physics candidate session number higher level paper 2 past papers - subject...wednesday 6 november...
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37 pages
N13/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ0/XX
Wednesday 6 November 2013 (morning)
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 2013
Examination code
8 8 1 3 – 6 5 0 2
Candidate session number
0 0
40EP01
88136502
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–2– N13/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ0/XX
40EP02
Section a
Answer all questions. Write your answers in the boxes provided.
1. Dataanalysisquestion.
AchainissuspendedbetweentwoverticalsupportsAandB.Thechainismadeofanumberofidenticalmetallinks.
Ad
chain
B
Thelengthlofthechaincanbeincreasedbyaddingextralinks.Anexperimentwasundertakentoinvestigatehowthesagdofthemidpointofthechain,measuredfromthehorizontalbetweenAandB,varieswithl.Thedataobtainedareshownplottedbelow.Theuncertaintiesinlaretoosmalltobeshown.
d/m
0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0
l/m
(This question continues on the following page)
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–3–
turn over
N13/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ0/XX
40EP03
(Question 1 continued)
(a) Drawabest-fitlineforthedatapointsonthegraphopposite. [1]
(b) Withreferencetoyouranswerto(a),
(i) explainwhytherelationshipbetweendandlisnotlinear. [2]
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(ii) estimatethehorizontaldistancebetweenthesupportsAandB. [2]
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(c) Before the experiment was carried out, it was hypothesized that d depends on l .Determine,usingyouranswerto(a),whetherthishypothesisisvalid. [4]
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40EP04
2. Thisquestionisaboutchangeofphase.
(a) Wateratconstantpressureboilsatconstanttemperature.Outline,intermsoftheenergyofthemolecules,thereasonforthis. [2]
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(b) Inanexperimenttomeasurethespecificlatentheatofvaporizationofwater,steamat100C° waspassedintowaterinaninsulatedcontainer.Thefollowingdataareavailable.
Initialmassofwaterincontainer =0.300kg Finalmassofwaterincontainer =0.312kg Initialtemperatureofwaterincontainer=15.2C° Finaltemperatureofwaterincontainer =34.6C° Specificheatcapacityofwater =4.18×103Jkg–1K–1
Show that the data give a value of about 1.8×106Jkg–1 for the specific latent heatofvaporizationLofwater. [4]
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turn over
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40EP05
(Question 2 continued)
(c) Explainwhy, other thanmeasurement or calculation error, the accepted value ofL isgreaterthanthatgivenin(b). [2]
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40EP06
3. Thisquestionisaboutvoltage–current(V–I )characteristics.
The graph shows the voltage–current (V–I ) characteristics, at constant temperature, oftwoelectricalcomponentsXandY.
V/V
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
Y
X
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 5.5 6.0 6.5 I/mA
(a) Outline,withreferencetothegraphandtoOhm’slaw,whetherornoteachcomponentisohmic. [3]
X: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Y: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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40EP07
(Question 3 continued)
(b) Components X and Y are connected in parallel. The parallel combination is thenconnected in serieswith a variable resistor R and a cell of emf 8.0V and negligibleinternal resistance.
R
8.0V
X
Y
TheresistanceofRisadjusteduntilthecurrentsinXandYareequal.
(i) Usingthegraph,calculatetheresistanceoftheparallelcombinationofXandY. [3]
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(ii) Usingyouranswerto(b)(i),determinetheresistanceofR. [2]
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40EP08
4. Thisquestionisaboutanidealgas.
(a) DescribehowtheidealgasconstantRisdefined. [2]
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(b) Calculate the temperature of 0.100mol of an ideal gas kept in a cylinder of volume1.40×10– 3m3atapressureof2.32×105Pa. [1]
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(c) Thegasin(b)iskeptinthecylinderbyafreelymovingpiston.Thegasisnowheatedatconstantpressureuntilthevolumeoccupiedbythegasis3.60×10– 3m3.Theincreaseininternalenergyofthegasis760J.Determinethethermalenergygiventothegas. [2]
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40EP09
(Question 4 continued)
(d) Afterheating,thegasiscompressedrapidlytoitsoriginalvolumein(b).Outlinewhythiscompressionapproximatestoanadiabaticchangeofstateofthegas. [2]
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5. Thisquestionisaboutinducedelectromotiveforce(emf).
(a) A loop of copper wire in a region of uniform magnetic field is rotated about ahorizontalaxis.
axisofrotation
magneticfield
loop
ThemagnitudeofthemagneticfieldstrengthisBandtheareaoftheloopisA.
(i) State theminimum value and themaximum value of themagnetic flux linkingthe loop. [1]
Minimumvalue: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Maximumvalue:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) OutlinewithreferencetoFaraday’slawwhy,ifthespeedofrotationoftheloopisincreased,themaximumemfinducedintheloopisincreased. [3]
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–11–
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40EP11
(Question 5 continued)
(b) Theloopin(a)isconnectedinserieswitharesistorofresistance15Ω.Therootmeansquared(rms)valueofthesinusoidalcurrentintheresistoris2.3mA.
(i) Explainwhatismeantbythermsvalueofasinusoidalcurrent. [2]
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(ii) Determinethemaximumpowerdissipatedintheresistor. [2]
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6. Thisquestionisaboutforces.
Astoneblockispulledatconstantspeedupaninclinebyacableattachedtoanelectricmotor.
T=4.2×103N
12�
toelectricmotor
The incline makes an angle of 12� with the horizontal. The weight of the block is1.5×10 4NandthetensionTinthecableis4.2×103N.
(a) Onthediagramdrawandlabelarrowsthatrepresenttheforcesactingontheblock. [2]
(b) Calculatethemagnitudeofthefrictionforceactingontheblock. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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40EP13
Section b
This section consists of four questions: 7, 8, 9 and 10. Answer two questions. Write your answers in the boxes provided.
7. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutelectricfieldsandradioactivedecay.Part 2isabouttheDopplereffectandopticalresolution.
Part 1 Electricfieldsandradioactivedecay
(a) Defineelectric field strength. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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40EP14
(Question 7, part 1 continued)
(b) Protons travellingwitha speedof3.9×106ms–1 enter the regionbetween twochargedparallelplatesXandY.PlateXispositivelychargedandplateYisconnectedtoearth.
X
Y
protons
Auniformmagneticfieldalsoexistsintheregionbetweentheplates.Thedirectionofthefieldissuchthattheprotonspassbetweentheplateswithoutdeflection.
(i) Statethedirectionofthemagneticfield. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) The magnitude of the magnetic field strength is 2.3×10– 4T. Determine themagnitudeoftheelectricfieldstrengthbetweentheplates,statinganappropriateunitforyouranswer. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 7, part 1 continued)
(c) Protonscanbeproducedbythebombardmentofnitrogen-14nucleiwithalphaparticles.Thenuclearreactionequationforthisprocessisgivenbelow.
14 4 17 2 1N He X H+ → +
IdentifytheprotonnumberandnucleonnumberforthenucleusX. [1]
Protonnumber: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Nucleonnumber: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(d) Thefollowingdataareavailableforthereactionin(c).
Restmassofnitrogen-14nucleus=14.0031u Restmassofalphaparticle =4.0026u RestmassofXnucleus =16.9991u Restmassofproton =1.0073u
Showthattheminimumkineticenergythatthealphaparticlemusthaveinorderforthereactiontotakeplaceisabout0.7MeV. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 7, part 1 continued)
(e) AnucleusofanotherisotopeoftheelementXin(c)decayswithahalf-life 12
T toanucleusofanisotopeoffluorine-19(F-19).
(i) Definehalf-life. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
(ii) Using theaxesbelow, sketchagraph toshowhow thenumberof atomsN in a sample of X varies with time t, from t = 0 to t = 3T . There are N0 atoms in the sampleatt=0. [3]
N
00 t
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40EP17
(Question 7 continued)
Part 2 TheDopplereffectandopticalresolution
TheDopplereffectcanbeusedtodeducethataparticularstarXismovingtowardsEarth.
(f) DescribewhatismeantbytheDopplereffect. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 7, part 2 continued)
(g) One of the lines in the spectrum of atomic hydrogen has a frequency of 4.6×1016Hzasmeasuredinthelaboratory.ThesamelineinthespectrumofstarXisobservedonEarthtobeshiftedby1.3×1012Hz.
(i) Statethedirectionoftheobservedfrequencyshift. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) DeterminethespeedatwhichXismovingtowardsEarthstatinganyassumptionthatyouhavemade. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Assumption:
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(Question 7, part 2 continued)
(h) ThestarXhasacompanionstarY.ThedistancefromEarthtothestarsis1.0×1018m.TheimagesofXandYarejustresolvedaccordingtotheRayleighcriterionbyatelescopeonEarthwithacirculareyepiecelensofdiameter5.0×10– 2m.
(i) State what is meant by the statement “just resolved according to the Rayleighcriterion”. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) Theaveragewavelengthofthelightemittedbythestarsis4.8×10–7m.DeterminetheseparationofXandY. [3]
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8. This question is in two parts. Part 1 is about energy sources and the greenhouse effect.Part 2 is about gravitational potential.
Part 1 Energysourcesandthegreenhouseeffect
(a) Nuclearfuels,unlikefossilfuels,producenogreenhousegases.
(i) Identifytwogreenhousegases. [1]
1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) Discuss, with reference to the mechanism of infrared absorption, why thetemperatureoftheEarth’ssurfacewouldbeloweriftherewerenogreenhousegasespresentintheatmosphere. [4]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 8, part 1 continued)
(iii) State one advantage of power production using fossil fuels compared to usingnuclearfuels. [1]
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(b) Outlinethereasonwhyfuelenrichmentisnecessaryforthefuelusedinacommercialnuclearreactor. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 8, part 1 continued)
(c) Adomesticwatertankcontains620kgofwater.Youareaskedtocompareraisingthetemperatureofthewaterby25KusingtheenergyavailablefromnuclearfissionandtheenergyavailablefromtheSun.Thefollowingdataareavailable.
Energydensityofuranium-235 =2.0×1013Jkg–1
Areaofsolarpanelsused =23m2
Averagesolarpowerduringdaylight =0.74kWm– 2
Specificheatcapacityofwater =4.2×103Jkg–1K–1
Determinethe
(i) massofuranium-235thatisneededtoraisethetemperatureofthewaterby25K. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) time in hours required to raise the temperature of the water by 25K using thesolarpanels. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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40EP23
(Question 8, part 1 continued)
(d) The solar energy in (c) is used toheat thewaterdirectly,whereas thenuclear energymustfirstbeconvertedintoelectricalenergyinthenuclearpowerstation.Outlinetheenergytransformationsthattakeplacewithinthenuclearpowerstationintheproductionofelectricalpower. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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40EP24
(Question 8 continued)
Part 2 Gravitationalpotential
(e) Definegravitational potentialatapointinagravitationalfield. [3]
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(f) ThegraphshowshowthegravitationalpotentialVofEarthvarieswithdistanceRfromthecentreofEarthintherangeR=2.0×108mtoR=5.0×108m.
R/108m 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0
V/106Jkg–1
–0.5
–1.0
–1.5
–2.0
3 4 4.53.5
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40EP25
(Question 8, part 2 continued)
TheMoonisatadistanceof4.0×108mfromthecentreofEarth.Atsometimeinthepastitwasatadistanceof2.7×108mfromthecentreofEarth.
Usethegraphoppositetodetermine
(i) thepresentdaymagnitudeoftheaccelerationoftheMoon. [4]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) byhowmuchthepotentialenergyoftheMoonhaschangedasaresultofmovingfromR=2.7×108mtoR=4.0×108m.ThemassoftheMoonis7.4×1022kg. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(g) Statewhythechangeofpotentialenergyin(f)(ii)isanincrease. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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9. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutNewton’slawsandmomentum.Part 2isaboutdatastorage.
Part 1 Newton’slawsandmomentum
(a) Statetheconditionforthemomentumofasystemtobeconserved. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) Aperson standingona frozenpond throwsaball. Air resistanceand frictioncanbeconsidered tobenegligible.
(i) OutlinehowNewton’sthirdlawandtheconservationofmomentumapplyastheballisthrown. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) Explain,with reference toNewton’s second law,why thehorizontalmomentumof theball remainsconstantwhilsttheballisinflight. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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40EP27
(Question 9, part 1 continued)
(c) Themaximumusefulpoweroutputofalocomotiveengineis0.75MW.Themaximumspeed of the locomotive as it travels along a straight horizontal track is 44ms–1.Calculatethefrictionalforceactingonthelocomotiveatthisspeed. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 9, part 1 continued)
(d) Thelocomotiveenginein(c)givesatruckXasharppushsuchthatXmovesalongahorizontaltrackandcollideswithastationarytruckY.Asaresultofthecollisionthetwotruckssticktogetherandmoveoffwithspeedv.Thefollowingdataareavailable.
MassoftruckX =3.7×103kg MassoftruckY =6.3×103kg SpeedofXjustbeforecollision=4.0ms–1
(i) Calculatev. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) Determinethekineticenergylostasaresultofthecollision. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(e) The trucks X and Y come to rest after travelling a distance of 40m along thehorizontaltrack.DeterminetheaveragefrictionalforceactingonXandY. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 9 continued)
Part 2 Datastorage
(f) Stateoneadvantageofstoringinformationinadigitalformratherthananalogueform. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(g) DigitaldataareencodedonaDVDasaseriesoflandsandpits.Thewavelengthofthelaserlightusedis640nm.
laserlight
land
pit d
Explain,withreferencetothediagram,whythedepthdofapitneedstobe160nm. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 9, part 2 continued)
(h) Acharge-coupleddevice(CCD)isadevicethatenablesdatatobestoredforretrievalasadigitalimage.
(i) OutlinethestructureandoperationofaCCD. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) AcertaindigitalcamerahasaCCDthathasanareaof25mm×25mm.Thereare8.0×106pixelsontheCCD.ThemagnificationoftheCCDis4.8×10– 3.Thecamerais used to photograph a leaf which has two black spots 5.0×10– 4m apart.DeterminewhethertheimageofthespotsformedbytheCCDwillberesolved. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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10. Thisquestion is in two parts. Part 1 is about simpleharmonicmotion (SHM)andwaves.Part 2 is about atomic and nuclear energy levels.
Part 1 Simpleharmonicmotion(SHM)andwaves
(a) AparticlePmoveswithsimpleharmonicmotion.
(i) State,withreferencetothemotionofP,whatismeantbysimpleharmonicmotion. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) StatethephasedifferencebetweenthedisplacementandthevelocityofP. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 10, part 1 continued)
(b) ThegraphshowshowthevelocityvofparticlePvarieswithtimet.
v/ms–1 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
–0.2
–0.4
–0.6
–0.8
–1.0
0 0.2 0.30.1 t /s
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(Question 10, part 1 continued)
UsethegraphoppositetodetermineforthemotionofPthe
(i) period. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) amplitude. [4]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(iii) displacementofPfromequilibriumatt=0.2s. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 10, part 1 continued)
(c) The particle P in (b) is a particle in themedium throughwhich a transversewave istravelling.
(i) Describe,intermsofenergypropagation,whatismeantbyatransversewave. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) The speedof thewave through themedium is0.40ms–1. Calculate,usingyouranswerto(b)(i),thewavelengthofthewave. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 10 continued)
Part 2 Atomicandnuclearenergylevels
(d) The diagram shows four spectral lines in the visible line emission spectrum ofatomic hydrogen.
410 434 485 656 wavelengthλ/nm (nottoscale)
(i) Outlinehowsuchaspectrummaybeobtainedinthelaboratory. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question 10, part 2 continued)
(ii) Explain how such spectra give evidence for the existence of discrete atomicenergy levels. [3]
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(e) TheenergiesoftheprincipalenergylevelsinatomichydrogenmeasuredineVaregivenbytheexpression
2
13.6nE n= − wheren=1,2,3..........
Thevisiblelinesinthespectrumcorrespondtoelectrontransitionsthatendatn=2.
(i) Calculatetheenergyofthelevelcorrespondington=2. [1]
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(ii) Showthat thespectral lineofwavelengthλ =485nmis theresultofanelectrontransitionfromn=4. [3]
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(This question continues on the following page)
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turn over
N13/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ0/XX
40EP37
(Question 10, part 2 continued)
(f) The alpha particles and gamma rays produced in radioactive decay have discreteenergy spectra. This suggests that nuclei also possess discrete energy levels.However,betaparticlesproducedinradioactivedecayhavecontinuousenergyspectra.Describe how the existence of the antineutrino accounts for the continuous nature ofbetaspectra. [2]
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