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24 pages

SPEC/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ0/XX

Specimen Paper

PHYSICSHIGHER LEVELPAPER 2

INSTRUCTIONS TO CANDIDATES

• Write your session number in the boxes above.• Do not open this examination paper until instructed to do so.• Answer all questions.• 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 [95 marks].

© International Baccalaureate Organization 2016

Examination code

Candidate session number

24EP01

For SSS us

e only

– 2 – SPEC/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ0/XX

24EP02

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

1. Inthedroptowershown,containerswithexperimentsinsideofthemarefiredupwardsinsideavertical tower.

direction of travel of container

drop tower

partialvacuum

container

tank of Styrofoam spheres

Thecontainermovesunder the influenceofgravityandeventually fallsback to thebottomof the tower. Mostof theair is removedfromthe towerso thatair resistanceisnegligible. Whileinflight,thecontaineranditscontentscanbeconsideredweightless.

(a) Thecontainerisfiredverticallyupwardswithinitialspeed48ms–1. Determine the time thatthecontainerisinflight. [2]

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(This question continues on the following page)

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e only

– 3 –

Turn over


24EP03

(Question 1 continued)

(b) Attheendoftheflight,thecontaineroftotalmass480kgfallsintoatankofexpandedStyrofoam(polystyrene)spherestoslowit.Thecontainerstopsaftermovingadistance8.0m in theStyrofoam. Calculate theaverage force that actson thecontainerdue to the spheres. [3]

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(c) Outlinewhytheexperimentsinsidethecontainercanbeconsideredtobeinweightlessconditions. [2]

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(This question continues on the following page)For SSS us

e only

–4– SPEC/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ0/XX

24EP04


(d) Thetoweris120mhighwithaninternaldiameter3.5m.Whenmostoftheairhasbeenremoved,thepressureinthetoweris0.96Pa.

(i) Determinethenumberofmoleculesofairinthetowerwhenthetemperatureoftheairis300K. [3]

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(ii) Outlinewhetherthebehaviouroftheremainingairinthetowerapproximatestothatofanidealgas. [2]

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–5–

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24EP05


(e) Thecontainercanalsobereleasedfromrestatthetopofthetower.Thegraphshowshowthecontainervelocityvarieswithtimefromreleasewiththetowerinapartialvacuum.

velocity

0

A

0 B C time

(i) StatethequantitythatisrepresentedbytheshadedareaABC. [1]

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(ii) Airisintroducedintothetower.Thecontainerisreleasedfromthetopofthetowerwhentheairinthetowerisatatmosphericpressure.Usingtheaxesin(e),sketchagraphtoshowhowthecontainervelocityvarieswithtimefromreleasewhentheairisatatmosphericpressure. [3]

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e only


24EP06

2. Thediagramshowsanelectricalcircuitwiththevaluesofitscomponents.Thecellshaveanegligibleinternalresistance.

3.0Ω X 2.0Ω

9.0 V 6.0Ω 12 V

Y

(a) Show,usingKirchhoff’slaws,thatthecurrentinthe6.0Ωresistoris1.5A. [4]

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Turn over


24EP07


(b) (i) CalculatethepotentialdifferencebetweenXandY. [1]

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(ii) OutlinewhetherXorYisathigherpotential. [1]

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24EP08

3. Acircuitisdesignedtosupplyregularpulsesofchargetoa3.3kΩresistorusinganelectronicswitch S.

position 1 position 2

6.0V

S

4.7µF

3.3kΩ

Initially the capacitor is uncharged. The battery has a negligible internal resistance. Thecapacitanceofthecapacitoris4.7µF.

(a) SwitchSisatposition1.Usingtheaxes,drawagraphtoshowhowthepotentialdifferenceV across the capacitor varies with time tasitcharges.Atimescaleisnotrequired. [2]

V / V 6

5

4

3

2

1

00 t


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e only

–9–

Turn over


24EP09


(b) AsinglepulseofchargeisproducedbymovingtheswitchStoposition2for6.3ms.

(i) Showthatthepotentialdifferenceacrossthecapacitorfallsbyabout2Vduringthedurationofthepulse. [3]

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(ii) Calculatethechargethatflowsthroughthecircuitduringeachpulse. [2]

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(iii) Thebatteryhasachargecapacityof0.55Ahand thecircuitproducesonepulseeach second. Calculate the time, in years, for which the battery can operate thecircuit. [2]

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24EP10


(iv) Twobatteriesinseries,eachofemf6.0Vandhavingnegligibleinternalresistance,replace thesinglebattery. Allothercomponents in thecircuit remain thesame.Comparetheenergytransferredfromthetwobatterieswiththeenergytransferredfromthesinglebatteryduringonecharge–dischargecycle. [2]

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4. Aloudspeakeremitssoundwavesofasinglefrequencytowardsareflectingbarrier.

reflectingbarrier

loudspeaker microphone

A microphone is moved along a straight line between the loudspeaker and the barrier. Asequenceofequallyspacedmaximaandminimaofsoundwaveintensityisdetected.

(a) Explain how the maxima and minima are formed. [4]

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– 11 –

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24EP11


(b) The microphone is moved through 1.0m from one point of minimum intensity to another point of minimum intensity. It passes through seven points of maximum intensityasitmoves.Thespeedofsoundis340ms–1.

(i) Calculatethewavelengthofthesoundwaves. [2]

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(ii) Outlinehowyoucouldusethisarrangementtodeterminethespeedofsoundinair. [3]

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24EP12

5. (a) Apowerstationburnsnaturalgasatarateof35kgs–1.Thepoweroutputofthestationis750MWandtheefficiencyofthestationis38%.

(i) Calculatetheenergyprovidedbythenaturalgaseachsecond. [1]

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(ii) Calculatethespecificenergyofthenaturalgas. [3]

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(b) Outlinewhymuchoftheworld’senergyisprovidedfromfossilfuels. [2]

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– 13 –

Turn over


24EP13


(c) There is a suggestion that the temperature of the Earth may increase if the use of fossil fuels isnot reducedover thecomingyears.

(i) Explain,withreferenceto theenhancedgreenhouseeffect,whythis temperatureincreasemayoccur. [3]

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

(ii) Outlinehowscientistscontinuetoattempttoresolvetheclimatechangedebate. [1]

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

(This question continues on the following page)For

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(d) Nuclearpowerstationsareonewayinwhichenergycanbegeneratedwithouttheuseoffossilfuels.Oneexampleofanuclearfissionreactionisasshown.

235 1 148 85 192 0 57 35 0U n La Br nx+ → + +

(i) Identifythevalueofx. [1]

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

(ii) Thefollowingdataareavailable.

MassofU-235 = 235.044u Mass of n = 1.009u MassofLa-148= 148.932u MassofBr-85 =84.910u

Determine, in MeV, the energy released when one uranium nucleus undergoesnuclearfissioninthereactionin(d). [3]

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


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24EP15


(iii) Outline,withreferencetothespeedoftheneutrons,theroleofthemoderatorinanuclearreactor. [3]

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24EP16

6. In1798,CavendishinvestigatedNewton’s lawofgravitationbymeasuringthegravitationalforcebetweentwoleadspheres.

(a) StateNewton’slawofgravitation. [2]

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

(b) A student repeats the experiment with modern apparatus that has lead spheres of unequalsize.

small sphere

25 mm100 mm

largesphere

(not to scale)

Thelargespherehadaradiusof100mmandamassof47kg.Thesmallspherehadaradiusof25mmandamassof0.73kg.

(i) Estimate the gravitational force between the spheres when the spheres were in contact. [2]

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


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24EP17


(ii) The student repeats Cavendish’s experiment using lead spheres with twice theradius.Discusstheeffectonyourcalculationinpart(b)(i)ofdoublingtheradius ofbothspheres. [4]

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

(c) InCavendish’soriginalexperiment,thelargespherewaspartofanisochronouspendulum. Statewhatismeantbyisochronous. [1]

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

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24EP18

7. Amagnetissuspendedontheendofaspringandoscillatesverticallywithasmallamplitudeaboveacoil.

coil

spring

magnet

Thecoilhas240turnseachwithacross-sectionalarea2.5×10–4 m2.

The graph shows how themagnetic flux densityB through the coil varies with time t for onecompleteoscillationofthemagnet.Themagnetisatitsequilibriumpositionwhent=0.

B/10–2 T

1.14

1.12

1.10

1.08

1.06

1.04

1.02

1.00

0.98

0.96 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

t / s


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24EP19


(a) Determinethemaximumelectromotiveforce(emf)inducedinthecoil. [4]

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

(b) Thespringischangedsothatthefrequencyofoscillationofthemagnetisdoubledwithoutchangingtheamplitudeofoscillation.Usingtheaxes,sketchagraphtoshowhowtheinducedemfinthecoilvarieswithtimetwhenthefrequencyofoscillationhasdoubled.The coil is at its equilibriumpositionwhen t=0. You shouldgive suitablevalueson the y-axis. [3]

inducedemf

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 t / s


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24EP20


(c) (i) Label the diagram of themagnet and coil on page 18with arrows to show thedirectionof theconventionalcurrentas thenorthpoleof themagnetapproaches the coil. [1]

(ii) Explainyouranswerto(c)(i). [2]

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

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24EP22

8. (a) Outlinewhatismeantbygravitationalfieldstrength. [2]

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

(b) X is a point on the line that joins the centre of the Earth and the centre of the Moon. AtX,theresultantgravitationalfieldstrengthoftheEarthandtheMooniszero.

Thefollowingdataareavailable.

Mass of the Earth =6.0×1024kg Mass of the Moon =7.3 ×1022kg RadiusoftheMoon =1.7 ×106 m DistancefromthecentreoftheEarthtothesurfaceoftheMoon =3.7 ×108 m

G L X

Moon Earth

(i) Determine the ratio distance of X from centre of the Earthdistance of X from centre of the Moon

. [2]

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


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24EP23


(ii) Calculate,usingthedata,thetotalgravitationalpotentialatthesurfaceoftheMoonduetotheEarthandMoon. [3]

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

(iii) GisapointonthesurfaceoftheEarthandLisapointonthesurfaceoftheMoon.Usingtheaxes,sketchagraphtoshowhowthetotalgravitationalpotentialvarieswithdistancefromGtoL. [3]

G L

gravitationalpotential

distance

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24EP24

9. Anelectronandapositroncanbecreatedthroughpairproductionwhenaphotoninteractswithanucleus.

(a) Explainwhythereisaphotonfrequencybelowwhichanelectron–positronpaircannotbecreated. [2]

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

(b) Calculatetheminimumphotonfrequencyfortheproductionofanelectron–positronpair. [3]

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

(c) Outlinewhyanucleusmustbeinvolvedintheinteraction. [2]

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