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Instructions• Use black ink or ball-point pen.• Fill in the boxes at the top of this page with your name, centre number and candidate number.• Answer all questions.• Answer the questions in the spaces provided – there may be more space than you need.

Information• The total mark for this paper is 60. • The marks for each question are shown in brackets – use this as a guide as to how much time to spend on each question.• Questions labelled with an asterisk (*) are ones where the quality of your written communication will be assessed – you should take particular care with your spelling, punctuation and grammar, as

well as the clarity of expression, on these questions.

PhysicsUnit P3: Applications of Physics

Higher Tier

6/8/8/2/

2

*S39603A0220*

FORMULAE

You may find the following formulae useful

intensity = power of incident radiation

area I

PA

=

power of lens = 1

focal length

The relationship between focal length, object and image distance 1 1 1f u v

= +

current = number of particles per second × charge on each particle I = N × q

kinetic energy = electronic charge × accelerating potential difference KE = ½ mv2 = e × V

momentum = mass × velocity p = m × v

frequency = 1

time period f

T=

1

The relationship between temperature and volume for a gas VV TT12 1

2=

The relationship between volume and pressure for a gas V1P1 = V2P2

The relationship between the volume, pressure and temperature for a gas PVT

P VT

1 1

1

2 2

2=

Snell’s law refractive index =

sine sine

ir

3

*S39603A0320* Turn over

Some questions must be answered with a cross in a box . If you change your mind about an answer, put a line through the box and then mark your new answer with a cross .

The pliosaur – a dinosaur

1 Part of the skeleton of a dinosaur was found recently. The dinosaur is called a pliosaur.

(a) A scientist produced the chart below to give an idea of the size of the pliosaur.

Complete the sentence by putting a cross ( ) in the box next to your answer.

The human diver is about 1.5 m tall.

Estimate the length of the pliosaur. It is about

(1) A 3.3 m

B 16 m

C 25 m

D 33 m

(b) X-rays were used to produce a photograph of one of the broken dinosaur bones.

Explain what happens to the X-rays in this process.(2)

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human diver

pliosaur

4

*S39603A0420*

(c) Scientists do not want to dissect the pliosaur’s skull so they carry out a CAT scan. This produces a three dimensional image of the bones.

(i) A CAT scan has been compared to a loaf of sliced bread.

Explain how a loaf of sliced bread can be used to model a CAT scan.(2)

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(ii) The amount of detail shown by a scan increases with the number of X-ray photographs used.

A super-scanner is an advanced CAT scanner. It builds up a more detailed image than a normal CAT scanner.

Super-scanners take many more X-ray photographs, each at a much higher energy, than normal CAT scanners.

Explain why a super-scanner is used on the pliosaur but would not normally be used on a human.

(3)

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(Total for Question 1 = 8 marks)

5

*S39603A0520* Turn over

Gases

2 The diagram shows apparatus that can be used to investigate the relationship between the volume and pressure of some trapped air.

(a) Which pair of quantities for the trapped air are kept constant to make the investigation valid?

Put a cross ( ) in the box next to your answer.(1)

A mass and volume

B pressure and temperature

C pressure and volume

D temperature and mass

glass tube

air

to foot pump

oil reservoir

Bourdon gauge

oil

6

*S39603A0620*

(b) The table shows the results of such an investigation.

pressure of gasP / atm

volume of gasV / cm3

reciprocal of pressure1P

/ atm–1

1.0 42 1.00

1.5 28

2.0 21 0.50

2.5 17

3.0 14 0.33

Two values are missing from the table.

Complete the table.(1)

7

*S39603A0720* Turn over

(c) The graph shows some of the results from the investigation.

(i) Plot the points from the values you have added to the table.(1)

(ii) Draw the line of best fit.(1)

1P

/ atm–1

1.0 –

0.8 –

0.6 –

0.4 –

0.2 –

0 –0

–10

20

30

40

50

V / cm3

8

*S39603A0820*

(d) The temperature of the trapped air increases from 20 °C to 40 °C.

Explain why the kinetic energy of the gas particles does not double.(4)

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(Total for Question 2 = 8 marks)

9

*S39603A0920* Turn over

Collisions

3 The diagram shows the paths of charged and uncharged particles.

(a) Which of the following causes some of the particles to move in a circular or spiral path?

Put a cross ( ) in the box next to your answer.(1)

A gravitational field

B magnetic field

C kinetic energy

D nuclear energy

(b) Which of the following quantities are conserved when electron – positron annihilation occurs?

Put a tick (ü) against each quantity that is conserved.(2)

quantity tick (ü)

Charge

Kinetic energy

Mass

Momentum

Speed

10

*S39603A01020*

(c) In terms of kinetic energy and momentum, compare elastic collisions with inelastic collisions.

(2)

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(d) A proton has a mass of 1 unit.

A proton is travelling at 2.2 × 107 m/s and collides with a stationary helium nucleus.

The proton rebounds at 1.3 × 107 m/s as shown.

before collision after collision

2.2 × 107 m/s 1.3 × 107 m/s

proton stationary proton helium helium nucleus nucleus

The mass of the helium nucleus is 4 units.

Calculate the velocity of the helium nucleus after the collision.(3)

velocity = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . m/s

11

*S39603A01120* Turn over

(e) A high voltage accelerates an electron from rest to a velocity of 4.0 × 107 m/s. mass of an electron = 9.1 × 10–31 kg charge on an electron = 1.6 × 10–19 C

Calculate the accelerating voltage. (3)

accelerating voltage = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . V

(Total for Question 3 = 11 marks)

12

*S39603A01220*

Fundamental particles

4 You should be familiar with two types of quark.

The illustration shows all the quarks in the quark family.

(a) Which of the following quarks is contained in a neutron?

Put a cross ( ) in the box next to your answer.(1)

A bottom

B charm

C down

D strange

13

*S39603A01320* Turn over

(b) The charges on all quarks are given in the table.

The size of the charge on an electron is represented by e.

charge = – 13 e charge = + 2

3 e

down up

strange charm

bottom top

Explain how the quarks in a proton give it a charge of +1e.(2)

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(c) The mass of an up quark is one-third of the mass of a proton.

Calculate the mass of a down quark.(1)

mass = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . of the mass of a proton

14

*S39603A01420*

*(d) Discuss the similarities and differences between beta minus decay and beta plus decay as processes that involve quarks.

(6)

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(Total for Question 4 = 10 marks)

15

*S39603A01520* Turn over

5 A nucleus of potassium-40 is described by the symbol 4019K.

(a) (i) Complete the sentence by putting a cross ( ) in the box next to your answer.

The mass number of this nucleus is(1)

A 19

B 21

C 40

D 59

(ii) Complete the symbol below to suggest a different isotope of potassium.(2)

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

K.. . . . . . . . . . . . .

(iii) Nuclei of potassium-40 are unusual. Some potassium-40 nuclei decay by emitting an electron. Others decay by emitting a positron.

Complete each equation.(2)

electron emission: 4019K

. . . . . . . . . .

Ca.. . . . . . . . .

+ 0–1e

positron emission: 4019K

. . . . . . . . . .

Ar.. . . . . . . . .

+ 0+1e

16

*S39603A01620*

(b) The graph shows

• the line of stability for stable nuclei

• the line N = Z

Explain, in terms of N and Z, how positron emission can produce a more stable nucleus.

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number of neutrons, N

100

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

line of stability

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100number of protons, Z

N = Z

17

*S39603A01720* Turn over

(c) Some potassium-40 nuclei do not emit an electron or a positron. These nuclei do a completely different thing. They capture an electron from the shell nearest to the nucleus. This electron then combines with a proton in the nucleus.

Write an equation which shows the effect of electron capture on the potassium-40 nucleus.

(3)

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(Total for Question 5 = 11 marks)

18

*S39603A01820*

Refraction and total internal reflection

6 (a) A ray of light travels from air into glass.

(i) Which angle is the angle of refraction?

Put a cross ( ) in the box next to your answer.(1)

A

B

C

D

(ii) You may use a calculator or the table of sines to answer this question.

A ray of light is incident at 30° on a boundary between air and glass.

The refractive index of the glass is 1.5.

angle (of incidence) 5° 10° 15° 20° 25° 30° 35° 40° 45° 50°

sine 0.087 0.17 0.26 0.34 0.42 0.50 0.57 0.64 0.71 0.77

Show that the angle of refraction is just less than 20°.(3)

airglass

A

CD

B

19

*S39603A01920* Turn over

(b) Explain what is meant by the term critical angle. You may draw a labelled diagram to help with your answer.

(2)

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20

*S39603A02020*

*(c) The prism XYZ is made of glass. The glass has a critical angle of 42°. The diagrams show two rays of light approaching the face XY from opposite

directions.

diagram 1 diagram 2

These rays will continue in various ways.

Explain why approaching the face XY from opposite directions will cause the rays to continue in different ways.

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(Total for Question 6 = 12 marks)

TOTAL FOR PAPER = 60 MARkS

Z

X

Y Z

X

Y

45°

45°

GCSE Science 2011

GCSE

`

GCSE Physics (5PH3H/01)

Edexcel Limited. Registered in England and Wales No. 4496750 Registered Office: One90 High Holborn, London WC1V 7BH

General Marking Guidance

• All candidates must receive the same treatment. Examiners must mark the first candidate in exactly the same way as they mark the last.

• Mark schemes should be applied positively. Candidates must be rewarded for what they have shown they can do rather than penalised for omissions.

• Examiners should mark according to the mark scheme not according to their perception of where the grade boundaries may lie.

• There is no ceiling on achievement. All marks on the mark scheme should be used appropriately.

• All the marks on the mark scheme are designed to be awarded. Examiners should always award full marks if deserved, i.e. if the answer matches the mark scheme. Examiners should also be prepared to award zero marks if the candidate’s response is not worthy of credit according to the mark scheme.

• For questions worth more than one mark, the answer column shows how partial credit can be allocated. This has been done by the inclusion of part marks eg (1).

• Where some judgement is required, mark schemes will provide the principles by which marks will be awarded and exemplification may be limited.

• When examiners are in doubt regarding the application of the mark scheme to a candidate’s response, the team leader must be consulted.

• Crossed out work should be marked UNLESS the candidate has replaced it with an alternative response.

Quality of Written Communication

Questions which involve the writing of continuous prose will expect candidates to:

• Write legibly, with accurate spelling, grammar and punctuation in order to make the meaning clear

• Select and use a form and style of writing appropriate to purpose and to complex subject matter

• Organise information clearly and coherently, using specialist vocabulary when appropriate.

Full marks will be awarded if the candidate has demonstrated the above abilities.

Questions where QWC is likely to be particularly important are indicated (QWC) in the mark scheme, but this does not preclude others.

General Information The following symbols are used in the mark schemes for all questions:

Symbol Meaning of symbol

eq Indicates that credit should be given for other correct alternatives to a word or statement

/ oblique Words or phrases separated by an oblique are alternatives to each other

{ } curly brackets

Indicate the beginning and end of a list of alternatives (separated by obliques) where necessary to avoid confusion

( ) round brackets

Words inside round brackets are to aid understanding of the marking point but are not required to award the point

Question Number

1(a) B (1)

Question Number

1(b) An explanation linking the following points

• some are absorbed by bone (1)

• rest pass through (to photo

plate) (1)

(2)

Question Number

1(c)(i) An explanation linking the following points

• each X-ray slice corresponds to a 2-D ‘picture’ (1)

• (which) the scan puts next to

each other in order like a loaf (1)

OR • a loaf of bread consists of

parallel slices (1) • (which are) arranged next to

each other in order like the CAT scan (1)

(2)

Question Number

1(c)(ii)

An explanation linking the following points

• too many X-ray photographs are dangerous (to living tissue) (1)

• (which) damages the

DNA/cells (1)

• (but) the pliosaur is now dead/will not be damaged by X-rays (1)

to the body

(3)

Question Number

2(a)

D

(1)

Question Number

2(b) complete table 0.67 0.4(0) both correct for mark

(1)

Question Number

2(c)(i) plots both points correctly (1)

(1)

Question Number

2(c)(ii) line of best fit 1 (1)

Question Number

2(d) An explanation linking the following points

• KE will increase (1) • (increase in KE is)

proportional to temperature in Kelvin (1)

• Kelvin temperature rise from

293 to 313 (1)

• (so) KE will increase (slightly) but will not double (1)

particles will move faster by small amount increases by 313/293 or 1.07 (1)

(4)

Question Number

3(b) • charge (1) • momentum (1)

(2)

Question Number

3(c) • momentum conserved in both (1)

• KE only conserved in elastic

collision (1)

(2)

Question Number

3(d) equation showing conservation of momentum substitution (1) mpup = mhvh + mpvp

or words transposition (1) 2.2 x 107 = mhph - 1.3 x 107

3.5 x 107 = momentum of helium nucleus evaluation(1) 4 x v = 3.5 x 107

v = 8.75 x 107 (m/s) (1)

allow substitution and transposition in either order give full marks for correct answer, no working

(3)

Question Number

3(a) B (1)

Question Number

3(e) substitution (1) 1.6 x 10-19 x V = ½ x 9.1 x 10-31 x (4.0 x 107)2 transposition (1) V = ½ x 9.1 x 10-31 x (4.0 x 107)2 1.6 x 10-19 evaluation(1) approx 4500 (V)

allow substitution and transposition in either order give full marks for correct answer, no working

(3)

Question Number

4(a)

C

(1)

Question Number

4 (b) An explanation linking the following points

• u + u + d (1) • (gives) +2/3e +2/3e -1/3e =

+1e (1)

(2)

Question Number

4(c)

one-third (of the mass of a proton) (1)

Question Number

Indicative Content Mark

QWC *4(d) A discussion including some of the following points Similarities and differences of processes:

• both emissions come from the nucleus • emitted randomly • causes a neutron to become a proton and vice versa

Similarities and differences of quark behaviour: Beta minus emission only

• neutron has the quarks d+d+u • one of the downs changes (flavour) and becomes an up • an electron is emitted • the neutron becomes a proton • the proton produced has quarks d+u+u

Beta plus emission only • proton has quarks d+u+u • one of the ups changes (flavour) and becomes a down • a positron is emitted • the proton becomes a neutron • the neutron produced has quarks d+d+u

(6)

Level 0 No rewardable content 1 1 - 2 • a limited discusion of a single process, a similarity or a difference

• the answer communicates ideas using simple language and uses limited scientific terminology

• spelling, punctuation and grammar are used with limited accuracy 2 3 - 4 • some discusion of both processes or a full discussion of one processs with

some similarity or difference • the answer communicates ideas showing some evidence of clarity and

organisation and uses scientific terminology appropriately • spelling, punctuation and grammar are used with some accuracy

3 5 - 6 • a detailed discussion of both processes including both similarities and differences

• the answer communicates ideas clearly and coherently uses a range of scientific terminology accurately

• spelling, punctuation and grammar are used with few errors

Question Number

5(a) (i) C

(1)

Question Number

5(a) (ii)

• any integer greater than 19 but not equal to 40 (1)

• 19 (1)

(2)

Question Number

5(a) (iii)

All four numbers correct 2 marks. Two or three correct 1 mark. 40 (Ca) 20 40 (Ar) 18

(2)

Question Number

5(b) An explanation linking the following points

• a proton becomes a neutron (1)

• (so) Z decreases by 1 (1) • and so N increases by 1 (1) • so will approach line of

stability from below and right (1)

• (so) just below the curve (and for nuclei with low number of protons) (1)

Z – 1, N + 1 circle on diagram in appropriate place

(3)

Question Number

5(c) K + e with numbers (1) correct balancing (1) 4 numbers correct, 2 marks 3 numbers correct, 1 mark

(3)

18 (Ar)40

+ 40 K 19

0 e -1

0

Question Number

6 (a)(i)

D

(1)

Question Number

6 (a)(ii) transposition(1) sin30/1.5 substitution (1) 0.33 evaluation < 0.34 (1)

allow substitution and transposition in either order about 19.5° give full marks for correct answer, no working

(3)

Question Number

6 (b) angle of incidence (1) for which angle of refraction is 90° (1)

for which the refracted ray goes along the boundary or above which ALL light is reflected internally

(2)

Question Number

Indicative Content Mark

QWC *6(c) An explanation linking some of factors within diagram 1 and some of the factors within diagram 2 Diagram 1

• angle of incidence (45°) is greater than critical angle (42°) • so total internal reflection occurs • angle of incidence =angle of reflection • so ray turns through 90° • and leaves prism through ZY

Diagram 2 • partial reflection • (which is) 90°to incident ray • (partial) refraction into glass • towards normal • angle of refraction less than 45° • angle of refraction is (just over) 28° • leaves prism through XZ

Up to a maximum of 3 marks can be scored using labelled diagrams only

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Level 0 No rewardable content 1 1 - 2 • the explanation is limited to a single effect on one diagram

• the answer communicates ideas using simple language and uses limited scientific terminology

• spelling, punctuation and grammar are used with limited accuracy 2 3 - 4 • some explanation for both diagrams or a full explanation of one. Some

consideration is given to numerical values • the answer communicates ideas showing some evidence of clarity and

organisation and uses scientific terminology appropriately • spelling, punctuation and grammar are used with some accuracy

3 5 - 6 • the explanation will be clear and precise. Numerical values will be considered particularly for the total deviation for TIR and the angle of refraction

• the answer communicates ideas clearly and coherently uses a range of scientific terminology accurately

• spelling, punctuation and grammar are used with few errors