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Candidate session number

m15/4/PHYSI/HP2/eng/TZ1/XX

Physics

Higher level

Paper 2

© International Baccalaureate Organization 201532 pages

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 two questions.

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 [95 marks].

2 hours 15 minutes

Friday 8 may 2015 (morning)

2215 – 6508

32EP01

– 2 –

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32EP02


– 3 –

Turn over

Section A

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

1. Thisquestionisabouttheflowofliquids.

AstudentcarriesoutanexperimenttoinvestigatehowtherateofflowRofwaterthroughanarrowtubevarieswiththepressuredifferenceacrossthetube.Thepressuredifferenceisproportionaltotheheighth shown in the diagram. The student measures h in cm with

ametreruler.Risobtainedbymeasuringthevolumeofwatercollectedinameasuringcylinderinatimeof100s.

from tap

h

narrow tube

measuring

cylinder

(a) StateasuitableunitforR. [1]

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(This question continues on the following page)

32EP03


– 4 –

(Question 1 continued)

(b) Thestudententersthedataonaspreadsheetandproducesthegraphandtrendlineshownbelow.

R / unit

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 = 1.70unitshasnotbeenshownonthegraph. Thestudentestimatestheuncertaintiesinallvaluesofh to be ±1cmandtheuncertaintiesinthevaluesofR to be ±5 %.

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

(ii) Onthegraph,drawtheerrorbarsforthisdatapoint. [2]

(iii) Commentonwhythetrendlineisnotaperfectmatchforthedata. [1]

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32EP04

M15/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX

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Turn over


(iv) Explainwhythestudent’sestimateofa5%uncertaintyinallvaluesforR is

unlikelytobecorrect. [2]

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(c) Theequationofthetrendlineshownin(b)isgivenby

R = −0.0005h2 + 0.0843h − 1.5632.

(i) CalculatethevalueofRforh = 0. [1]

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(ii) StatewhythisvalueofRisnotphysicallypossible. [1]

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(iii) Statethenumberofsignificantfiguresthatyouhaveusedforyourvaluein(c)(i). [1]

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(iv) Comment,withreferencetotheexperimentaldata,onthenumberofsignificantfiguresthatyouhaveusedforyourvaluein(c)(i). [1]

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32EP05


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(d) Thestudentestimatesthattheuncertaintyintiming100sis±1s.Usingthedataonthegraph,deducetheabsoluteuncertaintyinthevolumeofwatercollectedwhenR = 2.1units. [4]

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32EP06


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Turn over

2. Thisquestionisabouttheforcesonaskier.

Askierispulledupahillbyaropeatasteadyvelocity.Thehillmakesanangleof12˚ with

thehorizontal.Themassoftheskierandskisis73kg.Thediagrambelowshowsthreeoftheforcesactingontheskier.

normal reaction

tension in rope

frictional forces

12˚

(a) Onthediagram,drawandlabeloneotherforceactingontheskier. [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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3. This question is about a thermistor circuit.

Thecircuitshowsanegativetemperaturecoefficient(NTC)thermistorXanda100kΩfixedresistor R connected across a battery.

Thebatteryhasanelectromotiveforce(emf)of12.0Vandnegligibleinternalresistance.

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

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(b) ThegraphbelowshowsthevariationwithtemperatureToftheresistanceRXofthethermistor.

RX/kΩ

350

300

250

200

150

100

50

0−60 −50 −40 −30 −20 −10 0 10 20 30

T / C


12.0V

X R

100kΩ

32EP08

M 15 /4/PHYSI/HP2/ ENG/TZ1/XX

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(i) DeterminethetemperatureofXwhenthepotentialdifferenceacrossRis4.5V. [4]

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

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(iii) Stateandexplaintheeffectofadecreaseintemperatureontheratio

voltageacross XvoltageacrossR

. [2]

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4. Thisquestionisaboutanidealgascycle.

The P–VdiagramshowsacycleABCDAforafixedmassofanidealgas.

P / MPa

90

80

70

60

50

40

30

20

10

0

A

B

C

D

0 50 100 150 200 250V/10−6 m3

(a) Estimatethetotalworkdoneinthecycle. [3]

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(b) The change ABisisothermalandoccursatatemperatureof420K.Calculatethenumberofmolesofgas. [3]

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(c) Identifyandexplainthechange,ifany,intheentropyofthegaswhenithascompletedonecycle. [2]

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5. Thisquestionisaboutacharge-coupleddevice(CCD).

An8megapixeldigitalcamerahasasquareCCDwithasideoflength27mm.Twoobjectsseparatedby5.0cmproduceimages8.0 × 10−4mapartontheCCDsensor.

(a) Calculatethemagnificationofthecamera. [1]

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(b) EstimatethelengthofapixelontheCCD. [2]

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(c) Determinewhetherornotthetwoimageswillberesolved. [1]

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(d) (i) Definequantum efficiency of a pixel. [1]

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(ii) ExplaintheeffectofusingaCCDwithpixelsofhigherquantumefficiencyin the camera. [2]

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Section B

Thissectionconsistsoffourquestions:6,7,8and9.Answertwo questions. Write your answers in the

boxes provided.

6. This question is about energy sources.

AsmallislandissituatedintheArctic.Theislandersrequireanelectricitysupplybuthavenofossilfuelsontheisland.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) Explainwhylessenergycanactuallybegeneratedbythewindgeneratorsthanthevalueyoudeducedin(b)(i). [2]

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(c) Theenergyflowdiagram(Sankeydiagram)belowisforanoil-firedpowerstationthattheislandersmightuse.

chemicalenergy in

oil

energylosttotheenvironment

energy used in

the power station

energylostintransmission

energy

suppliedto

islanders

(i) Determinetheefficiencyofthepowerstation. [2]

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(ii) Explainwhyenergyiswastedinthepowerstation. [1]

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32EP14


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Turn over


(iii) TheSankeydiagramin(c)indicatesthatsomeenergyislostintransmission. Explainhowthislossoccurs. [1]

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(d) Theemissionsfromtheoil-firedpowerstationin(c)arelikelytoincreaseglobalwarmingbytheenhancedgreenhouseeffect.

(i) Statewhatismeantbytheenhancedgreenhouseeffect. [2]

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(ii) Outlinethemechanismbywhichgreenhousegasescontributetoglobalwarming. [3]

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(e) Anynuclearfuelavailabletotheislandersmustbeenrichedbeforeitcanbeused.Outlinewhyfuelenrichmentisneeded. [2]

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(f) Thenuclearequationbelowshowsoneofthepossiblefissionreactionsinanuclearreactor.

+ + +→1 ... 92 141 1

0 92 ... 56 0n U Kr Ba ... n

Identifythemissingnumbersintheequation. [3]

(g) Anuclearreactorrequiresbothcontrolrodsandamoderatortooperate.Outline,withreferencetoneutrons,onesimilarityandtwodifferencesinthefunctionofeachofthese components. [3]

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Turn over

7. This question is in two parts. Part 1 isaboutthermalpropertiesofmatter.Part 2 is about

quantum physics.

Part 1 Thermalpropertiesofmatter

(a) Explain,intermsoftheenergyofitsmolecules,whythetemperatureofapuresubstancedoesnotchangeduringmelting. [3]

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(b) Threeicecubesatatemperatureof0Caredroppedintoacontainerofwateratatemperatureof22C.Themassofeachicecubeis25gandthemassofthewateris330g.Theicemelts,sothatthetemperatureofthewaterdecreases.Thethermalcapacityofthecontainerisnegligible.

(i) Definethermal capacity. [1]

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(ii) StatetheSIunitofthermalcapacity. [1]

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(Question 7, part 1 continued)

(iii) Thefollowingdataareavailable.

Specificlatentheatoffusionofice = 3.3 × 105Jkg–1

Specificheatcapacityofwater = 4.2 × 103Jkg–1K–1

Calculatethefinaltemperatureofthewaterwhenalloftheicehasmelted.Assumethatnothermalenergyisexchangedbetweenthewaterand the surroundings. [4]

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(iv) Explainhowthefirstlawofthermodynamicsappliestothewaterwhentheicecubes are dropped into it. [4]

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Turn over


Part 2 Quantum physics

Thediagramshowstheendofanelectrondiffractiontube.

diffractionpattern

thin graphite screen

electrongun

Apatternformswhendiffractedelectronsareincidentonafluorescentlayerattheendof the tube.

(c) Explainhowthepatterndemonstratesthatelectronshavewaveproperties. [3]

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centralbrightspot

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(d) Electronsareacceleratedtoaspeedof3.6 × 107 m s−1bytheelectricfieldbetweenthe

cathode and the anode.

(i) CalculatethedeBrogliewavelengthoftheelectrons. [2]

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(ii) Thecathodeandanodeare22mmapartandthefieldisuniform. Thepotentialdifferencebetweenthecathodeandtheanodeis3.7kV. Showthattheaccelerationoftheelectronsisapproximately3 × 1016 m s

−2. [3]

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(e) Statewhatcanbededucedaboutanelectronfromtheamplitudeofitsassociatedwavefunction. [2]

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Turn over


(f) Anelectronreachingthecentralbrightspotonthefluorescentscreenhasasmalluncertaintyinitsposition.OutlinewhattheHeisenberguncertaintyprincipleisabletopredictaboutanotherpropertyofthiselectron. [2]

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8. This question is in two parts. Part 1isabouttheelectricalandmagneticcharacteristicsofaloudspeaker.Part 2 is about vibrations and waves.

Part 1 Electricalandmagneticcharacteristicsofaloudspeaker

ThediagramshowsthemainfeaturesofaloudspeakerL.Acurrent-carryingcoilispositionedwithinthemagneticfieldprovidedbyapermanentmagnet.Thediagramalsoshowsthedirectionsofthemagneticfieldandofthecurrentinthecoilataparticularinstant.ThedustcapDpreventsdustfromblockingthegapbetweenthecardboardtubeandthesouthpoleofthemagnet.

S

N

N

cone

D

coil wound around

cardboard tube

current leaving the

coil out of plane of page

current entering the coil

into plane of page

coil

permanent magnet

coil wound around

cardboard tube


32EP22


– 23 –

Turn over


Thecoilconsistsof150turns,eachofaveragediameter2.5cm.Themagneticfieldofthepermanentmagnethasstrength0.40mT.Thepeakcurrentinthecoilis0.45mA.

(a) Identify,on the diagram,thedirectionoftheforceonthecoilwiththecurrentdirectionsshown. [2]

(b) Calculatethemaximummagneticforceactingonthecoil. [3]

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(c) Assumingthatthecurrentissinusoidal,calculatetherootmeansquared(rms)ofthecurrentinthecoil. [1]

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(d) Explain,withreferencetoelectromagneticinduction,theeffectofthemotionofthecoilon the current. [3]

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32EP23


– 24 –


Part 2 Vibrationsandwaves

TheconeanddustcapDofaloudspeakerLvibrateswithafrequencyof1.25kHzwithsimpleharmonicmotion(SHM).

cone

D

L

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

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

(i) CalculatethemaximumaccelerationofD. [2]

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(ii) DeterminethetotalenergyofD. [2]

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(g) Thesoundwavesfromtheloudspeakertravelinairwithspeed330ms−1.

(i) Calculatethewavelengthofthesoundwaves. [1]

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(ii) Describethecharacteristicsofsoundwavesinair. [3]

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(h) AsecondloudspeakerSemitsthesamefrequencyasLbutvibratesoutofphase withL.ThegraphbelowshowsthevariationwithtimetofthedisplacementxofthewavesemittedbySandL.

0.0 0.5

0.00

–0.50

–1.00

–1.50

–2.00

2.00

1.50

1.00

0.50L

S

1.0

t / m s

x / mm

(i) DeducetherelationshipbetweenthephaseofLandthephaseofS. [3]

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(ii) Onthegraph,sketchthevariationwithtofxforthewaveformedbythesuperpositionofthetwowaves. [3]

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9. This question is in two parts. Part 1isaboutkinematicsandgravitation.Part 2 is about

radioactivity.

Part 1 Kinematicsandgravitation

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]

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(b) Usethegraphto

(i) estimatethevelocityoftheballatt = 0.80s. [3]

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(ii) calculateavaluefortheaccelerationoffreefallclosetothesurfaceoftheMoon. [3]

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(c) Thefollowingdataareavailable.

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

ShowthatEarthhasnosignificanteffectontheaccelerationoftheball. [4]

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

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(e) Sketch,onthegraph,thevariationwithtimetofthedisplacementsfromthepointofreleaseoftheballwhentheballisdroppedclosetothesurfaceofEarth.(ForthissketchtakethedirectiontowardstheEarthasbeingnegative.)

[3]


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Part 2 Radioactivity

Radium-224 ( )224

88Ra isaradioactivenuclidethatdecaystoformradon-220.Radon-220isitselfradioactiveandundergoesafurtherdecay.Thetableshowstheseriesofradioactivenuclidesthatareformedasthedecaysproceed.Theseriesendswithastableisotope oflead.

Parent nuclide Emitter Half-life Daughter

nuclide(s)

radium-224 alpha 3.64days radon-220(Rn)

radon-220 alpha 55 seconds polonium-216(Po)

polonium-216 alpha 0.15seconds lead-212(Pb)

lead-212 beta 10.6hours bismuth-212(Bi)

bismuth-212 beta

alpha60.6minutes polonium-212

thallium(Tl)

polonium-212 alpha 3.0×10−7 seconds lead-208(stable)

thallium beta 3.1minutes lead-208(stable)

(f) Forthefinalthalliumnuclide,identifythe

(i) nucleonnumber. [1]

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(ii) proton number. [1]

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(g) Radon-220isaradioactivegas.Itisreleasedbyrockssuchasgranite.Insomepartsoftheworld,housesarebuiltfrommaterialscontaininggranite.Explainwhyitisunlikelythatradon-220willbuildupinsufficientquantitytobeharmfulinthesehouses. [2]

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(h) (i) Calculate,inhour−1,thedecayconstantoflead-212. [1]

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(ii) Inapuresampleoflead-212atoneinstant,8.0 × 10−3kgofthelead-212ispresent.Calculatethemassoflead-212thatremainsafteraperiodof35hours. [3]

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– 32 –


(iii) Asampleofpureradiumbeginstodecaybytheseriesshowninthetable. Atoneinstant,amassof8.0 × 10−3kgoflead-212ispresentinthesample.Suggestwhy,after35hours,therewillbeagreatermassoflead-212presentinthesamplethanthevalueyoucalculatedin(h)(ii). [2]

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