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8809-6505 22 pages
N09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX+
Monday 16 November 2009 (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 2009
0 1 2 2
8 8 0 9 6 5 0 5
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–2– N09/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX+
Section a
Answer all the questions in the spaces provided.
a1. Dataanalysisquestion.
ThefrequencyfofthefundamentalvibrationofastandingwaveoffixedlengthismeasuredfordifferentvaluesofthetensionTinthestring,usingtheapparatusshown.
signalgenerator
L pulley
mass
vibrator string
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(Question A1 continued)
InordertofindtherelationshipbetweenthespeedvofthewaveandthetensionTinthestring,thespeedviscalculatedfromtherelation
v =2 f L whereListhelengthofthestring.
Thedatapointsareshownplottedontheaxesbelow.Theuncertaintyinvis±5ms–1andtheuncertaintyinTisnegligible.
v/ms–1
60
50
40
30
20
10
0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
T/N
(a) Drawerrorbarsonthefirstandlastdatapointstoshowtheuncertaintyinspeedv. [1]
(b) The original hypothesis is that the speed is directly proportional to the tension T.Explainwhy thedatadonot support thishypothesis.
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(Question A1 continued)
(c) Itissuggestedthattherelationshipbetweenspeedandtensionisoftheform
v k T=
wherekisaconstant.
To testwhether thedatasupport thisrelationship,agraphofv2againstT isplottedasshownbelow.
v2/×103m2s–2
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5
T/N
The best-fit line shown takes into account the uncertainties for each data point.Theuncertainty inv2 forT =3.5Nisshownasanerrorbaron thegraph.
(i) Statethevalueoftheuncertaintyinv2forT =3.5N.
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(ii) AtT =1.0Nthespeedv =27±5ms–1.Calculatetheuncertaintyinv2.
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(Question A1 continued)
(d) Usethegraphin(c)todeterminekwithoutitsuncertainty.
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a2. Thisquestionisaboutthermalenergytransfer.
(a) Apieceofcopperisheldinaflameuntilitreachesthermalequilibrium.Thetimeittakestoreachthermalequilibriumwilldependonthethermalcapacityofthepieceofcopper.
(i) Definethermal capacity.
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(ii) Outlinewhatismeantbythermalequilibriuminthiscontext.
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[1]
(b) Thepieceofcopperistransferredquicklytoaplasticcupcontainingwater.Thethermalcapacityofthecupisnegligible.Thefollowingdataareavailable.
Massofcopper = 0.12kg Massofwater = 0.45kg Riseintemperatureofwater = 30K Finaltemperatureofcopper = 308K Specificheatcapacityofcopper = 390JkgK–1
Specificheatcapacityofwater = 4200JkgK–1
(i) Usethedatatocalculatethetemperatureoftheflame.
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[3]
(ii) Explainwhether the temperatureof theflame is likely tobegreateror less thanyouranswer to (b)(i).
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a3. Thisquestionisaboutgravitationalandelectricfields.
(a) Theequationforthemagnitudeofthegravitationalfieldstrengthduetoapointmassmaybewrittenasbelow.
Y KXs
= 2
Theequation for themagnitudeof theelectricfield strengthcanalsobewritten in thesameform.
Inthetableidentifythesymbolsusedintheequation. [4]
Symbol Gravitational field quantity Electrical field quantity
Y
K
X
s
(b) ThemagnitudeoftheelectrostaticforcebetweentheprotonandelectroninahydrogenatomisFE. Themagnitudeofthegravitational forcebetween themisFG.
DeterminetheratioFFE
G
.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Section b
This section consists of three questions: B1, B2 and B3. Answer one question.
b1. Thisquestionisintwoparts.Part 1 isaboutapumped-storagepowerstation.Part 2isaboutforcesandenergies.
Part 1 Pumped-storagepowerstation
(a) Thediagram,nottoscale,showsapumped-storagepowerstationusedforthegenerationofelectricalenergy.
310m
tank
pipe
turbine
lake
Waterstoredinthetankisallowedtofallthroughapipetoalakeviaaturbine.Theturbineis connected to an electrical generator. The pumped-storage ac generator system isreversiblesothatwatercanbepumpedfromthelaketothetank.
Thetankis50mdeepandhasauniformareaof5.0× 104m2.Theheightfromthebottomofthetanktotheturbineis310m.Thedensityofwateris1.0× 103kgm–3.
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(Question B1, part 1 continued)
(i) Showthatthemaximumenergythatcanbedeliveredtotheturbinebythefallingwaterisabout8× 1012J.
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[3]
(ii) Theflowrateofwaterinthepipeis400m3s–1.Calculatethepowerdeliveredbythefallingwater.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question B1, part 1 continued)
(b) Theenergylossesinthepowerstationareshowninthefollowingtable.
Source of energy loss Percentage loss of energyfrictionandturbulenceofwaterinpipe 27
frictioninturbineandacgenerator 15
electricalheatinglosses 5
(i) Calculate the overall efficiency of the conversion of the gravitational potentialenergyofwaterinthetankintoelectricalenergy.
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[1]
(ii) SketchaSankeydiagramtorepresenttheenergyconversioninthepowerstation. [2]
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(Question B1, part 1 continued)
(c) The electrical power produced at the power station is transmitted by cables to theconsumer.
(i) Outlinehowtheenergylossesintransmissionareminimized.
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[3]
(ii) State one advantage and one disadvantage that a pumped-storage system hascompared toa tidalwaterstoragesystem.
Advantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Disadvantage:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question B1 continued)
Part 2 Forceandenergies
(a) A system consists of a bicycle and cyclist travelling at a constant velocity along ahorizontal road.
(i) Statethevalueofthenetforceactingonthecyclist.
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[1]
(ii) On the diagram draw labelled arrows to represent the vertical forces acting onthebicycle. [2]
(iii) Withreferencetothehorizontalforcesactingonthesystem,explainwhythesystemistravellingatconstantvelocity.
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(Question B1, part 2 continued)
(b) Thetotalresistiveforceactingonthesystemis40Nanditsspeedis8.0ms–1.Calculatetheusefulpoweroutputofthecyclist.
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[1]
(c) Thecycliststopspedallingandthesystemcomestorest.Thetotalmassofthesystemis70kg.
(i) Calculatethemagnitudeoftheinitialaccelerationofthesystem.
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[2]
(ii) Estimate the distance taken by the system to come to rest from the time thecycliststopspedalling.
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[2]
(iii) Stateandexplainonereasonwhyyouranswerto(c)(ii)isonlyanestimate.
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[2]
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b2. This question is in two parts. Part 1 is about simple harmonicmotion. Part 2 is aboutelectriccircuits.
Part 1 Simpleharmonicmotion
(a) In terms of the acceleration, state two conditions necessary for a system to performsimpleharmonicmotion.
1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(b) Atuningforkissoundedanditisassumedthateachtipvibrateswithsimpleharmonicmotion.
d
Theextremepositionsoftheoscillatingtipofoneforkareseparatedbyadistanced.
(i) State,intermsofd,theamplitudeofvibration.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[1]
(ii) Ontheaxesbelow,sketchagraphtoshowhowthedisplacementofonetipofthetuningforkvarieswithtime. [1]
displacement
0 0 time
(iii) Onyourgraph,labelthetimeperiodTandtheamplitudea. [2]
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(Question B2, part 1 continued)
(c) The frequency of oscillation of the tips is 440Hz and the amplitude of oscillation ofeach tip is1.2mm. Determine themaximum
(i) linearspeedofatip.
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(ii) accelerationofatip.
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(Question B2 continued)
Part 2 Electriccircuits
ThecomponentsshownbelowaretobeconnectedinacircuittoinvestigatehowthecurrentIinatungstenfilamentlampvarieswiththepotentialdifferenceVacrossit.
(a) Construct a circuit diagram to show how these components should be connectedtogetherinordertoobtainaslargearangeaspossibleforvaluesofpotentialdifferenceacross the lamp. [4]
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(Question B2, part 2 continued)
(b) Ontheaxes,sketchagraphofIagainstVforafilamentlampintherangeV =0toitsnormalworkingvoltage. [2]
I
0 0 V
(c) The lampismarkedwith thesymbols“1.25V,300mW”. Calculate thecurrent in thefilamentwhenitisworkingnormally.
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(d) Theresistivityoftungstenatthelamp’sworkingtemperatureis7 4 10 7. × − Ωm.Thetotallengthofthetungstenfilamentis0.80m.Estimatetheradiusofthefilament.
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(e) Thecellisconnectedtotwoidenticallampsconnectedinparallel.Thelampsareratedat 1.25V, 300mW. The cell has an emf of 1.5V and an internal resistance of 1.2Ω.Determinewhetherthelampswilllightnormally.
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b3. This question is in two parts. Part 1 is about nuclearfission and fusion. Part 2 is aboutglobalwarming.
Part 1 Nuclearfissionandfusion
(a) The graph shows the variation of binding energy per nucleon for nuclides with anucleonnumbergreater than40.
bindingenergypernucleon/
MeV
9.5
9.0
8.5
8.0
7.5
7.0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
nucleonnumber
(i) Definebinding energy.
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(ii) Onthegraph,labelwiththeletterSthepositionofthemoststablenuclide. [1]
(iii) Statewhythenuclideyouhavelabelledisthemoststable.
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(Question B3, part 1 continued)
(b) In a nuclear reactor, a nucleus of uranium(U)-235 fissions into barium(Ba)-141andkrypton(Kr)-92. Theequationfor thisfission is
92235
56141
3692
01U Ba Kr n→ + + x .
(i) Use the graph to show that the fission of one nucleus of uranium-235 willrelease about 200MeV of energy.
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(ii) Statethevalueofxintheequation.
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(iii) The mass defect in this reaction is 3.1× 10–28kg. Calculate the number ofuranium-235nuclei thatmustfission inorder to release1.0kJofenergy.
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(iv) Outlinehowthisfissionreactioncanleadtoachainreaction.
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(Question B3, part 1 continued)
(c) Intensive scientific effort is devoted to developing nuclear fusion as a futureenergy source. Discuss what could be the social and environmental benefits ofusing nuclear fusion as compared with nuclear fission as an energy source.
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(Question B3 continued)
Part 2 Globalwarming
(a) Onereasonoftensuggestedforglobalwarmingistheenhancedgreenhouseeffect.
(i) Statewhatismeantbytheenhancedgreenhouseeffect.
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(ii) Statetwo otherpossiblecausesofglobalwarming.
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(Question B3, part 2 continued)
(b) OneeffectofglobalwarmingistomelttheAntarcticicesheet.ThefollowingdataareavailablefortheAntarcticicesheetandtheEarth’soceans.
Areaoficesheet =1.4×107km2
Averagethicknessofice =1.5×103m Densityofice =920kgm–3
Densityofwater = 1000kgm–3
AreaofEarth’soceans =3.8×108km2
Usingthedata,determinethe
(i) massoftheAntarcticice.
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(ii) changeinmeansealevelifalltheAntarcticicesheetweretomeltandflowintotheoceans.
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(c) Outlinethedifference,ifany,thatthemeltingofoceanicicesheetsmakestothemeansea levelof theEarth.
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