Physics standard level PaPer 2 · PDF filePhysics standard level PaPer 2 INSTRUCTIONS TO CANDIDATES • Write your session number in the boxes above. • Do not open this examination

2210-6511 19 pages

M10/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX+

Monday 10 May 2010 (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 2010

2 2 1 0 6 5 1 1

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Blankpage

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SecTion a

Answer all the questions in the spaces provided.

a1. Thisquestionisaboutelectricalresistance.

ThegraphshowsthevariationwithtemperatureToftheresistanceRofanelectricalcomponent.

R / Ω

T / K250 300 350 400

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

(a) Astudenthypothesizesthattheresistanceisinverselyproportionaltothetemperature. Usedatafromthegraphtoshowwhetherthehypothesisissupported.

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[3]

(This question continues on the following page)

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(Question A1 continued)

(b) Asecondstudentsuggeststhattherelationshipisoftheform

lg = +R a b

T whereaandbareconstants.

Thestudentplotsthegraphbelow.Errorbarshavebeenincludedforthesakeofclarity.

–3

–2

–1

0

1

2

3

4

1 2 3 40

5


lg(R

/ Ω

)

1 10 3 1

T/ K× − −

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(Question A1 continued)

(i) Explainhowthegraphdrawncouldbeusedasevidencetosupportthestudent’ssuggestion.

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(ii) Usethegraphtodeterminetheconstantsaandb.

b: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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a: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(iii) Usingyouranswersto(b)(ii),determineavaluefortheresistanceofthecomponentatatemperatureof260K.

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

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a2. Thisquestionisaboutforces.

Anathletetrainsbydraggingaheavyloadacrossaroughhorizontalsurface.

F

TheathleteexertsaforceofmagnitudeFontheloadatanangleof25 tothehorizontal.

(a) Oncetheloadismovingatasteadyspeed,theaveragehorizontalfrictionalforceactingontheloadis470N.

CalculatetheaveragevalueofFthatwillenabletheloadtomoveatconstantspeed.

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(b) Theloadismovedahorizontaldistanceof2.5kmin1.2hours.

Calculate

(i) theworkdoneontheloadbytheforceF.

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

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(ii) theminimumaveragepowerrequiredtomovetheload.

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[2]

(c) Theathletepullstheloaduphillatthesamespeedasinpart(a).

Explain,intermsofenergychanges,whytheminimumaveragepowerrequiredisgreaterthanin(b)(ii).

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a3. Thisquestionisaboutsolarheatingpanels.

(a) Statetheenergychangethattakesplaceinasolarpanel.

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[1]

(b) Avillageconsistsof120houses.Itisproposedthatsolarpanelsbeusedtoprovidehotwatertothehouses.

Thefollowingdataareavailable.

averagepowerneededperhousetoheatwater = 3 0. kW averagesurfacesolarintensity = −650 2Wm efficiencyofenergyconversionofasolarpanel =18%

Calculatetheminimumsurfaceareaofthesolarpanelsrequiredtoprovidethetotalpowerforwaterheating.

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(c) Suggesttwodisadvantagesofusingsolarpowertoprovideenergyforheatingwater.

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

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

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SecTion b

This section consists of three questions: B1, B2 and B3. Answer one question.

b1. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutsolarradiation.Part 2isaboutkickingafootball.

Part 1 Solarradiation

(a) StatetheStefan–Boltzmannlawforablackbody.

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(b) ThefollowingdatarelatestotheEarthandtheSun.

Earth-Sundistance = 111.5 10 m× radiusofEarth = 66.4 10 m× radiusofSun = 87.0 10 m× surfacetemperatureofSun =5800K

(i) UsedatafromthetabletoshowthatthepowerradiatedbytheSunisabout4 1026× W.

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(ii) CalculatethesolarpowerincidentperunitareaatadistancefromtheSunequaltotheEarth’sdistancefromtheSun.

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(Question B1, part 1 continued)

(iii) The average power absorbed per unit area at the Earth’s surface is 240Wm−2.Statetworeasonswhythevaluecalculatedin(b)(ii)differsfromthisvalue.

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

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

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(iv) Show that thevalue forpowerabsorbedperunit areaof240Wm−2 is consistentwithanaverageequilibriumtemperaturefor theEarthofabout255K.

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(c) Explain, by reference to the greenhouse effect, why the average temperature of thesurfaceof theEarth isgreater than255K.

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(d) Suggestwhy theburningof fossil fuelsmay lead toan increase in the temperatureofthesurfaceof theEarth.

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(Question B1 continued)

Part 2 Kickingafootball

Aballissuspendedfromaceilingbyastringoflength7.5m.Theballiskickedhorizontallyandrisestoamaximumheightof6.0m.

7.5 m6.0 m

(a) Assuming that the air resistance is negligible, show that the initial speed of the ballis11 1ms− .

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(b) Themassof theball is0.55kgand the impact timeof thekicker’s footwith theballis150ms.Estimatetheaverageforceexertedontheballbythekick.

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(c) (i) Explainwhythetensioninthestringincreasesimmediatelyaftertheballiskicked.

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(ii) Calculatethetensioninthestringimmediatelyaftertheballiskicked.Assumethatthestringisvertical.

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Turn over


b2. This question is in two parts. Part 1 is about water wave motion. Part 2 is aboutnuclearprocesses.

Part 1 Waterwaves

A small sphere, mounted at the end of a vertical rod, dips below the surface of shallowwaterinatray.Thesphereisdrivenverticallyupanddownbyamotorattachedtotherod.Theoscillationsofthesphereproducetravellingwavesonthesurfaceofthewater.

water surfacerod

sphere


1 1 1 9

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(a) The diagram shows how the displacement of thewater surface at a particular instantin timevarieswith distance from the sphere. Theperiodof oscillationof the sphereis0.027s.

displacement/mm1.5

1.0

0.5

0

–0.5

–1.0

–1.5

0 5 10 15distance/mm

Usethediagramtocalculate,forthewave,

(i) theamplitude.

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(ii) thewavelength.

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(iii) thefrequency.

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(iv) thespeed.

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Turn over



(b) ThewavemovesfromregionAintoaregionBofshallowerwater. ThewavesmovemoreslowlyinregionB.Thediagram(nottoscale)showssomeofthewavefrontsinregionA.

60

region A region B

direction of motion

(i) Withreferencetoawave,distinguishbetweenarayandawavefront.

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(ii) TheanglebetweenthewavefrontsandtheinterfaceinregionAis 60.Therefractiveindex A Bn is1.4.

DeterminetheanglebetweenthewavefrontsandtheinterfaceinregionB.

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(iii) Onthediagramabove,constructthreelinestoshowthepositionofthreewavefrontsinregionB. [2]


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(c) Anothersphereisdippedintothewater. Thespheresoscillateinphase. Thediagramshows some lines in regionA along which the disturbance of the water surface is aminimum.

linesof minimumdisturbance

(i) Outlinehowtheregionsofminimumdisturbanceoccuronthesurface.

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(ii) Thefrequencyofoscillationofthespheresisincreased.

Stateandexplainhowthiswillaffectthepositionsofminimumdisturbance.

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wavefront

1 4 1 9

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Turn over



Part 2 Nuclearprocesses

(a) Anucleusof radium-91 91226 Ra( ) undergoesalphaparticledecay to formanucleusof

radon(Rn).

(i) IdentifytheprotonnumberandnucleonnumberofthenucleusofRn.

Protonnumber: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Nucleonnumber: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(ii) Thehalf-lifeofradium-91is1600years.Determinethelengthoftimetakenfor87 5. % oftheradiumtodisintegrate.

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(b) Immediatelyafter thedecayofastationary radiumnucleus, thealphaparticleand theradonnucleusmoveoffinoppositedirectionsandatdifferentspeeds.

radonα

Outlinethereasonsfortheseobservations.

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(c) Outlinewhyabetaparticlehasalongerrangeinairthananalphaparticleofthesameenergy.

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b3. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutanelectricalheater.Part 2isaboutheatingaliquid.

Part 1 Electricalheater

Anelectricalheaterconsistsoftwoheatingelements 1E andE2 .Theelementsareconnectedinparallel.Eachelementhasaswitchandisconnectedtoasupplyofemf240V.Thesupplyhasnegligibleinternalresistance.

240 V supply

1E

E2

ElementE1 ismadefromwirethathasacross-sectionalareaof8 26.8 10 m−× .Theresistivity

ofthewireattheoperatingtemperatureoftheelementis1 1 10 6. × − Ωm.

(a) (i) Thetotallengthofwireis4.5m.Showthattheresistanceof 1E is73Ω.

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(ii) Calculatethepoweroutputof 1E withonlythiselementconnectedtothesupply.

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(iii) Element E2 ismadeofwireof thesamecross-sectionandmaterialas 1E . Thelengthofwireusedtomake E2 is1.5m.Determinethetotalpoweroutputwhenboth 1E andE2 areconnectedtothesupply.

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Turn over



(iv) Withreferencetothepoweroutput,explainwhyitwouldbeinappropriatetoconnecttheheatingelementsinseries.

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(b) Eachelementintheelectricalheateriswoundasacoilasshown.

Eachturnofthecoilmaybeconsideredtoactasacurrent-carryinglongstraightwire.

(i) On the diagram, draw the magnetic field around a current-carrying longstraightwire.Thearrowshowsthedirectionofthecurrent. [3]

eye

current-carryingwire

M10/2/A2MGR/HP1/GRE/TZ0/XX

(ii) Stateandexplainwhethertheturnsofwirewillattractorrepeloneanother.

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Part 2 Heatingaliquid

(a) Suggestwhy,intermsofthemolecularmodel,theenergyassociatedwithmeltingislessthanthatassociatedwithboiling.

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(b) Milk in a cup is heated toboilingpoint bypassing steam through it. Whilst coolingsubsequently,somemilkevaporates.

(i) Distinguishbetweenevaporationandboiling.

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(ii) Thecupcontains0.30kgofmilkataninitialtemperatureof18 C° .Estimatetheminimummassofsteamat100 C° thatisrequiredtoheatthemilkto80 C° .

Specificlatentheatofvaporizationofwater = × −2 3 106 1. J kg Specificheatcapacityofwater = − −4200 1 1J kg K Specificheatcapacityofmilk = − −3800 1 1J kg K

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(iii) Statetworeasons,otherthanevaporation,whytheanswerto(b)(ii)islikelytobedifferentfromtheactualmassofcondensedsteam.

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

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