N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
IB DIPLOMA PROGRAMME
PROGRAMME DU DIPLÔME DU BI
hð PROGRAMA DEL DIPLOMA DEL BI
88056505
PHYSICS
STANDARD LEVEL
PAPER 2
Thursday 17 November 2005 (afternoon) Candidate session number
0 0
1 hour 15 minutes
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 of Section A in the spaces provided.
" Section B: answer one question from Section B in the spaces provided.
" At the end of the examination, indicate the numbers of the questions answered in the candidate box
on your cover sheet.
8805-6505 23 pages
0123
2 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
SECTION A
Answer all the questions in the spaces provided.
A1. This question is about an electrostatics experiment to investigate how the force between two
charges varies with the distance between them.
A small charged sphere S hangs vertically from an insulating thread as shown below.
S
A second identically charged sphere P is brought close to S. S is repelled as shown below.
S
P
force F
r
The magnitude of the electrostatic force on sphere S is F. The separation between the two
spheres is r.
(This question continues on the following page)
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0223
3 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question A1 continued)
(a) On the axes below draw a sketch graph to show how, based on Coulomb s law, you would
1
[2]
expect F to vary with .
r2
F
0
1
0
r2
(This question continues on the following page)
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0323
4 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question A1 continued)
1
Values of F are determined for different values of r. The variation with of these values is
r2
shown below. The estimated uncertainties in these values are negligible.
7.0
F /×10-3 N
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0
0.0
1
/×103 m-2
r2
(b) (i) Draw the best-fit line for these data points. [2]
(ii) Use the graph to explain whether, in the experiment, there are random errors,
systematic errors or both. [3]
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(iii) Calculate the gradient of the line drawn in (b) (i). [2]
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(This question continues on the following page)
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0423
5 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question A1 continued)
(iv) The magnitude of the charge on each sphere is the same. Use your answer to (b) (iii)
to calculate this magnitude. [4]
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6 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
A2. This question is about a balloon used to carry scientific equipment.
The diagram below represents a balloon just before take-off. The balloon s basket is attached
to the ground by two fixing ropes.
balloon
basket
fixing rope fixing rope
50o 50o
ground
There is a force F vertically upwards of 2.15×103 N on the balloon. The total mass of the
balloon and its basket is 1.95×102 kg.
(a) State the magnitude of the resultant force on the balloon when it is attached to the ground. [1]
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(b) Calculate the tension in either of the fixing ropes. [3]
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(This question continues on the following page)
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0623
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(Question A2 continued)
(c) The fixing ropes are released and the balloon accelerates upwards. Calculate the magnitude
of this initial acceleration. [2]
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(d) The balloon reaches a terminal speed 10 seconds after take-off. The upward force F
remains constant. Describe how the magnitude of air friction on the balloon varies during
the first 10 seconds of its flight. [2]
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0723
8 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
A3. This question is about electric fields.
(a) Define electric field strength. [2]
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(b) An isolated metal sphere of radius 50.0 cm has a positive charge. On the diagram below
draw lines to represent the electric field outside the sphere. [2]
50.0 cm
metal sphere
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9 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
SECTION B
This section consists of three questions: B1, B2 and B3. Answer one question.
B1. This question is in two parts. Part 1 is about electrical circuits and Part 2 is about kinematics.
Part 1 Electrical circuits
Andrew is set the task of measuring the current-voltage (I-V) characteristics of a filament lamp.
The following equipment and information are available.
Information
Battery e.m.f. = 3.0 V, negligible internal resistance
Filament lamp marked 3 V, 0.2 A
Voltmeter resistance = 30 k&!, reads values between 0.0 and 3.0 V
Ammeter resistance = 0.1 &!, reads values between 0.0 and 0.5 A
Potentiometer resistance = 100 &!
(a) For the filament lamp operating at normal brightness, calculate
(i) its resistance. [1]
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(ii) its power dissipation. [1]
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(This question continues on the following page)
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0923
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(Question B1, part 1 continued)
Andrew sets up the following incorrect circuit.
V
A
(b) (i) Explain why the lamp will not light. [2]
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(ii) State the approximate reading on the voltmeter. Explain your answer. [2]
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(c) On the circuit diagram below, add circuit symbols to show the correct position of the
ammeter and of the voltmeter in order to measure the I-V characteristics of the lamp. [2]
(This question continues on the following page)
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11 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question B1, part 1 continued)
(d) On the axes below draw a sketch graph to show the I-V characteristics for this filament
lamp. [4]
I / A
0.3
0.2
0.1
0.0
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 V / V
(e) Explain the shape of the graph that you have drawn in (d). [2]
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(This question continues on the following page)
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12 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question B1 continued)
Part 2 Kinematics
(a) State the principle of conservation of energy. [1]
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(b) An aircraft accelerates from rest along a horizontal straight runway and then takes-off.
Discuss how the principle of conservation of energy applies to the energy changes that
take place while the aircraft is accelerating along the runway. [3]
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(c) The mass of the aircraft is 8.0×103 kg.
(i) The average resultant force on the aircraft while travelling along the runway is
70 kN. The speed of the aircraft just as it lifts off is 75 m s 1. Estimate the distance
travelled along the runway. [3]
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(ii) The aircraft climbs to a height of 1250 m. Calculate the potential energy gained
during the climb. [1]
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(This question continues on the following page)
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13 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question B1, part 2 continued)
When approaching its destination, the pilot puts the aircraft into a holding pattern. This means
the aircraft flies at a constant speed of 90 m s 1 in a horizontal circle of radius 500 m as shown
in the diagram below.
500 m
(d) For the aircraft in the holding pattern,
(i) calculate the magnitude of the resultant force on the aircraft. [2]
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(ii) state the direction of the resultant force. [1]
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14 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
B2. This question is in two parts. Part 1 is about the physics of cooling and Part 2 is about nuclear
binding energy and nuclear decay.
Part 1 The physics of cooling
(a) Explain what is meant by the temperature of a substance. [2]
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A thermometer is placed in a liquid contained in an open beaker. The reading of the thermometer
is recorded at regular intervals. The variation with time t of the temperature ¸ is shown below.
°
80
¸ / C
70
60
50
40
30
20
10
0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000
t / s
°
(b) The temperature of the surroundings is 20 C. On the graph continue the line to show the
variation with time of the temperature for the next 3000 s. [2]
(This question continues on the following page)
8805-6505
1423
15 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question B2, part 1 continued)
(c) By reference to the graph, state and explain the rate of loss of thermal energy from the
substance between
(i) 0 and 600 s. [2]
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(ii) 600 and 1800 s. [4]
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The mass of the liquid is 0.11 kg and the specific heat capacity of the liquid is 1300 J kg 1 K 1.
(d) (i) Use the graph to deduce that the rate of loss of thermal energy at time t = 600 s is
approximately 4 W. [3]
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(ii) Calculate the specific latent heat of fusion of the liquid. [3]
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(Question B2 continued)
Part 2 Nuclear binding energy and nuclear decay
(a) State what is meant by a nucleon. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) Define what is meant by the binding energy of a nucleus. [1]
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17 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question B2, part 2 continued)
The graph below shows the variation with nucleon (mass) number of the binding energy per
nucleon.
10
56
Fe
9
138
Ba
16
208
O
Pb
8
235
U
7
9
Be
6
6
Li
5
4
3
H
3
2
2
H
1
0
0 50 100 150 200 250
Nucleon number
(c) Use the graph to explain why energy can be released in both the fission and the fusion
processes. [3]
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Binding energy per nucleon / MeV
18 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question B2, part 2 continued)
(d) A sample of carbon-11 has an initial mass of 4.0×10 15 kg. Carbon-11 has a half-life of
approximately 20 minutes. Calculate the mass of carbon-11 remaining after one hour has
elapsed. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(e) Uranium-238, 238U, undergoes Ä…-decay to form an isotope of thorium. Write down the
92
[2]
nuclear equation for this decay.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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B3. This question is in two parts. Part 1 is about standing waves and Part 2 is about momentum.
Part 1 Standing waves
(a) State the difference between standing waves and travelling waves. [2]
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A cord is held under tension between two fixed points A and B. The distance AB is 40.0 cm.
B
A
40.0 cm
(b) (i) State the wavelength of the fundamental (first harmonic) resonant mode. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) On the diagram above, sketch the shape of the cord when it vibrates in the second
harmonic resonant mode. [1]
(iii) Explain why it is not possible to have resonant modes of frequencies between the
first and second harmonics. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2023
21 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question B3, part 1 continued)
(iv) The speed of the wave on the string is 200 m s 1. Calculate the frequency of the
second harmonic. [2]
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(v) For a given maximum amplitude the energy of a standing wave is proportional to
(frequency)2. Calculate the ratio
energy of the second harmonic
,
energy of the fundamental
assuming both harmonics have the same maximum amplitude. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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22 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question B3 continued)
Part 2 Linear momentum
(a) Define
(i) linear momentum. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(ii) impulse. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) Explain whether momentum and impulse are scalar or vector quantities. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(c) By reference to Newton s laws of motion, deduce that when two particles collide,
momentum is conserved. [5]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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23 N05/4/PHYSI/SP2/ENG/TZ0/XX
(Question B3, part 2 continued)
A rubber ball of mass 50 g is thrown towards a vertical wall. It strikes the wall at a horizontal
speed of 20 m s 1 and bounces back with a horizontal speed of 18 m s 1 as shown below.
speed before = 20 m s 1
speed after =18 m s 1
The ball is in contact with the wall for 0.080 s.
(d) (i) Calculate the change in momentum of the ball. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(ii) Calculate the average force exerted by the ball on the wall. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(iii) Suggest, in terms of Newton s laws of motion, why a steel ball of the same mass
and the same initial horizontal speed exerts a greater force on the wall. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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