Physics Standard level Paper 2 PAST PAPERS - YEAR/2015 May/Gro… · Physics Standard level Paper 2 nternational accalaureate Organization 2 15 Instructions to candidates y Write

Candidate session number

m15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX

PhysicsStandard levelPaper 2

© International Baccalaureate Organization 2015

Instructions to candidates

yy Write your session number in the boxes above.yy Do not open this examination paper until instructed to do so.yy Section A: answer all questions.yy Section B: answer one question.yy Write your answers in the boxes provided.yy A calculator is required for this paper.yy A clean copy of the physics data booklet is required for this paper.yy The maximum mark for this examination paper is [50 marks].

1 hour 15 minutes

Friday 8 may 2015 (morning)

2215 – 651123 pages

24EP01

m15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX– 2 –

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24EP02


Turn over

Section A

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

1. Thisquestionisabouttheflowofliquids.

AstudentcarriesoutanexperimenttoinvestigatehowtherateofflowRofwaterthroughanarrowtubevarieswiththepressuredifferenceacrossthetube.Thepressuredifferenceis proportional to the height h shown in the diagram. The student measures h in cm with a metre ruler. Risobtainedbymeasuringthevolumeofwatercollectedinameasuringcylinderinatimeof100s.

from tap

h

narrow tube

measuringcylinder

(This question continues on the following page)

24EP03

M15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX– 4 –

(Question 1 continued)

(a) The student enters the data on a spreadsheet and produces the graph and trend line shown below.

R / cm3 s−1

h / cm

0.00

0.50

1.00

1.50

2.00

2.50

20 30 40 50 60 70 80 90 100

Thedatapointforh = 57 cm, R = 1.70cm3 s−1 has not been shown on the graph. Thestudentestimatestheuncertaintiesinallvaluesofh to be ±1cmandtheuncertaintiesinthevaluesofR to be ±5 %.

(i) On the graph, draw the missing data point. [1]

(ii) Onthegraph,drawtheverticalerrorbarforthisdatapoint. [1]

(iii) Commentonwhythetrendlineisnotaperfectmatchforthedata. [1]

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24EP04


Turn over


(iv) Explainwhythestudent’sestimateofa5%uncertaintyinallvaluesforR is unlikely to be correct. [2]

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(b) Thestudentestimatesthattheuncertaintyintiming100sis±1s.Usingthedataonthegraph,deducetheabsoluteuncertaintyinthevolumeofwatercollectedwhenR = 2.1cm3 s−1. [4]

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24EP05


2. Thisquestionisabouttheforcesonaskier.

Askierispulledupahillbyaropeatasteadyvelocity.Thehillmakesanangleof12° with thehorizontal.Themassoftheskierandskisis73kg.Thediagrambelowshowsthreeoftheforcesactingontheskier.

normal reaction

tension in rope

frictional forces

12°

(a) On the diagram, draw and label oneotherforceactingontheskier. [1]

(b) Calculatethemagnitudeofthenormalreactionactingontheskier. [2]

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(c) Thetotalfrictionalforceactingis65N.Determinethetensionintherope. [2]

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(d) Explain,usingNewton’sfirstlawofmotion,whytheresultantforceontheskiermust be zero. [2]

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24EP06


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3. Thisquestionisaboutthermalpropertiesofmatter.

(a) Explain,intermsoftheenergyofitsmolecules,whythetemperatureofapuresubstance does not change during melting. [3]

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(b) Threeicecubesatatemperatureof0°Caredroppedintoacontainerofwateratatemperatureof22°C.Themassofeachicecubeis25gandthemassofthewateris330g.Theicemelts,sothatthetemperatureofthewaterdecreases.Thethermalcapacityofthecontainerisnegligible.

(i) Definethermal capacity. [1]

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(ii) StatetheSIunitofthermalcapacity. [1]

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(iii) Thefollowingdataareavailable.

Specificlatentheatoffusionofice = 3.3 ×105 J kg–1

Specificheatcapacityofwater = 4.2 ×103 J kg–1 K–1

Calculatethefinaltemperatureofthewaterwhenalloftheicehasmelted.Assume that no thermal energy is exchanged between the water and the surroundings. [4]

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Section B

Thissectionconsistsofthreequestions:4,5and6.Answerone question. Write your answers in the boxes provided.

4. This question is about energy sources.

A small island is situated in the Arctic. The islanders require an electricity supply but have no fossilfuelsontheisland.Itissuggestedthatwindgeneratorsshouldbeusedincombinationwithpowerstationsusingeitheroilornuclearfuel.

(a) Suggesttheconditionsthatwouldmakeuseofwindgeneratorsincombinationwitheitheroilornuclearfuelsuitablefortheislanders. [3]

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(b) Conventionalhorizontal-axiswindgeneratorshavebladesoflength4.7m. Theaveragewindspeedontheislandis7.0ms−1 and the average air density is1.29kgm−3.

(i) Deducethetotalenergy,inGJ,generatedbythewindgeneratorsinoneyear. [3]

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(ii) Explain why less energy can actually be generated by the wind generators than the value you deduced in (b)(i). [2]

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m15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX–10–


(c) Theenergyflowdiagram(Sankeydiagram)belowisforanoil-firedpowerstationthatthe islanders might use.

chemicalenergy in oil

energy lost to the environment

energy used in the power station

energy lost in transmission

energy supplied to islanders

(i) Determinetheefficiencyofthepowerstation. [2]

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(ii) Explain why energy is wasted in the power station. [1]

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24EP10


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(iii) The Sankey diagram in (c) indicates that some energy is lost in transmission. Explain how this loss occurs. [1]

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(d) Theemissionsfromtheoil-firedpowerstationin(c)arelikelytoincreaseglobalwarmingbytheenhancedgreenhouseeffect.

(i) Statewhatismeantbytheenhancedgreenhouseeffect. [2]

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(ii) Outline the mechanism by which greenhouse gases contribute to global warming. [3]

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(e) Anynuclearfuelavailabletotheislandersmustbeenrichedbeforeitcanbeused.Outlinewhyfuelenrichmentisneeded. [2]

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24EP11

M15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX–12–


(f) Thenuclearequationbelowshowsoneofthepossiblefissionreactionsinanuclearreactor.

+ + +→1 ... 92 141 10 92 ... 56 0n U Kr Ba ... n

Identifythemissingnumbersintheequation. [3]

(g) A nuclear reactor requires both control rods and a moderator to operate. Outline, with referencetoneutrons,one similarity and twodifferencesinthefunctionofeachofthese components. [3]

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5. This question is in two parts. Part 1 is about a thermistor circuit. Part 2 is about vibrations and waves.

Part 1 Thermistor circuit

Thecircuitshowsanegativetemperaturecoefficient(NTC)thermistorXanda100kΩfixedresistor R connected across a battery.

Thebatteryhasanelectromotiveforce(emf)of12.0Vandnegligibleinternalresistance.

(a) (i) Defineelectromotive force (emf). [1]

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(ii) Statehowtheemfofthebatterycanbemeasured. [1]

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12.0V

X R

100kΩ

24EP13

M 15/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ1/XX–14–

(Question 5, part 1 continued)

(b) The graph below shows the variation with temperature ToftheresistanceRXofthethermistor.

RX / kΩ

350

300

250

200

150

100

50

0−60 −50 −40 −30 −20 −10 0 10 20 30

T / °C

(i) DeterminethetemperatureofXwhenthepotentialdifferenceacrossRis4.5V. [4]

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

(ii) Statetherangeoftemperaturesforwhichthechangeintheresistanceofthethermistor is most sensitive to changes in temperature. [1]

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24EP14


Turn over


(iii) Stateandexplaintheeffectofadecreaseintemperatureontheratio

voltageacross Xvoltage across R

. [2]

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


24EP15



Part 2 Vibrationsandwaves

TheconeanddustcapDofaloudspeakerLvibrateswithafrequencyof1.25kHzwithsimple harmonic motion (SHM).

cone

D

L

(c) Definesimple harmonic motion (SHM). [2]

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

(d) Dhasmass6.5 × 10−3kgandvibrateswithamplitude0.85mm.

(i) CalculatethemaximumaccelerationofD. [2]

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


24EP16


Turn over


(ii) DeterminethetotalenergyofD. [2]

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(e) Thesoundwavesfromtheloudspeakertravelinairwithspeed330ms−1.

(i) Calculatethewavelengthofthesoundwaves. [1]

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

(ii) Describethecharacteristicsofsoundwavesinair. [3]

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24EP17



(f) AsecondloudspeakerSemitsthesamefrequencyasLbutvibratesoutofphase withL.ThegraphbelowshowsthevariationwithtimetofthedisplacementxofthewavesemittedbySandL.

0.0 0.50.00

–0.50

–1.00

–1.50

–2.00

2.00

1.50

1.00

0.50 L

S1.0

t / m s

x / mm

(i) DeducetherelationshipbetweenthephaseofLandthephaseofS. [3]

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

(ii) On the graph, sketch the variation with tofxforthewaveformedbythesuperpositionofthetwowaves. [3]

24EP18


Turn over



24EP19


6. This question is in two parts. Part 1 is about kinematics and gravitation. Part 2 is about radioactivity.

Part 1 Kinematics and gravitation

AballisreleasednearthesurfaceoftheMoonattimet = 0.ThepointofreleaseisonastraightlinebetweenthecentreofEarthandthecentreoftheMoon.Thegraphbelowshows the variation with time tofthedisplacementsoftheballfromthepointofrelease.

–3.50

–3.00

–2.50

–2.00

–1.50

–1.00

–0.50

0.00

0.50

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 t / s

s / m

(a) Statethesignificanceofthenegativevaluesofs. [1]

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

(b) Usethegraphto

(i) estimatethevelocityoftheballatt = 0.80s. [3]

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


24EP20


Turn over


(ii) calculateavaluefortheaccelerationoffreefallclosetothesurfaceoftheMoon. [3]

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

(c) Thefollowingdataareavailable.

Massoftheball = 0.20kg MeanradiusoftheMoon = 1.74×106 m MeanorbitalradiusoftheMoonaboutthecentreofEarth= 3.84 × 108 m MassofEarth = 5.97 ×1024 kg

ShowthatEarthhasnosignificanteffectontheaccelerationoftheball. [4]

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

(d) Calculatethespeedofanidenticalballwhenitfalls3.0mfromrestclosetothesurfaceofEarth.Ignoreairresistance. [1]

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(e) Sketch, on the graph, the variation with time tofthedisplacementsfromthepointofreleaseoftheballwhentheballisdroppedclosetothesurfaceofEarth.(For this sketch take the direction towards the Earth as being negative.)

[3]


24EP21



Part 2 Radioactivity

Twoisotopesofcalciumarecalcium-40 ( )4020Ca and calcium-47 ( )47

20Ca .Calcium-40isstableandcalcium-47isradioactivewithahalf-lifeof4.5days.

(f) Explain,intermsofthenumberofnucleonsandtheforcesbetweenthem,whycalcium-40isstableandcalcium-47isradioactive. [3]

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

(g) Calculatethepercentageofasampleofcalcium-47thatdecaysin27days. [3]

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24EP22



(h) Thenuclearequationforthedecayofcalcium-47intoscandium-47 ( )4721Sc is given by

2047

2147

10Ca Sc e X→ + +−

(i) IdentifyX. [1]

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(ii) Thefollowingdataareavailable.

Massofcalcium-47nucleus = 46.95455 uMassofscandium-47nucleus= 46.95241u

Usingthedata,determinethemaximumkineticenergy,inMeV,oftheproductsinthedecayofcalcium-47. [2]

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(iii) State why the kinetic energy will be less than your value in (h)(ii). [1]

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