physics standard level paper 2 - xtremepapers
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2208-6511 22 pages
M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
Tuesday 20 May 2008 (afternoon)
PHYSICS
STANDARD LEVEL
PAPER 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 2008
0122
22086511
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2208-6511
–2– M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
Section a
Answer all the questions in the spaces provided.
a1. Thisquestionisaboutdataanalysis.
Data for the refractive indexn of a typeofglassandwavelength of the light transmitted
throughtheglassareshownbelow.
Onlytheuncertaintiesinthevaluesofn are significant and these uncertainties are shown by errorbars.
/nm
n
300 650600550500450400350
1.6020
1.6060
1.6055
1.6050
1.6045
1.6040
1.6035
1.6030
1.6025
1.6065
1.6015
(This question continues on the following page)
0222
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–3–
turn over
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(Question A1 continued)
(a) Statewhythedatadonotsupportthehypothesisthatthereisalinearrelationshipbetween
refractiveindexandwavelength.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[1]
(b) Draw a best-fit line for the data points. [2]
(c) Therateofchangeofrefractiveindex Dλ withwavelengthisreferredtoasthedispersion.
Atanyparticularvalueofwavelength, Dλisdefinedby
Dn
λ λ= ∆
∆ Usethegraphtodeterminethevalueof Dλ atawavelengthof380nm.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question A1 continued)
(d) Basedontheplotteddata,itissuggestedthattherelationshipbetweennand isofthe
form
n AB= +λ 2
whereAandBareconstants.
Totestthissuggestion,valuesofn areplottedagainstvaluesof1
2λ.Theresultinggraph
with the line of best fit is shown below.
1.6020
1.6060
1.6055
1.6050
1.6045
1.6040
1.6035
1.6030
1.6025
1.6065
0 0.70.60.50.40.30.20.1 1.21.11.00.90.8
1.6015
1.6010
110
2
15 2
λ/× − −m
n
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–5–
turn over
M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
(Question A1 continued)
(i) UsethegraphtodeterminethevalueoftheconstantA.
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[3]
(ii) State the significance of the constant A.
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[1]
0522
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–6– M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
a2. Thisquestionisaboutanidealgas.
Anidealgasiscontainedinacylinderbyapiston.
gas
piston
Thepistonismovedrapidlyinthedirectionshownsuchthatitcompressesthegas.Asaresult,
thetemperatureofthegasincreases.
(a) Outlinehowthemolecularmodelofanidealgasaccountsfortheriseintemperature.
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[3]
(b) The initial volume of the gas is 0.20m3 at a temperature of 27oC and a pressure
of 1.0105Pa. After compression, the volume of the gas is 0.070m3 and
thetemperatureis57oC. Determine the final pressure of the gas.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[2]
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–7–
turn over
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a3. This question is about the breaking distance of a car and specific heat capacity.
(a) Acarofmass960kgisfree-wheelingdownaninclineataconstantspeedof9.0ms–1.
speed ms−1= 9.0
15o
Theslopemakesanangleof15owiththehorizontal.
(i) Deducethattheaverageresistiveforceactingonthecaris2.4103N.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[2]
(ii) Calculatethekineticenergyofthecar.
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(Question A3 continued)
(b) Thedrivernowappliesthebrakesandthecarcomestorestin15m.Useyouranswerto
(a)(ii)tocalculatetheaveragebrakingforceexertedonthecarincomingtorest.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[2]
(c) Thesamebrakingforceisappliedtoeachrearwheelofthecar.Theeffectivemassof
each brake is 5.2 kg with a specific heat capacity of 900 J kg–1K–1.Estimatetherisein
temperatureofabrakeasthecarcomestorest.Stateoneassumptionthatyoumakein
yourestimation.
estimate:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[4]
assumption:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–9–
turn over
M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
Section b
This section consists of three questions: B1, B2, and B3. Answer one question.
b1. This question is in two parts. Part 1 is about momentum and energy and Part 2 is about
waves.
Part 1 Momentumandenergy
(a) Define impulse of a forceandstatetherelationbetweenimpulseandmomentum.
definition:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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relation:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[2]
(b) By applying Newton’s laws of motion to the collision of two particles, deduce that
momentumisconservedinthecollision.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[5]
(This question continues on the following page)
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–10– M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
(Question B1 part 1 continued)
(c) In an experiment to measure the speed of a bullet, the bullet is fired into a piece of plasticine suspendedfromarigidsupportbyalightthread.
24cm
speedVbullet
plasticine
Thespeedof thebulleton impactwith theplasticine isV. Asa resultof the impact,
thebulletembedsitselfintheplasticineandtheplasticineisdisplacedverticallythrough
aheightof24cm.Themassofthebulletis5.210–3kgandthemassoftheplasticineis
0.38kg.
(This question continues on the following page)
1022
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–11–
turn over
M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
(Question B1 part 1 continued)
(i) Ignoringthemassofthebullet,calculatethespeedoftheplasticineimmediately
aftertheimpact.
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[2]
(ii) Deduce that the speed V with which the bullet strikes the plasticine is about
160ms−1 .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[2]
(This question is continued on the following page)
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2208-6511
–12– M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
(Question B1 continued)
Part 2 Waves
(a) Withreferencetothedirectionofenergytransferthroughamedium,distinguishbetween
atransversewaveandalongitudinalwave.
.......................................................................
.......................................................................
.......................................................................
.......................................................................
.......................................................................
[3]
(b) A wave is travelling along the surface of some shallow water in the x-direction.
Thegraphshowsthevariationwithtimetofthedisplacementdofaparticleofwater.
–10
10
8
6
4
2
0
–2
–4
–6
–8
0 0.05 0.250.20.150.1 0.3t / s
d /mm
Usethegraphtodetermineforthewave
(i) thefrequency,
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[2]
(ii) theamplitude.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(This question continues on the following page)
1222
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2208-6511
–13–
turn over
M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
(Question B1 part 2 continued)
(c) Thespeedofthewavein(b)is15cms–1.Deducethatthewavelengthofthiswaveis
2.0cm.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[2]
(d) Thegraphin(b)showsthedisplacementofaparticleattheposition x = 0 .
Ontheaxesbelow,drawagraphtoshowthevariationwithdistancexalongthewater
surfaceofthedisplacementdofthewatersurfaceattime s.t = 0.070 [3]
–10
10
8
6
4
2
0
–2
–4
–6
–8
0 1 432
d /mm
x/cm
(This question continues on the following page)
1322
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2208-6511
–14– M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
(Question B1, part 2 continued)
(e) Thewaveencountersashelfthatdividesthewaterintotwoseparatedepths.Thewaterto
therightoftheshelfisdeeperthanthattotheleftoftheshelf.
shelf
deepwatershallowwater
directionof
travelofwave
wavefronts
30o
Theanglebetweenthewavefrontsintheshallowwaterandtheshelfis30o.Thespeed
ofthewaveintheshallowwateris15cms–1andinthedeeperwateris20cms–1.Forthe
waveinthedeeperwater,determinetheanglebetweenthenormaltothewavefrontsand
theshelf.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[3]
1422
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2208-6511
–15–
turn over
M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
b2. Thisquestion is intwoparts. Part 1 isaboutpowerandPart 2 isaboutnuclearreactions.
Part 1 Power
(a) Define power.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[1]
(b) AconstantforceofmagnitudeFmovesanobjectatconstantspeedvinthedirectionof
theforce.DeducethatthepowerPrequiredtomaintainconstantspeedisgivenbythe
expression
P Fv=
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[2]
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–16– M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
(Question B2 part 1 continued)
(c) Sandfallsverticallyontoahorizontalconveyorbeltatarateof60kgs–1.
sand
60kgs–1
2.0ms–1
Theconveyorbeltthatisdrivenbyanengine,moveswithspeed2.0ms–1.
Whenthesandhitstheconveyorbelt,itshorizontalspeediszero.
(i) IdentifytheforceFthatacceleratesthesandtothespeedoftheconveyorbelt.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(ii) DeterminethemagnitudeoftheforceF.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[2]
(iii) CalculatethepowerPrequiredtomovetheconveyorbeltatconstantspeed.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[1]
(iv) DeterminetherateofchangeofkineticenergyKofthesand.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[2]
(v) ExplainwhyPandKarenotequal.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–17–
turn over
M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
(Question B2, part 1 continued)
(d) The engine that drives the conveyor belt has an efficiency of 40 %. Calculate the input powertotheengine.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[2]
Part 2 Nuclearreaction
(a) Statethemeaningoftheterms
(i) nuclide
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[2]
(ii) isotope
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[1]
(b) Anucleusof24
11 Na undergoesradioactivedecaytothestablenucleus24
12 Mg.
(i) Identifythistypeofradioactivedecay.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[1]
(ii) Usethedatabelowtodeterminetherestmassinatomicmassunitoftheparticle
emittedinthedecayof 24
11 Na.
24
11restmassof Na u= 23.9909624
12restmassof Mg u= 23.98504energyreleasedindecay MeV= 5.002160
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–18– M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
(Question B2 part 2 continued)
(c) Theisotopesodium-24isradioactivebuttheisotopesodium-23isstable.Suggestwhich
oftheseisotopeshasthegreaternuclearbindingenergy.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[2]
(d) Attime t = 0,asampleofsodium-24containsN0 atomsofsodium-24.Thehalf-lifeof
sodium-24isT12
.
(i) Usingtheaxesbelow,drawasketchgraphtoshowthevariationwithtimetofthe
numberNofsodium-24atomsinthesample. [2]
00
T12
2T12
3T12
t
0N
N
(ii) Statehowtherateatwhichthesampleisdecayingatanytimetcanbefoundfrom
yoursketchgraph.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–19–
turn over
M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
b3. This question is about aspects of electric fields and electric charge.
Fieldsandelectricchargeassociatedwithatoms
(a) Define electric field strength.
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[2]
(b) Aprotonmaybeconsideredtobeapointcharge.Forsuchaproton
(i) sketch the electric field pattern. [2]
(ii) calculate the magnitude of the electric field strength at a distance of 5.0 10–11m
fromtheproton.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–20– M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
(Question B3 continued)
(c) Inasimplemodelofthehydrogenatom,anelectronorbitstheproton.Bothelectronand
protonareregardedaspointcharges.Theorbitalradiusoftheelectronis5.010–11m.
(i) Usingyouranswerto(b)(ii)deducethatthemagnitudeoftheelectricforcebetween
theelectronandtheprotonis9.310–8N.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(ii) Deducethatthekineticenergyoftheelectronis2.310–18 J.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[3]
(iii) Thetotalenergyoftheelectronis–14eV.Determinethepotentialenergyofthe
electroninelectronvolt.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[3]
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turn over
M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
(Question B3 continued)
Fieldsandelectricchargeinconductors
(d) Describe the concept of drift velocity as applied to the conduction electrons in a
conductor.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[4]
(e) Define electromotive force(e.m.f.).
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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[1]
(f) A filament lamp is operating at normal brightness.
The potential difference across the lamp is 6.0 V. The current in the filament is 0.20 A. For the filament of this lamp, calculate
(i) theresistance.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(ii) thepowerdissipated.
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(This question continues on the following page)
2122
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2208-6511
–22– M08/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+
(Question B3 continued)
(g) Thelampin(f)isconnectedinthecircuitbelow.Thelampisstilloperatingatnormal
brightness.
BR
ThebatteryBhasaninternalresistanceof5.0andtheresistanceRoftheresistoris
15.
(i) CalculatethecurrentintheresistorR.
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(ii) Determinethee.m.f.ofthebattery.
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