Physics Candidate session number standard level PaPer 2 PAST PAPERS - SUBJECT/Group 4 … · 4.0 m (not to scale) Points O and P are on a line 4.0 m from the line connecting X and

27 pages

M13/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX

Monday 6 May 2013 (morning)

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 questions. Section B: answer one question.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 [50 marks].

1 hour 15 minutes

© International Baccalaureate Organization 2013

Examination code

2 2 1 3 – 6 5 1 1

Candidate session number

0 0

22136511

0128

–2– M13/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX

0228

Section a

Answer all questions. Write your answers in the boxes provided.

a1. Dataanalysisquestion.

A particular semiconductor device generates an emf, which varies with light intensity.The diagram shows the experimental arrangement which a student used to investigate thevariationwithdistancedoftheemfε .Thepoweroutputofthelampwasconstant.(Thepowersupplyforthelampisnotshown.)

mV

semiconductordevice lamp

d

Thetableshowshowε variedwithd.

d /cm ε /mV19.1 5.518.0 6.016.0 8.614.0 11.912.0 19.710.0 37.5

(a) Outlinewhy thestudenthas recorded the ε values todifferentnumbersofsignificantdigitsbutthesamenumberofdecimalplaces. [2]

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(This question continues on the following page)

–3–

turn over


0328

(Question A1 continued)

(b) Onlookingattheresultsthestudentsuggeststhatε couldbeinverselyproportionaltod.Heproceedstomultiplyeachdvaluebythecorrespondingvalueofε .

(i) Explainwhythisprocedurecanbeusedtodisprovethestudent’ssuggestionbutitcannotproveit. [2]

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(ii) Using thedata ford valuesof19.1cm,16.0cmand10.0cmdiscusswhetherornotε isinverselyproportionaltod. [3]

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0428


(c) Thegraphshowssomeofthedatapointswiththeuncertaintyinthedvalues.

Onthegraph

(i) drawthedatapointcorrespondingtothevalueofd =19.1cm. [1]

(ii) assumingthatthereisaconstantabsoluteuncertaintyinmeasuringallvaluesofd,drawtheerrorbarforthedatapointin(c)(i). [1]

(iii) sketchthelineofbest-fitforalltheplottedpoints. [1]


–5–

turn over


0528


ε /mV

40

30

20

10

0 8 10 12 14 16 18 20

d /cm



0628


(d) All values of ε have a percentage uncertainty of ±3%. Calculate the percentageuncertaintyintheproductdε forthevalueofd=18.0cm. [2]

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–7–

turn over


0728

a2. Thisquestionisaboutcircularmotion.

Thediagramshowsacarmovingataconstantspeedoveracurvedbridge. At thepositionshown,thetopsurfaceofthebridgehasaradiusofcurvatureof50m.

car

topsurfaceofbridgeofradiusofcurvature50m

(a) Explainwhythecarisacceleratingeventhoughitismovingwithaconstantspeed. [2]

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(b) Onthediagram,drawandlabeltheverticalforcesactingonthecarinthepositionshown. [2]

(c) Calculatethemaximumspeedatwhichthecarwillstayincontactwiththebridge. [3]

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0828

a3. Thisquestionisaboutthesuperpositionofwaves.

(a) Statewhatismeantbytheprincipleofsuperpositionofwaves. [1]

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(b) Thediagramshowstwopointsourcesofsound,XandY.Eachsourceemitswavesofwavelength1.1mandamplitudeA.Overthedistancesshown,anydecreaseinamplitudecanbeneglected.Thetwosourcesvibrateinphase.

X

Y

O

P

1.6m

1.6m0.75m

4.0m (not to scale)

PointsOandPareonaline4.0mfromthelineconnectingXandY.OisoppositethemidpointofXYandPis0.75mfromO.

(i) ExplainwhytheintensityofthesoundatOis4A2. [2]

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–9–

turn over


0928


(ii) DeducethatnosoundisdetectedatP. [3]

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1028

Section b

This section consists of three questions: B1, B2 and B3. Answer one question. Write your answers in the boxes provided.

b1. This question is in two parts. Part 1 is about impulse andmomentum. Part 2 is aboutnuclearfusion.

Part 1 Impulseandmomentum

Thediagramshowsanarrangementusedtotestgolfclubheads.

h

pivot

shaft

clubhead

ball

centreofmassofclubhead

Theshaftofaclubispivotedandthecentreofmassoftheclubheadisraisedbyaheighthbeforebeingreleased.Onreachingtheverticalpositiontheclubheadstrikestheball.

(a) (i) Describetheenergychangesthattakeplaceintheclubheadfromtheinstanttheclubisreleaseduntiltheclubheadandtheballseparate. [2]

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–11–

turn over


1128

(Question B1, part 1 continued)

(ii) Calculatethemaximumspeedoftheclubheadachievablewhenh=0.85m. [2]

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(b) Thediagramshowsthedeformationofagolfballandclubheadastheycollideduringatest.

clubhead

golfball

deformationofclub head andgolfball

Explainhowincreasingthedeformationoftheclubheadmaybeexpectedtoincreasethespeedatwhichtheballleavestheclub. [2]

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1228


(c) Inadifferentexperimentalarrangement,theclubheadisincontactwiththeballforatimeof220µs.Theclubheadhasmass0.17kgandtheballhasmass0.045kg.Atthemomentofcontacttheballisatrestandtheclubheadismovingwithaspeedof38ms–1.Theballmovesoffwithaninitialspeedof63ms–1.

(i) Calculatetheaverageforceactingontheballwhiletheclubheadisincontactwiththeball. [2]

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(ii) Statetheaverageforceactingontheclubheadwhileitisincontactwiththeball. [1]

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(iii) Calculatethespeedoftheclubheadattheinstantthatitlosescontactwiththeball. [2]

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(This question continues on page 14)

–13–

turn over


1328

Pleasedo notwriteonthispage.

Answerswrittenonthispagewillnotbemarked.


1428

(Question B1 continued)

Part 2 Nuclearfusion

Thediagramshowsthevariationofnuclearbindingenergypernucleonwithnucleonnumberforsomeofthelighternuclides.

bindingenergypernucleon/MeV

10.00

9.00

8.00

7.00

6.00

5.00

4.00

3.00

2.00

1.00

0.00

42He

21H

0 20 40 60 80 100 120nucleonnumber

(a) (i) Outline,withreferencetomassdefect,whatismeantbythetermnuclearbindingenergy. [2]

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(ii) Label,withtheletterS,theregiononthegraphwherenucleiaremoststable. [1]


–15–

turn over


1528


(iii) Showthattheenergyreleasedwhentwo 21H nucleifusetomakea 42He nucleusisapproximately4pJ. [4]

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(b) Inonenuclearreactiontwodeuterons(hydrogen-2)fusetoformtritium(hydrogen-3)andanotherparticle.Thetritiumundergoesβ −decaytoformanisotopeofhelium.

(i) Identifythemissingparticlestocompletetheequations. [4]

2 2 31 1 1H+ H H+…

…→ ……

3 31H He+ +… …

… … …→ …… ……

(ii) Explainwhichofthesereactionsismorelikelytooccurathightemperatures. [3]

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1628

b2. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutsimpleharmonicmotionandforcedoscillations.Part 2isaboutelectricandmagneticforcefields.

Part 1 Simpleharmonicmotionandforcedoscillations

Thegraphshowsthevariationwithtimeofthedisplacementofanobjectundergoingsimpleharmonicmotion.

0

20

40

– 20

– 40

0 100 200 300 400

displacement/mm

time/ms

(a) (i) Statetheamplitudeoftheoscillation. [1]

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(ii) Calculatethefrequencyoftheoscillation. [2]

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turn over


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(b) (i) Determinethemaximumspeedoftheobject. [2]

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(ii) Determinetheaccelerationoftheobjectat140ms. [2]

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1828


(c) Thegraphbelowshowshowthedisplacementoftheobjectvarieswithtime.Sketchonthe same axes a line indicatinghow the kinetic energyof the object varieswith time.Youshouldignoretheactualvaluesofthekineticenergy. [3]

displacement

00 time


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turn over


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Part 2 Electricandmagneticforcefields

(a) Defineelectric field strength. [2]

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(b) Thediagramshowsapairofhorizontalmetalplates.Electronscanbedeflectedverticallyusinganelectricfieldbetweentheplates.

metalplates

(i) Label,onthediagram,thepolarityofthemetalplateswhichwouldcauseanelectronpositionedbetweentheplatestoaccelerateupwards. [1]

(ii) Drawtheshapeanddirectionoftheelectricfieldbetweentheplatesonthediagram. [2]



2028


(iii) Calculatetheforceonanelectronbetweentheplateswhentheelectricfieldstrengthhasavalueof2.5×103NC–1. [2]

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(c) The diagram shows two isolated electrons, X and Y, initially at rest in a vacuum.Theinitialseparationoftheelectronsis5.0mm.Theelectronssubsequentlymoveapartinthedirectionsshown.

X Y

5.0mm

(i) Showthattheinitialelectricforceactingoneachelectronduetotheotherelectronisapproximately9×10–24N. [2]

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(ii) Calculatetheinitialaccelerationofoneelectronduetotheforcein(c)(i). [1]

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–21–

turn over


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(iii) Discussthemotionofoneelectronafteritbeginstomove. [3]

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(iv) ThediagramshowsYasseenfromX,atoneinstant.Yismovingintotheplaneofthepaper.Forthisinstant,drawonthediagramtheshapeanddirectionofthemagneticfieldproducedbyY. [2]

Y


2228

b3. Thisquestionisaboutalternativeenergysupplies.

Asmallislandcommunityrequiresapeakpowerof850kW.Twosystemsareavailableforsupplyingtheenergy:usingwindpowerorphotovoltaiccells.

(a) (i) Outline,withreferencetotheenergyconversionsinthemachine,themainfeaturesofaconventionalhorizontal-axiswindgenerator. [3]

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(ii) Themeanwindspeedontheislandis8.0ms–1. Showthat themaximumpoweravailablefromawindgeneratorofbladelength45misapproximately2MW.

Densityofair=1.2kgm–3

[2]

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(iii) Theefficiencyof thegenerator is24%. Deduce thenumberof thesegeneratorsthatwouldberequiredtoprovidetheislanderswithenoughpowertomeet theirenergyrequirements. [2]

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turn over


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(b) Thegraphbelowshowshowthewindspeedvarieswithheightabovethelandandabovethesea.

land sea

height/m

1601401201008060402006 8 10 12 14

meanwindspeed/ms–1

(i) Suggestwhy,foranygivenheight,themeanwindspeedabovetheseaisgreaterthanthemeanwindspeedabovetheland. [1]

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(ii) Thereisachoiceofmountingthewindgeneratorseither60mabovethelandor60mabovethesea.

Calculatetheratio

power available froma land-basedgeneratorpoweravailablefroma sea-basedgenerator

ataheightof60m. [2]

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2428


(c) Distinguishbetweenphotovoltaiccellsandsolarheatingpanels. [2]

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turn over


2528


(d) Thediagramshows12photovoltaiccellsconnectedinseriesandinparallel toformamoduletoprovideelectricalpower.

Eachcellinthemodulehasanemfof0.75Vandaninternalresistanceof1.8Ω.

(i) Calculatetheemfofthemodule. [1]

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(ii) Determinetheinternalresistanceofthemodule. [3]

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2628


(iii) The diagram below shows the module connected to a load resistor ofresistance2.2Ω.

2.2Ω

module

Calculatethepowerdissipatedintheloadresistor. [2]

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(iv) Discuss the benefits of having cells combined in series and parallel withinthemodule. [2]

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2728


(e) TheintensityoftheSun’sradiationatthepositionoftheEarth’sorbit(thesolarconstant)isapproximately1.4×103Wm–2.

(i) Explain why the average solar power per square metre arriving at the Earthis3.5×102W. [2]

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(ii) Statewhythesolarconstantisanapproximatevalue. [1]

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(iii) Photovoltaiccellsareapproximately20%efficient. Estimate theminimumareaneededtosupplyanaveragepowerof850kWovera24hourperiod. [2]

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