheet, and the exam itself, into your folder and return the folder to your recitation instructor.   No cell phones  allowed. Either turn off your cell phone or leave it at home. Anyone using a cell phone in any manner must hand in their work immediately; their exam is over.   

Best of luck, Paul Canfield and Paula Herrera. 

    

2 

1. The density of titanium is 4,540 kg/m3, and one mole of titanium has a mass of     47.9  g. How many moles of titanium are there in a solid titanium sphere with radius 2.00 cm? 

 A. 3.18 moles B. 5.16 moles C. 8.26 moles D. 9.40 moles E. 13.2 moles 

     2. The figure below shows the velocity as a function of time of a particle that moves 

along the x axis.  

  Let  1x  be the displacement of the particle during the first second (between 0 and 1 

s). Similarly,  2x is the displacement during the second second, and 3x is the 

displacement during the third second. Which of the following is true?  

1 2 3

2 1 3

1 3 2

3 2 1

2 3 1

A.    

B.    

C.    

D.    

E.    

x x x

x x x

x x x

x x x

x x x

 

  

vx (m/s) 

t (s)

1                                  2                                   3 

3 

 

3. Let  ˆˆ ˆ3 5 2A i j k

and  ˆˆ ˆB i bj k

. Find b so the two vectors are perpendicular to 

one another.  A. −1 B. 0.5 C. 0.8 D. 1 E. 2 

  

   

     4. A shopper needs to get to a store that is 1,200 m to the north.  The shopper walks 

the first half of the distance and runs the second half of the distance, taking a total time of 8.00 minutes.  If the shopper’s running speed is three times his walking speed, what is the shopper’s walking speed? 

 A. 5.00 m/s B. 2.50 m/s C. 1.67 m/s D. 1.25 m/s E. 0.625 m/s 

     

4 

5. A red minibus, traveling at a constant speed of 40 m/s along a straight road, passes a police car that is monitoring the road for speeders.  At the moment the minibus passes the police car, initially at rest, the police car accelerates with a constant acceleration of 7.0 m/s2.  How far does the minibus travel before the police car catches up with it? 

 A. 280 m B. 340 m C. 380 m D. 420 m E. 460 m 

          

     

6. An old elevator starts at rest and undergoes a series of periods of acceleration:   

between 0.0 and 3.0 s, it accelerates upwards at 2.0 m/s2; 

between 3.0 and 6.0 s, the acceleration is zero;  

between 6.0 and 10 seconds, the acceleration is 4.0 m/s2 upwards.  How far does the elevator move upward during these 10 seconds? 

 A.  32 m B. 41 m C. 57 m D. 83 m E. 100 m 

           

5 

7. A snowball is tossed upward with an angle θ from the horizontal.  The snowball leaves the hand 1.00 m above the ground and it spend 3.00 s in the air before passing through the 1.00 m level on its way down.  The snowball travels 25.0 m in the horizontal direction during this time.  What is the magnitude of the snowball’s initial velocity (as it leaves the hand)? 

 A. 29.0 m/s B. 25.0 m/s C. 18.3 m/s D. 16.9 m/s E. 14.7 m/s 

         8. What is the magnitude of the acceleration of a point on the rim of a bicycle wheel 

(with radius equal to 40.0 cm) at t = 1.50 s if the angular acceleration is given by   α(t) = (4.00 rad/s3)t  and the wheel is at rest at t = 0.00 s? 

 A. 1.60 m/s2 B. 2.40 m/s2 C. 8.10 m/s2 D. 8.45 m/s2 E. 14.5 m/s2 

          

6 

9. A car drives along a curved road shown as the path below. At point P, the car is speeding up. Which of the options best describes the acceleration vector of the car? 

 

     

10. A river flows from north to south with a current of 30.0 km/h.  If you have a boat that can travel with a speed of 25.0 km/h (with respect to the water), what angle should the boat face so as to travel directly across the river, in a purely eastern direction, i.e. from point A to point B?          A. 35.5° B. 44.4° C. 45.6° D. 50.2° E. No angle will allow for this, it is impossible            

P 

A  B 

C 

D E 

7 

11. The motion of an object is given by  34.0 6.0 2.0x t t t , where x is in meters 

if t is in seconds. At what time does the object change the direction of motion?  A. 0.7 s B. 1.0 s C. 1.2 s D. 1.4 s E. 1.8 s 

         12. A car drives southward and approaches an intersection. A truck drives eastward 

toward the same intersection. They both drive at the same speed. The velocity of the car relative to the truck points:  A. southeast B. southwest C. northeast D. northwest E. north  

              

S 

N 

W E 

8 

13. A coin is tossed vertically up in the air. At the highest point of its trajectory, which of the following is true for the y components of its velocity and acceleration? (Take the positive y axis pointing up.) 

 A. vy > 0,  ay < 0 B. vy = 0,  ay = 0 C. vy < 0,  ay = 0 D. vy = 0,  ay < 0 E. vy < 0,  ay < 0          

14. Anton and Sergei cannot agree on where they should place their two chests of drawers 1 and 2, with masses m1 > m2. Instead of solving this in a civilized manner, they each push from opposite sides as shown in the figure. As a result, the chests move to the right with constant acceleration.  

  Let:   F1 on 2 = magnitude of the  force exerted by chest 1 on chest 2;   F2 on 1 = magnitude of the  force exerted by chest 2 on chest 1.  Which of the following is true? 

 A. F1 on 2 > F2 on 1 because Sergei pushes harder than Anton. B. F1 on 2 > F2 on 1 no matter who pushes harder. C. F2 on 1 > F1 on 2 because Sergei pushes harder than Anton. D. F2 on 1 > F1 on 2 no matter who pushes harder. E. F2 on 1 = F1 on 2 no matter who pushes harder. 

 

Sergei AntonChest 1

Chest 2

9 

15. A worker is using the rope and pulley system shown below to lift the 35 kg mass upward with a constant acceleration of 4.0 m/s2.  If the ropes and pulleys are assumed to be massless, what tension does the worker need to create in the rope she is holding? 

   A. 340 N B. 240 N C. 170 N D. 150 N E. 100 N 

     

       

16. A 10 kg box is being pushed across a floor by a 100‐N force as shown below.  If the coefficient of kinetic friction between the box and the floor is μk = 0.15, what is the acceleration of the box? 

         A. 10 m/s2 B. 5.0 m/s2 C. 3.3 m/s2 D. 2.8 m/s2 E. 2.2 m/s2 

     

10 

17. Three boxes are stacked as shown below.  A force F is applied to box B through a 

rope. Box C does not slip with respect to box B.  Box A it attached to box B by a second rope. Box A has a mass of M and boxes B and C each have masses of 2M.  Which comparison between the net force on A and the net force on C is correct? 

  

A C

A C

A C

A C

A C

A.     

1B.     

5

1C.     

41

D.     2

E.      2

F F

F F

F F

F F

F F

 

  

  

  

   

18. A 12 kg lamp hangs from two light cables as shown. What is the tension in the left cable?  A. 18 N B. 22 N C. 41 N D. 52 N E. 86 N 

           

30° 45° 

T ?

AM

B

2M

2M

C

F 

11 

 19. A block slides down an incline. A hand pushes on the block, perpendicularly to 

the plane of the incline. Which forces increase their magnitude as a consequence? 

 A. Only the weight. B. Only the normal between the block and the incline. C. Only the friction force between the block and the incline. D. Both the weight and the normal force. E. Both the normal force and the friction force.  

       

20. A mass m is attached to a rope that rises vertically, passes over a pulley and then extends horizontally to another mass (or a wall). Which rope will be under the most tension? Assume that the rope is massless and that the pulley is massless and frictionless.  

  

  

m 

m 

μs = μk = 0 (no friction) 

A m 

2m 

μs = μk = 0 (no friction) 

B

m

m 

μs = 0.1  μk = 0.08 

C m 

D

Wall 

E  All ropes have equal tensions. 

12 

21. A 3.0 kg book rests on a wooden incline that makes an angle of 10° with the horizontal. The coefficient of static friction between the book and the incline is 0.3. What is the magnitude of the friction force on the unmoving book?  A. 5.1 N B. 7.3 N C. 8.7 N D. 14.5 N E. 29.4 N 

         22. A 3.00 kg block is pushed along a frictionless incline with a force parallel to the plane 

of the incline. The block begins at rest and moves 3.00 m in 2.00 s. The plane of the incline makes an angle of 30.0° with the horizontal.  What is the magnitude of the force applied on the block?  A. 4.50 N B. 14.7 N C. 19.2 N D. 29.4 N E. 33.9 N 

            

13 

23. Five identical balls are tossed off a cliff, each with the same initial speed. Their initial trajectories are shown to the right. Which of the following statements is correct?  A. Ball 1 has the largest initial kinetic energy. B. Ball 2 has the largest initial kinetic energy. C. Ball 3 has the largest initial kinetic energy. D. Ball 4 has the largest initial kinetic energy. E. Answers A through D are all incorrect.  

    24. A 0.50‐kg mass slides on a frictionless air track along the x direction.  When it first 

comes into contact with a spring, it has a velocity of 7.0 m/s.  After compressing the spring by 20 cm, the velocity of the mass has decreased to 4.5 m/s. How much work has been done on the mass by the spring?  

A. −0.98 J B. −1.5 J C. −2.7 D. −4.2 J E. −7.2 J 

      

25. A force  2

23.0 x

NF x

m

 

is applied on a particle as it moves along the x axis, from 

the origin to x = 5.0 m. What is the work done by this force during this interval?  A. −375 J B. −125 J C. 0 D. 125 J E. 375 J  

    

12

3 4 

5 

14 

EXTRA CREDIT QUESTIONS  

26. A 1.0 kg block is placed on top of a 4.0 kg block. The coefficients of friction between them are μk = 0.20 and μs = 0.30. The whole system is on a frictionless, horizontal table. A horizontal force F = 10 N is applied on the bottom block. What is the magnitude of the frictional force between the two blocks?  A. 2.0 N B. 2.6 N C. 2.9 N D. 3.2 N E. 3.7 N  

        

27. A person whirls a mass on a string in a horizontal circle above their head.  At any given moment, the string makes an angle θ with respect to the horizontal.  If the mass is undergoing uniform circular motion, and the string’s length is L, what is the mass’s angular velocity, ω? 

 2

A      2

B.     

C.     2

D.     cos

E.     sin

gL

g

L

g

L

g

L

g

L

 

        

1.0 kg 

4.0 kgF 

θ 

M

15 

You may record your answers on this page and take it with you after the exam to compare to the solutions that will be posted online.     

1  11  21 

2  12  22 

3  13  23 

4  14  24 

5  15  25 

6  16  26 

7  17  27 

8  18   

9  19   

10  20   

        

16