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Physics
Advanced
Unit 4: Physics on the Move
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Advice
• Read each question carefully before you start to answer it.
• Try to answer every question.
• Check your answers if you have time at the end. Turn over
*P50795A0124*
P50795A
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1/1/1/1/1/
www.dynamicpapers.com
SECTION A
2 A linac is a particle accelerator. It consists of drift tubes with potential differences (p.d.)
B
250
C
1570
D
94 200
2
*P50795A0224*
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4 The de Broglie wavelength associated with electrons used to study crystal structure
is 2.8 × 10–10 m.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
5 A square coil of side length l has N turns. Its plane is parallel to a magnetic field of
magnetic flux density B.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
3
*P50795A0324* Turn over
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7 A particle Y has kinetic energy E and momentum p. A second particle Z of the same
mass as Y has momentum 2p.
8 A resultant force of 10 N acts on a particle of mass 0.2 kg for 30 s. The particle is initially at rest.
Which of the following expressions gives the velocity in m s–1 of this particle after 30 s?
10 × 0.2
A
30
D
0.2 × 30 × 10
9 Which of the following is the name of the process by which electrons are released from a
heated filament?
A
ionisation
B
photoelectric effect
C
relativistic effect
D
thermionic emission
4
*P50795A0424*
www.dynamicpapers.com
10 A car, mass m, drives over a circular humpback bridge of radius r with a constant speed v.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
When it is at the top of the bridge, the magnitude of the force exerted on the car by the
bridge is given by
A
mg
mv 2
B + mg
r
mv 2
C – mg
r
DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
mv 2
D
mg –
r
(Total for Question 10 = 1 mark)
5
*P50795A0524* Turn over
www.dynamicpapers.com
SECTION B
lift force
weight
The pilot banks the plane and the lift force L is now inclined at an angle θ to the vertical.
weight
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6
*P50795A0624*
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v2
tan θ =
rg
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Radius = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
*P50795A0724* Turn over
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12 A lambda (Λ) particle is a baryon.
(a) State the structure of a baryon.
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Λ0 →
*(ii) Explain how the laws of conservation of momentum and energy apply to this
decay process.
Assume the Λ particle is stationary.
(4)
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8
*P50795A0824*
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The diagram represents the path of a proton through a magnetic field starting at point A.
A
DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Add to the diagram the path of an anti‑helium 4 nucleus also starting at point A and
initially travelling with the same velocity as the proton.
Explain any differences between the paths.
(4)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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9
*P50795A0924* Turn over
www.dynamicpapers.com
13 A student carries out an experiment to charge a capacitor through a resistor. She intends
to measure the current during this process.
(ii) Sketch a graph to indicate how the current will vary with time from when the
capacitor starts to charge.
(2)
Time
10
*P50795A01024*
www.dynamicpapers.com
(b) Once the capacitor is fully charged, the student discharges it through a 1.0 kΩ resistor.
She measures the potential difference V across the capacitor during this process.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
4
V/ V
3
0
DO NOT WRITE IN THIS AREA
0 1 2 3 4 5 6 7 8
DO NOT WRITE IN THIS AREA
t/s
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*P50795A01124* Turn over
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(c) Calculate the maximum energy stored on the capacitor.
(2)
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Maximum energy = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(d) Another way of calculating the capacitance would be to use the results to plot a
straight line graph.
Explain the graph you would plot to produce a straight line and how you would use it
to calculate the capacitance of the capacitor.
(4)
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14 The continuous electron beam accelerator facility (CEBAF) produces very high energy
electrons for particle experiments at the Jefferson Laboratory in the USA.
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(a) By the time the CEBAF has accelerated the electrons they act as if they have a mass
of about 8000 times their normal (rest) mass.
Calculate the potential difference through which the electrons must be accelerated
from rest to reach a mass 8000 times their rest mass.
(3)
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Potential difference = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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*P50795A01324* Turn over
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15 A magnet is released so that it falls through a coil. The coil is connected to a data logger
which records potential difference (p.d.).
data logger
(a) Explain why the p.d. increases as the magnet approaches the coil.
(3)
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(b) Sketch a graph to show the variation of the p.d. with time from the moment the
magnet is released until it has fallen through the coil.
(4)
p.d.
Time
14
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16 Experiments, supervised by Rutherford one hundred years ago, involved firing alpha particles
at thin gold foil.
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(a) The observations from these experiments are summarised in the table.
Complete the table with corresponding conclusions from these observations.
(3)
Observation Conclusion
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Force = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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17 A student places two coins, A and B, of the same mass on a flat surface. He pushes
coin A towards coin B and observes what happens when they collide.
He repeats this several times, recording the collisions on his phone.
*(a) He analyses the recordings and notices that if coin A collides head‑on with coin B,
then after the collision coin A stops and coin B moves off in the same direction.
Assuming external forces are negligible, discuss whether the collision is elastic.
(3)
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16
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(b) If coin A collides with coin B at an angle, both coins move off in different directions
after the collision, as shown in the diagram.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
40° 2.2 cm s–1
B
A
55°
A
before after
(i) Show that the velocity of coin A immediately after the collision is about 3 cm s–1.
(3)
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(ii) Determine the initial velocity of coin A just before the collision.
(3)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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Initial velocity = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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18 A teacher is demonstrating the properties of an electron beam using an electron
deflection tube.
18
*P50795A01824*
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(b) The electron beam undergoes a vertical deflection of 2.0 cm, after travelling a
horizontal distance of 8.0 cm.
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Calculate the velocity with which the electrons entered the electric field.
(5)
p.d. across plates = 1.50 kV
distance between plates = 5.0 cm
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Velocity = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(c) In another demonstration, a magnetic field of flux density B is applied to the grid. This
time the electrons enter the fields with a velocity of 2.4 × 107 m s–1. The p.d. across the
plates is changed so that the electric field is in the same direction as before, but so its
strength is now 25 000 N C–1.
B is varied until the electron beam shows no overall deflection.
(i) Deduce the direction of the magnetic field.
(1)
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B = .......................................................
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*P50795A01924*
Write your name here
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International
Advanced Level
Physics
Advanced
Unit 4: Physics on the Move
Instructions
• Use black ink or ball-point pen.
• centre
Fill in the boxes at the top of this page with your name,
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 80.
• 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.
• The list of data, formulae and relationships is printed at the end of this booklet.
• Candidates may use a scientific calculator.
Advice
• Keep
Read each question carefully before you start to answer it.
• Try toananswer
eye on the time.
• Check your answers
every question.
• if you have time at the end.
Turn over
P46653A
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*P46653A0132*
1/1/1/1/1/
SECTION A
1 The diagram shows the tracks from an event at point P in a bubble chamber. There is a
uniform magnetic field directed into the page.
Which of the following is the reason why the tracks shown cannot represent the
production of a proton-antiproton pair with equal kinetic energies?
A
The curvature is perpendicular to the magnetic field.
2 The table compares the mass and charge of an electron with the mass and charge of a
positron.
Select the line in the table that is correct.
C unequal same
D unequal opposite
2
*P46653A0232*
3 Which of the following is a correct statement about uniform electric fields?
A
The field strength is the same at all points.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
B
The field strength is the same in all directions.
C
The field produces no force on a stationary charged particle.
D
The force on a charged particle is perpendicular to the field.
D
thermionic emission
5 The diagram shows two horizontal parallel plates separated by a distance d. There is
a potential difference V across the plates. An oil drop with charge Q is held stationary
between the plates.
0
d Q
dg
DO NOT WRITE IN THIS AREA
A
VQ
VQ
B
dg
V
C
Qdg
Qdg
D
V
(Total for Question 5 = 1 mark)
3
*P46653A0332* Turn over
6 Which of the following is an equivalent unit to the tesla?
A
NAm
7 A magnetic field of flux density 4.0 × 10–3 T passes through a coil of wire, at an angle of
55° to the plane of the coil. The coil has an area of 2.5 × 10–3 m2.
Calculate the magnetic flux through the coil.
55°
8 A proton accelerates in an electric field and gains kinetic energy, giving it a change in
momentum ∆p. An alpha particle accelerates in the same electric field and gains the
DO NOT WRITE IN THIS AREA
4
*P46653A0432*
9 A 4.0 μF capacitor discharges through a 560 kΩ resistor.
What is the time constant of the circuit?
DO NOT WRITE IN THIS AREA
2.2 × 10–3 s
A
4.5 × 10–1 s
B
2.2 × 100 s
C
4.5 × 102 s
D
10 A proton enters a magnetic field. It has a velocity v perpendicular to the field. The
diagram shows the path taken by the proton.
magnetic field
into plane of paper
A
DO NOT WRITE IN THIS AREA
B
C
v D
An alpha particle enters the magnetic field at the same point as the proton, also with
velocity v.
At which point, A, B, C or D, is the alpha particle most likely to leave the magnetic
field?
A
B
DO NOT WRITE IN THIS AREA
C
D
5
*P46653A0532* Turn over
SECTION B
11 The International Space Station (ISS) completes 16 orbits of the Earth every 24 hours.
The ISS is 330 km above the surface of the Earth.
(a) Show that the angular velocity of the ISS around the Earth is about 1 × 10–3 rad s–1.
(2)
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7
*P46653A0732* Turn over
12 There are two families of hadrons called mesons and baryons.
(a) State the structure of a meson.
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Quark Charge / e
up +2/3
down –1/3
Use the information in the table to state the quark composition of an antiproton and
an antineutron.
(2)
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Antineutron ............................................................. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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8
*P46653A0832*
(c) A proton has kinetic energy of 158 MeV. It annihilates with a stationary antiproton
and two photons of equal energy are created.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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9
*P46653A0932* Turn over
13 In the game of air hockey, small identical discs move across a frictionless surface.
One disc moving with a velocity of 6.9 m s–1 collides with a stationary disc. After the
30°
after
collision
60°
v
(a) Calculate the velocity v.
(3)
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10
*P46653A01032*
14 A student is investigating the laws of electromagnetic induction. She drops a bar magnet
through the centre of a coil of wire as shown.
data logger
coil
0
time / s
12
*P46653A01232*
*(a) Explain the shape of the graph.
(5)
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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(b) A data logger was used in this experiment rather than a voltmeter.
Describe experimental conditions that make a data logger most suitable for collecting
data.
(2)
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13
*P46653A01332* Turn over
15 The photograph shows part of the cycling track used in the London 2012 Olympic
Games. On the bend the track is banked so that the outside of the track is higher than the
inside of the track.
(a) Explain why there must be a resultant force acting on the cyclist.
(2)
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14
*P46653A01432*
(c) An inflatable airbag helmet for cyclists has been designed to prevent head injuries.
It is worn like a scarf around the neck. In-built sensors detect when the cyclist is
involved in a crash and inflate the airbag over the cyclist’s head in 0.1 s.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
The graph shows how the force on a cyclist’s head during a collision varies with time
when an airbag is not used.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
force
time
Add to the axes, the graph that shows how the force on a cyclist’s head during a
collision varies with time when the airbag is used.
Justify the shape of your graph.
(3)
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15
*P46653A01532* Turn over
16 A high‑energy gamma photon enters a bubble chamber and produces an electron‑positron
pair.
A B
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16
*P46653A01632*
*(c) Explain the shape of the electron-positron tracks.
(5)
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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17
*P46653A01732* Turn over
17 A student is investigating capacitance. She sets up the circuit shown.
6.0 V
(a) When the switch is closed there is a maximum current, which decreases to zero over
a period of time as the capacitor charges. Explain why.
(3)
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(b) The student discharged the capacitor. She set the variable resistor to its maximum
resistance and closed the switch. As the capacitor charged, the student decreased
the resistance of the variable resistor so that the current remained constant until the
capacitor was fully charged.
A graph of current against time is shown.
3.0 –
DO NOT WRITE IN THIS AREA
2.5 –
2.0 –
current / mA 1.5 –
1.0 –
0.5 –
0–
–
0 50 100 150
time / s
18
*P46653A01832*
(i) Determine the capacitance of the capacitor.
(3)
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Capacitance = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) Hence determine the energy stored by the capacitor when it is fully charged.
(2)
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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Energy stored = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DO NOT WRITE IN THIS AREA
19
*P46653A01932* Turn over
(c) Capacitance can also be determined by measuring the current I at regular time
intervals, as a capacitor discharges through a resistor, and plotting a graph of ln I
against time.
time
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20
*P46653A02032*
(ii) A capacitor was discharged through a 390 Ω resistor. The capacitance of the
capacitor was calculated as 2200 µF.
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Explain why the data for the graph for this circuit would be difficult to obtain
using an ammeter. Your answer should include a calculation.
(3)
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21
*P46653A02132* Turn over
18 In a large-angle alpha particle scattering experiment, alpha particles were directed at thin
gold foil and their paths observed. Most of the alpha particles passed straight through
the foil or were deflected through a small angle. A very small number were deflected
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22
*P46653A02232*
(ii) The initial kinetic energy of the alpha particle is 6.0 MeV.
Calculate the change in momentum of the alpha particle, in N s, as it travels to its
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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Change in momentum = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N s
23
*P46653A02332* Turn over
19 The diagrams show two particle accelerators, the cyclotron and the linac.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
source of
protons a.c. supply
electron electron path
a.c.
supply
electron
source
(a) Describe two similarities and two differences in how the accelerators operate.
(4)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
(b) (i) Electrons in an electron beam are moving at a speed of 8.2 × 106 ms–1.
Show that the de Broglie wavelength associated with these electrons is
about 9 × 10–11 m.
(2)
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25
*P46653A02532* Turn over
(ii) In the 1950s physicist Robert Hofstadter used electron diffraction to estimate the
diameter of the proton. He obtained a value of 5.6 × 10–25 m.
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10 –
8–
(speed)2 /
1016 m2 s–2
7–
6–
5–
–
–
DO NOT WRITE IN THIS AREA
0 2 4 6 8
kinetic energy / 10–13 J
(i) Explain why the graph levels out at a value close to 9 × 1016 m2 s–2.
(2)
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26
*P46653A02632*
(ii) The non-relativistic equation for kinetic energy, Ek = ½ mv 2, does not apply for
high-energy electrons. Explain how the graph shows this.
(2)
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*P46653A02732*
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A
nearby stars.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
B
distant stars.
C
nearby galaxies.
D
distant galaxies.
5 A suspension bridge is being driven into oscillation as cars move across it. The energy of
oscillation of the bridge doubles.
The amplitude of oscillation increases by a factor of
1
A
2
1
B
2
DO NOT WRITE IN THIS AREA
C 2
D
2
3
*P46654A0328* Turn over
7 Deuterium is an isotope of hydrogen. A nucleus of deuterium has a mass md.
It contains one proton of mass mp and one neutron of mass mn.
8 When two protons are placed a small distance apart, electric and gravitational forces act
on each proton.
Which statement about this situation is not correct?
A
The forces act along the line joining the centres of the two protons.
9 The properties of a young group of stars are compared with those of an old group of
stars. Both groups contain a similar number of stars.
In the young group there will be more
A
high mass main sequence stars.
B
low mass main sequence stars.
C
red giant stars.
D
white dwarf stars.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
4
*P46654A0428*
10 A Hertzsprung-Russell diagram is shown below.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
P
10,000
R
100
Luminosity/L
1 Q
0.01
0.0001
T/K
DO NOT WRITE IN THIS AREA
5
*P46654A0528* Turn over
SECTION B
Answer ALL questions in the spaces provided.
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(b) When measured, the temperature of the water leaving the shower was not as calculated.
Explain why.
(2)
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6
*P46654A0628*
12 Tides are caused by the gravitational forces exerted by the Sun and the Moon on the
water in the Earth’s oceans. The diagram below (not to scale) shows the distances from
the Earth to the Sun and from the Earth to the Moon.
1.5 × 1011 m
(a) Show that the gravitational force of the Sun on the Earth is about 200 times greater
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
8
*P46654A0828*
(b) The tides depend on the difference in the gravitational field strength produced by the
Sun and the Moon on opposite sides of the Earth.
GM
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Sun
Earth
D
x
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(i) State two expressions for the gravitational field strength at opposite sides of the
Earth, due to the Sun.
(1)
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(ii) Use these expressions to explain why the Sun has a relatively small effect on the
tides.
(2)
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9
*P46654A0928* Turn over
13 Observations of supernovae were made in the 1990s by the Hubble Space Telescope.
Measurements taken from these observations gave a value for the Hubble constant of
2.365 × 10−18 s−1.
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(b) The universe is believed to consist of dark energy, dark matter and ordinary matter.
4.5% 4.9%
22.7% 26.8%
72.8% 68.3%
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10
*P46654A01028*
(ii) Suggest how data from the Planck satellite, concerning dark matter, might change
our ideas on the future of the universe.
(2)
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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11
*P46654A01128* Turn over
14 Some sensitive scientific equipment is being transported by road. To protect the
equipment, it is placed in a box which is mounted on springs. There are four springs, one
at each corner of the box. Each spring has a force constant of 450 N m−1.
(a) Calculate the natural frequency of oscillation of the box when it is carrying the equipment.
(3)
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Natural frequency = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) State what is meant by simple harmonic motion and why the oscillation of the box is
an example of this.
(3)
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12
*P46654A01228*
15 Party balloons are often filled with helium so that they float in the air. The helium is
supplied from a small, metal canister containing helium gas under pressure.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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(b) At a temperature of 293 K the pressure in the canister when full of helium is 2.3 × 106 Pa.
Calculate the volume of the canister.
(2)
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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Volume = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(c) The pressure in the canister decreases as helium is used to fill the balloons. Explain
why this is the case, including ideas of momentum in your answer.
(3)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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13
*P46654A01328* Turn over
16 The Hertzsprung-Russell diagram is a plot of luminosity against temperature for a range
of stars.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
106
104
Luminosity/Lsun
102
10–2
10–4
6000
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Temperature/K
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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15
*P46654A01528* Turn over
17 A drum is played by striking a circular membrane with a drumstick. The resulting
vibration of the membrane may produce resonance.
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(ii) Suggest why a larger diameter membrane would produce a lower frequency note
when the drum is struck.
(1)
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16
*P46654A01628*
(b) The sound produced when the drum is struck may persist for too long and so
damping is used. Some drummers attach strips of a gel to the drum membrane. The
gel is able to deform plastically and hence shorten the time that the drum sounds.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
gel strip
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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(ii) Explain how a gel that can deform plastically is able to produce damping.
(3)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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17
*P46654A01728* Turn over
18 At the top of the Earth’s atmosphere the measured radiation flux of the Sun is 1.36 kW m−2.
(a) (i) Show that the luminosity of the Sun is about 4 × 1026 W.
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(ii) The luminosity of a star depends on its surface area and temperature.
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18
*P46654A01828*
(b) B030D is a supergiant star in the Andromeda galaxy. Through a telescope this star is
observed to be a yellow star.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(i) When the spectrum of light from B030D is analysed a line, identified as the
hydrogen α line, occurs at a wavelength 654.58 nm. The wavelength of this line
in the laboratory is 656.29 nm.
State what conclusion can be made about B030D from this data. Your answer
should include a calculation.
(3)
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(ii) A student states that blue stars are cooler than yellow stars. Use Wien’s law to
comment on the accuracy of this statement.
(2)
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19
*P46654A01928* Turn over
19 Carbon-12 is the stable isotope of carbon; most carbon exists in this form.
Carbon-14 is formed in the upper atmosphere. Carbon-14 is radioactive and decays
n + 7N → 6C +
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............. .............
X
X is . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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20
*P46654A02028*
(b) Carbon is taken in by living organisms throughout their lives. Whilst an organism is
alive, the ratio of carbon-14 to carbon-12 in the organism stays the same.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
From the time that the organism dies, the ratio of carbon-14 to carbon-12 decreases.
Hence certain ancient objects can be dated using the decay of carbon-14.
An activity-time graph for carbon-14 is shown.
250 –
200 –
Activity/Bq
150 –
100 –
DO NOT WRITE IN THIS AREA
50 –
0–
–
–
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 40000 45000 50 000
Time elapsed/years
Use the graph to show that the half-life of carbon-14 is about 6000 years.
(2)
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21
*P46654A02128* Turn over
(c) A scientist is trying to determine the age of an ancient wooden object. A sample
prepared from this object gives a corrected count rate of 10.9 Bq. The corrected
count rate of a sample obtained from living wood is 29.6 Bq. The two samples have
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(ii) State one procedure that would increase the accuracy obtained for the count rates
of these samples.
(1)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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22
*P46654A02228*
(d) A news report claims that a dinosaur skull has been found, and suggests that the skull
is 68 million years old.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Explain why carbon-14 dating could not have been used to determine the age of this
skull.
(2)
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Particles in the nucleus are held together by a force scientists call nuclear binding
energy. It is possible to overcome the binding energy in some large atoms, such as
uranium atoms, causing the atoms to undergo fission.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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23
*P46654A02328*
SECTION A
A A s Ví
B A síVí
C Aí síV
D Aí s V
E E E E
0 0 0 0
r r r r
A B C D
A
B
C DO NOT WRITE IN THIS AREA
2
*P46954A0228*
3 The diagram shows a coin on a horizontal surface which is rotating at a constant angular
YHORFLW\Ȧ
Which arrow correctly shows the direction of the frictional force on the coin?
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Ȧ
B
A
C
D
A
B
DO NOT WRITE IN THIS AREA
C
D
4 Two charges +Q and –Q are located as shown on the diagram. × is the point halfway
between the two charges.
+Q íQ
×
A small positive charge moves from +Q to –Q.
Which statement about the resultant force on this charge, as it passes through ×, is
correct?
A The magnitude of the resultant force is a maximum.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
3
*P46954A0328* Turn over
5 7ZRSDUDOOHOSODWHVKDYHDSRWHQWLDOGLIIHUHQFHRI9DFURVVWKHPDQGDUHVHSDUDWHGE\D
GLVWDQFHRIîí m.
6 The Large Hadron Collider is designed to accelerate protons to very high energies for
particle physics experiments. Very high energies are required to
A annihilate hadrons.
B collide hadrons.
C create particles with large mass.
7 $QHOHFWURQKDVDPRPHQWXPRI×í kg m sí.
The kinetic energy of the electron is
A îí J
B îí J
C îí J
D î6 J
4
*P46954A0428*
8 A particle of mass m and charge Q moves in a circle, perpendicular to a magnetic field of
magnetic flux density B.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
The graph shows the relationship between the radius of the orbit r and velocity v of the
particle.
r
0
v
BQ
B
m
C
BQm
D BQm
5
*P46954A0528* Turn over
Questions 9 and 10 refer to the diagram which shows tracks from a particle detector.
Y
O
6
*P46954A0628*
SECTION B
11 %HWZHHQDQG5XWKHUIRUG¶VDOSKDSDUWLFOHVFDWWHULQJH[SHULPHQWSURYLGHG
evidence for the nuclear model of the atom. Alpha particles were fired at a thin gold foil
and their paths observed.
(a) Describe the observations from the alpha particle scattering experiment.
(3)
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E $QDOSKDSDUWLFOHDSSURDFKHVDJROGQXFOHXV,WUHDFKHVDGLVWDQFHRIî í m
from the gold nucleus. Calculate the force between the alpha particle and the gold
nucleus.
SURWRQQXPEHUIRUJROG
(3)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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Force = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
*P46954A0728* Turn over
12 Regenerative braking is used in electric cars. When the driver applies the brakes the
motor acts as an electric generator, making use of the rotation of the wheels as they slow
down. This enables the battery to be charged whilst the car is braking.
coil
magnet magnet
N S
to battery
circuit
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(b) State why the current produced in the coil cannot be used directly to charge a battery.
(1)
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8
*P46954A0828*
(c) When regenerative braking is being used, explain how the magnitude of the generated
e.m.f. changes as the driver brakes steadily.
(3)
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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9
*P46954A0928* Turn over
13 Some lights are designed to dim gradually after being switched off. This can be done
using a capacitor in a timer circuit.
9
ȝ)
A
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Energy = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
*P46954A01028*
(b) The switch is moved to position B and the capacitor discharges through the resistor.
(i) Describe what happens to the current through the resistor.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(2)
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LL )RUWKHFLUFXLWVKRZQWKHSGDFURVVWKHFDSDFLWRUIDOOVWRRIWKHVXSSO\SG
DIWHUV
Calculate the resistance of the resistor in the circuit.
(3)
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Resistance = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
*P46954A01128* Turn over
14 A mass spectrometer is a device used to identify atoms by measuring the mass-charge
m
ratio of their ions.
Q
evacuated
tube
electromagnet
ions
detector
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12
*P46954A01228*
*(b) The electromagnet shown in the diagram provides a magnetic field which is used to
deflect the ion along the tube of the spectrometer.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Explain how a magnetic field can be used to deflect the ion into a circular path.
(3)
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r = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
*P46954A01328* Turn over
15 In a bowling game, a player rolls a small ball along the ground. The diagram shows the
action of the player as he starts to swing his arm forward at A, to the point when the ball
is rolling along the ground at C.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
A B C
(a) (i) State how the motion of the ball at C differs from that at B.
(2)
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LL 7KHSOD\HUDSSOLHVDIRUZDUGIRUFHIRUVDQGWKHEDOOOHDYHVWKHSOD\HU¶VKDQG
at a speed of 3.0 m sí.
Calculate the average forward force that the player applies to the ball.
mass of ball, m NJ
(2)
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15
*P46954A01528* Turn over
E 7KHEDOOUROOVDORQJWKHJURXQGXQWLOLWFROOLGHVZLWKDVWDWLRQDU\EDOORIPDVVNJ
After the collision both balls roll off at an angle to the original direction of the moving
ball as shown in the diagrams.
After:
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16
*P46954A01628*
(ii) By means of a suitable calculation, show that the collision is inelastic.
(2)
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17
*P46954A01728* Turn over
16 7KH,QWHUQDWLRQDO6SDFH6WDWLRQ,66LVLQRUELWDWDKHLJKWRINPDERYHWKH(DUWK¶V
VXUIDFH7KH,66FRPSOHWHVRUELWVLQKRXUV
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(c) Calculate the magnitude of the centripetal force acting on the ISS.
PDVVRI,66 î5 kg
UDGLXVRI(DUWK NP
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(2)
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Force = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
*P46954A01828*
17 A student set up an experiment to determine the magnetic flux density between two
magnadur magnets. A magnadur magnet has its north and south poles on opposite large
rectangular faces. The two magnets were attached to a yoke, with opposite poles facing,
DO NOT WRITE IN THIS AREA
magnet magnet
S
yoke
The student zeroed the balance and then placed the magnets and yoke on it. The reading
LQFUHDVHGWRJ
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A conducting rod connected to a d.c. power supply was held stationary between the
magnets as shown. An ammeter was used to measure the current through the conducting
rod.
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19
*P46954A01928* Turn over
The circuit diagram shows the arrangement when viewed from above.
d.c.
I A
magnadur
magnets
conducting
rod
magnetic field
The power supply was switched on. The student increased the current through the
conducting rod and the corresponding reading on the balance was recorded.
The following results were obtained.
(a) Add an arrow to the circuit diagram to indicate the direction of the magnetic field
between the magnets. Justify your answer.
(4)
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20
*P46954A02028*
(b) Describe how the results can be used to determine the magnetic flux density by a
graphical method. You are not expected to do the calculations.
(6)
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21
*P46954A02128* Turn over
18 7KHHTXDWLRQIRUȕ+ decay is
pĺn + e+ + ve
(2)
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22
*P46954A02228*
F 7KHNLQHWLFHQHUJ\RIWKHSRVLWURQLV0H9,WDQQLKLODWHVZLWKDVWDWLRQDU\
electron and two photons of equal energy are emitted.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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Wavelength = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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Wavelength = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
23
*P46954A02328* Turn over
LL ([SHULPHQWVKDYHEHHQFDUULHGRXWZKHUHWKHVH*H9HOHFWURQVDUHDLPHGDWD
hydrogen target which consists of protons. Suggest, with reasons, what happens
to the path of the electrons.
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24
*P46954A02428*
Write your name here
Surname Other names
International
Advanced Level
Physics
Advanced
Unit 4: Physics on the Move
Instructions
• Use black ink or ball-point pen.
• centre
Fill in the boxes at the top of this page with your name,
number and candidate number.
• Answer allthequestions.
Answer
• – there may bequestions in the spaces provided
more space than you need.
Information
• The total mark for this paper is 80.
• The marks for each question are shown in brackets
– use this as a guide as to how much time to spend on each question.
• written
Questions labelled with an asterisk (*) are ones where the quality of your
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.
• The list of data, formulae and relationships is printed at the end of this booklet.
• Candidates may use a scientific calculator.
Advice
• Read each question carefully before you start to answer it.
• Try to answer every question.
• Check your answers if you have time at the end. Turn over
*P48363A0124*
P48363A
©2017 Pearson Education Ltd.
1/1/1/1/1/1/
SECTION A
2 Which of the following could be a correct unit for magnetic flux density?
2
*P48363A0224*
3 Which of the following changes would require an increase in the tension in the string?
A
decreasing the angular velocity of the toy aeroplane
B
decreasing the mass of the toy aeroplane
C
decreasing the period of rotation of the toy aeroplane
D
decreasing the speed of the toy aeroplane
A
DO NOT WRITE IN THIS AREA
6
14 × 2π
B
6
6×π
C
14
6 × 2π
D
14
5 In the early 20th century experiments were carried out to measure the scattering of alpha
particles after striking thin gold foil.
Which of the following could not be concluded from the results of these experiments?
A The nucleus contains most of the mass of the atom.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
3
*P48363A0324* Turn over
6 A kaon decays into a pion and two leptons.
Which of the following decays is possible?
7 14
6
C is an isotope of carbon.
Which row of the table correctly shows the number of neutrons and the number of
protons in a nucleus of 146 C?
D
The frequency of the accelerating voltage can be increased.
4
*P48363A0424*
9 A ball of mass m with velocity v strikes a wall perpendicularly and bounces off with the
same speed in the opposite direction. The collision takes time t.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Which of the following is the mean force acting on the ball during the collision?
A
mv/t
B
2mv/t
C
–mv/t
D
–2mv/t
10 A proton p and an electron e, with the same velocity, enter a magnetic field which is
perpendicular to the direction of their motion. The field acts into the page.
Which of the following diagrams best represents the motion of the particles?
e
DO NOT WRITE IN THIS AREA
p
DO NOT WRITE IN THIS AREA
p e
A B
p e
e p
C D
DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
5
*P48363A0524* Turn over
SECTION B
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6
*P48363A0624*
12 The wavelength associated with a moving particle, known as the de Broglie wavelength,
depends on the momentum of the particle.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(a) Show that momentum and kinetic energy are related by the equation Ek = p2/2m
(2)
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(b) Hence determine the de Broglie wavelength for a proton with kinetic energy 18.8 keV.
(4)
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de Broglie wavelength = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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7
*P48363A0724* Turn over
13 Many electrical devices may be charged using induction chargers. The photograph shows
a watch that is charged in this way and its charger.
Induction charging does not require a metal connection between the charger and the device.
The battery in the watch is charged by placing the watch on top of the charger.
The charger contains a coil. When the charger is plugged into the electrical supply, there
is a current in this coil.
The watch also contains a coil in a circuit that includes the battery.
*(a) Explain how this arrangement produces a current in the watch circuit.
(4)
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(b) To charge the battery, the watch circuit must contain a diode between the coil and the battery.
State why the diode is necessary.
(1)
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8
*P48363A0824*
3.2 cm
(a) Determine the magnitude of the force on the wire due to the magnetic field. You may
assume the field is uniform.
current in wire = 820 mA
length of wire in field = 6.9 cm
magnetic flux density = 0.074 T
(3)
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Magnitude of force = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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9
*P48363A0924* Turn over
15 In 2015, scientists at CERN announced the discovery of a particle known as a pentaquark.
At this time the pentaquark structure had not been determined. It was suggested that it
c
u
u
c
d
(a) The table shows the charges of the six types of quark.
Quark Charge
Complete the following diagram to show how the five quarks shown in the single
particle model could be arranged in a ‘meson‑baryon molecule’. The meson should
have charge zero and the baryon should have charge +e.
(3)
baryon meson
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Mass = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . kg
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*P48363A01024*
(c) The pentaquark was produced in the decay of a lambda‑zero particle which was
created after a collision between high energy protons.
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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11
*P48363A01124* Turn over
16 A timer circuit includes a capacitor and a variable resistor in series.
(a) The graph shows how the current in the timer circuit varies with time when the
2.5 –
2.0 –
1.5 –
current / mA
1.0 –
0 –
–
–
0 50 100 150 200 250 300 350
time / s
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12
*P48363A01224*
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Initial charge = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Energy = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) In another timer circuit the capacitance of the capacitor is 470 µF. The circuit
switches off when the potential difference falls to 15% of its initial value. The
variable resistor is adjusted so that the timer circuit switches off after 3.5 minutes.
Calculate the resistance of the variable resistor.
(3)
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Resistance = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(Total for Question 16 = 11 marks)
13
*P48363A01324* Turn over
12 V plates
2.1 kV
electron gun
vacuum
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
(a) The electron gun consists of a hot metal filament and a positively charged anode.
Explain how this produces a beam of electrons.
(2)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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15
*P48363A01524* Turn over
(b) The potential difference between the hot metal filament and the anode is 2.1 kV.
Calculate the velocity of the electrons as they leave the electron gun.
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Velocity = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
On the diagram below, sketch the electric field between the plates.
(2)
16
*P48363A01624*
(d) A potential difference of 550 V is applied across the plates of another deflection tube.
The vertical separation of the plates is 5.0 cm.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(i) Show that the electrostatic force on an electron between the plates is about
2 × 10–15 N.
(3)
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(ii) The electrons in the beam enter the region between the plates with a horizontal
velocity of 2.2 × 107 m s–1.
Determine the vertical deflection of the beam after travelling 10 cm horizontally
DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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Vertical deflection = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
*P48363A01724* Turn over
18 A student read the following extract from a textbook.
‘In an elastic collision between objects of equal mass, where one is initially stationary,
ball 2
u1 ball 1
Before collision
v2
v1
After collision
18
*P48363A01824*
In one experiment u1 was 0.72 m s–1 and θ was 29°. For such a collision it can be
shown that, if the balls are to separate at 90°, then
v1 = 0.63 m s–1
DO NOT WRITE IN THIS AREA
φ = 61°
v2 = 0.35 m s–1
(i) Show that these values satisfy the conditions for conservation of momentum in
the initial direction of ball 1.
(4)
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(ii) Show that these values satisfy the condition for elastic collisions.
(3)
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19
*P48363A01924* Turn over
(b) The photograph shows the student’s actual results for this experiment. The positions
of the colliding balls at successive time intervals have been overlaid on a single image.
ball 1
(i) State the additional information that the student needs in order to determine the
speeds of the balls.
(2)
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20
*P48363A02024*
(ii) The student looked at the photograph and noticed that the angle between the paths
of the two balls after the collision was not 90°. He modelled the collision on a
computer.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
He used the same initial conditions for ball 1 and the same value of θ. The
computer calculated the total kinetic energy after the collision for a range of
angles φ. The following graph was produced.
0.030
total kinetic energy after collision / J
0.025
0.020
0.015
0.010
0.005
0.000
DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
φ/°
Measure φ from the photograph and use the graph to suggest why the angle
between the paths is not 90°.
(3)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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21
*P48363A02124*
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Physics
Advanced
Unit 4: Physics on the Move
Instructions
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• 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
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– you should take particular care with your spelling, punctuation and grammar,
as well as the clarity of expression, on these questions.
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Advice
• Try
Read each question carefully before you start to answer it.
• Checkto answer every question.
• your answers if you have time at the end.
Turn over
*P48427A0128*
P48427A
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1/1/1/1/1/
SECTION A
Which of the following is the direction of the magnetic field required to maintain this
circular path for the electron beam?
A out of the page
B into the page
C left to right
D right to left
(Total for Question 2 = 1 mark)
2
*P48427A0228*
3 A toy car rolls down a slope. A graph is plotted of momentum against time.
Which of the following is represented by the gradient of the graph?
DO NOT WRITE IN THIS AREA
A acceleration
B kinetic energy
C resultant force
D speed
(Total for Question 3 = 1 mark)
anode
cathode +
_
electron
beam
DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Which of the following would decrease the wavelength associated with the electrons?
A applying a smaller potential difference between the cathode and the anode
B decreasing the momentum of the electrons
C increasing the distance between the cathode and the anode
D increasing the velocity of the electrons
(Total for Question 4 = 1 mark)
5 Accelerators are used to collide high energy particles so that their interactions can be studied.
Which of the following quantities is not always conserved in an interaction between particles?
A charge
DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
B energy
C momentum
D rest mass
(Total for Question 5 = 1 mark)
3
*P48427A0328* Turn over
6 A potential difference of 0.2 V is applied across parallel plates with a separation of 4 cm.
What is the electric field strength halfway between the plates?
7 Which row of the table shows a possible arrangement of quarks in a baryon and a meson?
baryon meson
A dds cd
B ddu du
4
*P48427A0428*
9 The diagram shows the paths of two charged particles, X and Y, moving through the
same uniform magnetic field.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
X
Y
5
*P48427A0528* Turn over
SECTION B
The drum is a hollow metal cylinder with a series of holes through its surface.
During the spin cycle the drum rotates at 1400 revolutions per minute to separate the
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(ii) A shirt button remains at a single point on the drum as the drum spins.
Calculate the centripetal force acting on the shirt button.
(2)
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Centripetal force = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
*P48427A0628*
(b) Explain how the drum spinning separates water from the wet clothes.
(2)
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7
*P48427A0728* Turn over
12 It is thought that an asteroid on a collision course with Earth could be deflected by
making a fast moving spacecraft collide with it when it is still very far away.
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(b) Suppose that DART will collide at 90° to the direction of the asteroid’s velocity.
The asteroid is orbiting at a speed of 0.16 m s–1 about a larger partner.
Calculate the angle through which the velocity of the asteroid is deflected.
(2)
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Angle = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
*P48427A0828*
13 (a) Two point charges of 3.1 × 10−9 C and −2.4 × 10−8 C are placed a distance of 0.043 m
apart in a vacuum.
Calculate the magnitude of the force between the charges.
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(2)
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Force = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) The diagram represents the electric field around two point charges of equal
magnitude. A is a positive charge and B is a negative charge.
A B
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(ii) By considering the electric field at X due to A and due to B separately, explain
the direction of the electric field at X.
(4)
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9
*P48427A0928* Turn over
14 The photograph shows a digital coulombmeter which measures electric charge.
(b) A coulombmeter is charged. A resistor with resistance 4.6 MΩ is placed across the
terminals and the capacitor discharges through the resistor. The charge shown on the
display is recorded and a graph of charge against time is produced.
60 –
50 –
40 –
charge / nC
30 –
20 –
10 –
0 –
–
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
time / s
10
*P48427A01028*
(i) Use the graph to determine the capacitance of the capacitor in the coulombmeter.
(3)
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Capacitance = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) Calculate the energy initially stored by the capacitor.
(2)
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Energy = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(c) The notes with the coulombmeter state:
The coulombmeter has a much higher capacitance than the charged objects it
is being used with, so effectively all of the charge is transferred to the meter.
Explain why the charge will be transferred to the capacitor with a much higher capacitance.
(2)
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11
*P48427A01128* Turn over
(d) The data for the graph was obtained by using a video camera to record the
coulombmeter display and replaying this frame by frame.
State an advantage of using this method.
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12
*P48427A01228*
15 The photograph shows a torch with batteries that are recharged by shaking the torch.
Inside the torch is a coil of wire and a magnet that can move freely through the coil in
alternate directions when the torch is shaken. The coil is connected to a rechargeable
battery.
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(b) Explain, with reference to Lenz’s law, how the magnet does work as it enters the coil.
(4)
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14
*P48427A01428*
(c) The circuit in the torch contains a diode between the coil and the battery.
Explain why the diode is needed if the battery is to charge.
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(2)
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15
*P48427A01528* Turn over
16 According to Einstein's theory of relativity, the total energy E of a particle with rest mass m
and momentum p is given by the equation
E 2 = m2c4 + p2c2
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where c is the speed of light in a vacuum.
(a) Show that the base units on both sides of the equation are the same.
(3)
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(c) For particles with relativistic velocities, m2c4 is negligible compared to E 2 so the
equation simplifies to
E = pc
Show that this is correct and that the simplification is justified for an electron of
energy 45 GeV.
(4)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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17
*P48427A01728* Turn over
17 In the early 1900s Geiger and Marsden carried out experiments in which a beam of high
speed alpha particles was directed at thin gold foil.
The apparatus used is represented in the diagram.
lead
gold
box
foil
(a) Explain why the alpha source was placed in a lead box with a single small hole.
(2)
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*(b) The following conclusions about atoms were made after the experiments.
1. The atom is mostly empty space.
2. The atom contains a small region of highly concentrated charge.
3. Most of the mass of the atom is concentrated in a very small space relative to the
size of the atom.
Explain how the observations from the experiments led to these conclusions.
(6)
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18
*P48427A01828*
(2)
226
Ra → α + Rn
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88 ................. .................
Determine the potential difference that would be required to bring it to rest. You may
ignore relativistic effects at this speed.
mass of alpha particle = 4.00 u
(3)
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Potential difference = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
19
*P48427A01928* Turn over
18 The photograph shows an electric motor made by placing strong, circular, metallic
magnets, with like poles facing each other, at either end of a dry cell.
N S S N
aluminium sheet
field lines
*(a) Explain why the motor starts to roll when it is placed on the aluminium sheet.
(4)
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20
*P48427A02028*
(b) To determine the magnitude of the force acting on the motor, the aluminium sheet is
placed at an angle to the horizontal as shown. The motor is positioned to roll in the
direction AB. The angle is varied until the motor does not roll up or down.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
The motor remains stationary when B has been raised by 2.1 cm. The length of the
sheet is 79.0 cm.
(i) Both measurements are made using a ruler marked in mm.
Compare this method of determining the angle, of about 1.5°, to measuring the
angle with a protractor.
(3)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
21
*P48427A02128* Turn over
(ii) Show that the force exerted on the motor is about 0.02 N.
mass of motor = 69.4 g
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(iii) Determine the magnitude of the magnetic flux density through the aluminium sheet.
Assume the magnetic field is uniform along the length of the aluminium sheet
between the magnets.
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22
*P48427A02228*
Write your name here
Surname Other names
Physics
Advanced
Unit 4: Physics on the Move
Instructions
• Use black ink or ball-point pen.
• centre
Fill in the boxes at the top of this page with your name,
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 80.
• 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.
• The list of data, formulae and relationships is printed at the end of this booklet.
• Candidates may use a scientific calculator.
Advice
• Read each question carefully before you start to answer it.
• Try to answer every question.
• Check your answers if you have time at the end. Turn over
P51948RA
©2018 Pearson Education Ltd.
1/1/1/1/1/1/e2/1/
*P51948RA0128*
SECTION A
1 Some of Rutherford’s alpha scattering experiments used radium as a source of alpha particles.
Which of the following nuclei would be produced by alpha emission from 226
88
Ra?
228
A U
92
230
B Th
90
222
C Rn
86
224
D Po
84
1
A CV
2
DO NOT WRITE IN THIS AREA
1 C2
B
2 Q
1 2
C CV
2
1 Q2
D
2 C
(Total for Question 3 = 1 mark)
2
*P51948RA0228*
4 The photograph shows the track of a positron in a particle detector. There is a magnetic field
perpendicular to the plane of the track.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
5 The potential difference across a charged capacitor is V0. The capacitor discharges through
a fixed resistor. After a time equal to the time constant, the potential difference has
reduced to V.
Which of the following is a correct expression for V?
V0
A V=
2
V0
B V=
e
DO NOT WRITE IN THIS AREA
V
C V= 0
ln 2
V0
D V=
ln e
(Total for Question 5 = 1 mark)
3
*P51948RA0328* Turn over
6 Baryons and mesons are types of particles that consist of quarks.
Which row of the table shows a possible quark composition for a baryon and for a meson?
7 :KLFKRIWKHIROORZLQJLVDXQLWRIWKHSHUPLWWLYLW\RIIUHHVSDFHİ0?
A C2 m2 Ní
B C2 mí Ní
4
*P51948RA0428*
8 The following circuit is used to charge a capacitor.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Which of the following pairs of graphs shows the variation of the current I in the resistor
with time t and the variation of charge Q stored on the capacitor with t?
A I Q
DO NOT WRITE IN THIS AREA
t t
B I Q
t t
C I Q
DO NOT WRITE IN THIS AREA
t t
D I Q
t t
5
*P51948RA0528* Turn over
9 Two charged spheres of equal mass are suspended with insulating threads of equal length.
2QHVSKHUHKDVDFKDUJHRI4DQGWKHRWKHUKDVDFKDUJHRI4
4
4
+Q +Q
A B
C D
A
B
C
D
6
*P51948RA0628*
10 A student is investigating how the magnetic flux through a coil varies with its angle,
in radians, to a magnetic field.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Which of the following gives the equivalent angle in radians for an angle of 40°?
40 × π
A
360
40 × 2π
B
360
40 × 360
C
2π
40 × 360
D
π
(Total for Question 10 = 1 mark)
DO NOT WRITE IN THIS AREA
7
*P51948RA0728* Turn over
SECTION B
(b) Ordinary matter is made up of protons, neutrons and electrons. At the time they were
discovered, these particles were not thought to be made up of any other particles.
Explain how the proton, neutron and electron are described in the current standard
model of matter.
(3)
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8
*P51948RA0828*
12 The diagrams below represent the path of an electron in a vacuum.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
path of path of
electron electron
Diagram 1 Diagram 2
No magnetic field Magnetic field into page
Potential difference across plates No electric field
Using both fields at the same time, it is possible to balance the forces so that the path of
the electron is not deviated.
For such an electron, its velocity v is given by the equation
DO NOT WRITE IN THIS AREA
V
v=
dB
where V is the potential difference across the plates, d is the separation of the plates and
B is the magnetic flux density.
Show that this equation is correct.
(4)
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9
*P51948RA0928* Turn over
13 ,QWKHV3DWULFN%ODFNHWWLQYHVWLJDWHGWKHLQWHUDFWLRQRIDOSKDSDUWLFOHVZLWKGLIIHUHQW
atomic nuclei. The diagram shows an alpha particle interacting with a stationary nitrogen nucleus.
alpha
10
*P51948RA01028*
7KHLQLWLDOVSHHGRIWKHDOSKDSDUWLFOHZDVî7 m sí and the speed of the alpha particle
DIWHUWKHLQWHUDFWLRQZDVî6 m sí.
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11
*P51948RA01128* Turn over
14 When an X-ray photon interacts with an atomic nucleus, pair production can occur.
In pair production the photon energy produces an electron and a positron.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
For this to occur, the wavelength of the X-ray photon must be less than a certain value.
D 6KRZWKDWWKHPD[LPXPZDYHOHQJWKRIWKH;UD\SKRWRQLVDERXWîí m.
(4)
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(c) After production, the positron and the electron move off in different directions.
Suggest what happens to the electron and the positron after this.
(2)
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13
*P51948RA01328* Turn over
15 The diagram represents a toy aeroplane on the end of a string.
The toy aeroplane follows a horizontal path of radius r and the string is at an angle ș to
the vertical.
(a) (i) Complete a free-body force diagram for the toy aeroplane. Ignore any forces due
to the air.
(ii) The toy aeroplane completes 36 revolutions in one minute. DO NOT WRITE IN THIS AREA
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Speed = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
*P51948RA01428*
(iii) By considering the vertical and horizontal components of tension, show that the
angle ș is independent of the mass of the toy aeroplane.
(3)
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15
*P51948RA01528* Turn over
16 A cyclotron at the TRIUMF national laboratory in Canada produces beams of protons
with energies from 20 MeV up to 520 MeV.
source of
protons a.c. supply
dees
high-speed proton beam
*(a) Explain how the cyclotron accelerates the protons to follow the path shown.
(5)
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16
*P51948RA01628*
(b) (i) Calculate the momentum, in N s, of protons with a kinetic energy of 20 MeV.
You may ignore any relativistic effects.
(3)
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Momentum = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . N s
(ii) The TRIUMF cyclotron can produce beams of protons of different energies. This is
done by extracting protons at different distances from the centre of the cyclotron.
Calculate the radius used to extract protons with a kinetic energy of 20 MeV.
(2)
DO NOT WRITE IN THIS AREA
PDJQHWLFIOX[GHQVLW\ 7
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Radius = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(iii) Beams of protons can be used to probe the structure of matter.
Determine whether the wavelength of 20 MeV protons is suitable for investigating
QXFOHLRIGLDPHWHUîí m.
(3)
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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17
*P51948RA01728* Turn over
17 The photograph shows a Van de Graaff generator used in a school.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
dome
In the Van de Graaff generator, charge is transferred to a hollow metal dome which is
insulated from the ground.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(a) The dome may be treated as a positively charged sphere with the charge distributed
evenly on its outside surface.
The electric field outside the sphere is the same as if all the charge were concentrated at
the centre of the sphere. The diagram shows the electric field for a positively charged
conducting sphere.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(i) Suggest why there are no field lines inside the sphere.
(1)
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19
*P51948RA01928* Turn over
(ii) Sketch a graph to show how the electric field strength varies with distance from
the centre of the sphere.
(2)
0 radius of
Distance from centre
sphere
. . . . . . . . . . ..................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Potential difference = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
*P51948RA02028*
(ii) The dome of the Van de Graaff generator is connected to Earth through a resistor
of resistance R.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Calculate the time taken for the Van de Graaff generator to lose 70 % of its charge.
(3)
R î
. . . . . . . . . . ..................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Time taken = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
*P51948RA02128* Turn over
18 The photograph shows a demonstration electric motor.
axle
A coil of wire is mounted on an axle so that it can rotate freely. Magnets are placed
either side of the coil to provide a magnetic field.
When there is a current in the coil, the coil rotates.
The diagrams represent the coil and magnets viewed from the end and from above.
coil
C D
A B
coil
22
*P51948RA02228*
(a) The coil rotates clockwise as seen from the end AB in the diagram.
Explain the direction of the current in the coil.
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(2)
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(b) Calculate the maximum force on the side AC when the current in the coil is 0.29 A.
(2)
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Maximum force = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(c) When the coil is rotating the average current in the coil is less than the current in the
coil if it is held stationary. This is because of the production of a back e.m.f..
*(i) Explain how the back e.m.f. is produced by the motion of the coil.
(3)
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23
*P51948RA02328* Turn over
(ii) A wire of length l is moving at speed v through a magnetic field of magnetic flux
density B, as shown.
B into page
v
İ = Blv
(3)
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(iii) The coil of the motor rotates at 9.0 rotations per second.
Calculate the maximum e.m.f. produced across the side AC of the coil.
(3)
width AB of coil = 2.4 cm
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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Maximum e.m.f. = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
24
*P51948RA02428*
(iv) The current in the coil varies as the coil rotates because the back e.m.f. is not constant.
Suggest why the back e.m.f. is not constant.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(2)
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(d) The average current in the coil can be measured with an ammeter.
Suggest a method for measuring how the current varies over time.
(2)
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*P51948RA02528*
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Surname Other names
Physics
Advanced
Unit 4: Physics on the Move
Instructions
• Use black ink or ball-point pen.
• centre
Fill in the boxes at the top of this page with your name,
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• 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 80.
• The marks for each question are shown in brackets
– use this as a guide as to how much time to spend on each question.
• written
Questions labelled with an asterisk (*) are ones where the quality of your
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.
• The list of data, formulae and relationships is printed at the end of this booklet.
• Candidates may use a scientific calculator.
Advice
• Read each question carefully before you start to answer it.
• Try to answer every question.
• Check your answers if you have time at the end. Turn over
P51940A
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1/1/1/1/1/1/1/1/
*P51940A0128*
SECTION A
Which of the following expressions gives the total energy stored on the capacitors?
1
A CV 2
4
1
B CV 2
2
C CV 2
D 2CV 2
2
*P51940A0228*
Questions 4 and 5 refer to the following situation.
filament anode
electron gun
Electrons are released by a filament and accelerated towards the anode, producing a beam.
A magnetic field is applied, deflecting the beam as shown.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
5 In which direction is the magnetic field applied to result in the deflection shown?
A from the bottom of the tube to the top of the tube
B from the top of the tube to the bottom of the tube
DO NOT WRITE IN THIS AREA
3
*P51940A0328* Turn over
6 Which of the following decays for a pion would not be possible?
A ʌ0 oȖ
7 The table shows the six types of quark and their relative charges.
Quark Charge / e
2
u c t
3
1
d s b í
3
8 Two identical point charges Q1 and Q2 are placed a small distance apart.
The force acting on Q1 has magnitude F.
The charge Q1 and the distance between the charges are both doubled. The charge Q2
is unchanged. DO NOT WRITE IN THIS AREA
B F
F
C
2
F
D
4
(Total for Question 8 = 1 mark)
4
*P51940A0428*
9 A magnet is pushed through a coil of wire at a steady speed, inducing an e.m.f. İ in the coil.
The following graph shows how İ varies with time t.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
The magnet is then pushed through in the same direction at a higher speed.
Which of the following shows the graph of İ against t for the higher speed?
İ İ
DO NOT WRITE IN THIS AREA
t t
A B
İ İ
t t
DO NOT WRITE IN THIS AREA
C D
5
*P51940A0528* Turn over
10 Two conducting plates are 5 cm apart. The potential difference between the plates is 10 V
as shown.
0V
Which diagram correctly shows the electric field between the plates?
2 N Cí 2 N Cí
A B
C D
6
*P51940A0628*
SECTION B
11 An electron travels through a uniform electric field for a time of 4.3 q 10í s. It is
deviated from its original path as shown.
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y = .......................................................
7
*P51940A0728* Turn over
12 In the early 20th century, experiments were carried out in which high-speed alpha particles
were directed at thin gold foil.
vacuum detector
alpha particle
source
lead box
gold foil
(a) State two observations and corresponding conclusions made from the alpha particle
scattering experiment.
(4)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
8
*P51940A0828*
(b) (i) Calculate the de Broglie wavelength of the alpha particles.
(4)
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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de Broglie wavelength = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) Justify whether you would expect these alpha particles to be substantially
diffracted by the gold foil.
(1)
separation of gold atoms = 2.88 q 10í m
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9
*P51940A0928* Turn over
13 The muon was identified in 1936 from the tracks of cosmic rays passing through a
particle detector. The tracks for the muon were seen to be different from those of
electrons and protons.
proton
muon
electron
(a) Explain what can be deduced from the tracks about the mass and the charge of the muon.
(3)
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Mass = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . kg
10
*P51940A01028*
(c) The muon was originally called a mu meson. When other mesons were discovered, it
was realised that the muon was not the same type of particle as other mesons.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
. . . . . . . . . . ............................................................................................. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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11
*P51940A01128* Turn over
14 The diagram shows an investigation of circular motion.
string M
A small movement of the hand causes the rubber bung on the end of the string to move in
a circular path of radius r. The rubber bung and the string may be assumed to rotate in a
horizontal plane.
(a) For a particular experiment, r is 59 cm.
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
Speed = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
12
*P51940A01228*
(b) The speed of the rubber bung is increased.
Explain why M now moves to a higher position.
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(3)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
(c) In order to calculate the speed of the rubber bung, the time for one rotation must be determined.
Student A suggests the number of rotations in a fixed time should be counted.
Student B suggests measuring the time for a fixed number of rotations.
Explain which method will produce more accurate results for the time of one rotation.
(2)
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13
*P51940A01328* Turn over
15 The diagram shows a cyclotron.
source of
A magnetic field of uniform magnetic flux density B acts vertically upwards through
the plane of the cyclotron. Protons travel along paths of increasing radius as their speed
increases.
(a) (i) A proton of mass m and charge Q is travelling at a non-relativistic speed in the cyclotron.
πm
t=
BQ
(2)
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14
*P51940A01428*
(ii) Explain why an alternating potential difference of constant frequency is applied to
the dees.
(3)
DO NOT WRITE IN THIS AREA
. . . . . . . . . . ............................................................................................. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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For the same initial total energy, the colliding proton beams allow the creation of
particles of greater mass than the use of a stationary target.
Explain why, using the principle of conservation of momentum.
(4)
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15
*P51940A01528* Turn over
16 The diagram and photograph show a moving coil loudspeaker.
coil
magnet
(a) The loudspeaker contains a coil connected to a cone that is free to move. The coil is in a
radial magnetic field. When there is a varying current in the coil, the magnetic force on
it varies. This varying force causes the coil and cone to vibrate, producing sound waves.
The diagram below shows the magnet and the coil in the magnetic field.
N
S
coil
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I = 0.11 A
B = 0.80 T
diameter of coil = 4.5 cm
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Force = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
16
*P51940A01628*
*(b) An amplifier unit can be used to amplify music from devices with small speakers,
such as smartphones. In the amplifier unit there is a coil connected to an amplifier
and a loudspeaker as shown.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
A smartphone is placed on the amplifier unit so that the coil in the smartphone
speaker is above the coil in the amplifier unit.
Explain how the music played by the smartphone is also played through the
loudspeaker in the amplifier unit.
(4)
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17
*P51940A01728* Turn over
17 A student attempts to measure the speed of air leaving a hairdryer by measuring the force
exerted by the air on an electronic balance.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(a) The diagram shows the path of an object of mass m colliding with a surface at speed
v at an angle ș.
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ș ș
2mv sin θ
F=
t
(4)
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19
*P51940A01928* Turn over
(b) The student varies the angle ș at which he holds the hairdryer. A graph of the
force FB acting on the electronic balance against sin ș is plotted.
0.35
0.30
0.25
FB / N
0.20
0.15
0.10
0.05
0.00
sin ș
The average mass of air striking the electronic balance per unit time is given by Y$ȡ,
where A is the area of the hairdryer nozzle and ȡ is the density of air.
(i) The student assumes that the air behaves as in part (a).
Show that, in this case, the gradient of the graph is 2v2$ȡ.
(3)
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20
*P51940A02028*
(ii) Calculate the speed of the air.
(3)
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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21
*P51940A02128* Turn over
18 A student investigating capacitors uses the circuit shown.
The capacitor is initially uncharged. When the switch is closed, there is a current in the
circuit and the capacitor charges.
The resistance of the variable resistor is adjusted as the capacitor charges in order to
maintain a constant current in the circuit.
After a time of 132 s the capacitor is fully charged.
(a) Show that the capacitance of the capacitor is about 5000 μF.
(4)
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(b) Explain whether the resistance of the variable resistor is steadily increased or steadily
decreased in order to maintain a constant current.
(3)
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22
*P51940A02228*
Please check the examination details below before entering your candidate information
Candidate surname Other names
Physics
Advanced
Unit 4: Physics on the Move
Instructions
• Use black ink or ball-point pen.
• centre
Fill in the boxes at the top of this page with your name,
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 80.
• The marks for each question are shown in brackets
– use this as a guide as to how much time to spend on each question.
• written
Questions labelled with an asterisk (*) are ones where the quality of your
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.
• The list of data, formulae and relationships is printed at the end of this booklet.
• Candidates may use a scientific calculator.
Advice
• Read each question carefully before you start to answer it.
• Try to answer every question.
• Check your answers if you have time at the end. Turn over
P55452A
©2018 Pearson Education Ltd.
1/1/1/1/1/1/1/
*P55452A0128*
6 In the early 20th century, Rutherford carried out investigations into the scattering of alpha particles
by thin gold foil.
7 The diagram shows a current-carrying wire passing between north and south magnetic poles.
$
North
28°
The magnetic flux density between the poles is 0.09 T. The length of wire within the
magnetic field is 4.5 cm.
Which of the following gives the force F on the wire in newtons?
A F = 0.09 u u 0.045 into the page
B F = 0.09 u u 0.045 u sin 62° into the page
C F = 0.09 u u 0.045 out of the page
D F = 0.09 u u 0.045 u sin 62° out of the page
4
*P55452A0428*
9 C is an isotope of carbon. It is formed in the Earth’s atmosphere when a nucleus of
6
element X absorbs a neutron and emits a proton.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Which row of the table correctly shows the proton number and nucleon number of this
nucleus of element X?
A 5
B 6
C 7
D 7
A Sʌ0
B Qʌ0
C p + eí + Ȟe
D p + μ í + Ȟμ
5
*P55452A0528* Turn over
SECTION B
Answer ALL questions in the spaces provided.
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6
*P55452A0628*
(b) Polar molecules have their own electric fields that can interact with external electric fields.
Point X is 8.98 uí m from each charge, as shown.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
X Diagram not
to scale
45° 45°
Determine the magnitude of the resultant electric field strength at point X due to the
polar molecule.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(4)
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9
*P55452A0928* Turn over
13 The Linear Collider Collaboration is a multinational group planning to build the next
generation of linear accelerators. These will achieve higher energies than exisiting
linear accelerators.
electron
a.c.supply A B C D path
electron drift tube
source
At the start of the linac the drift tubes steadily increase in length along the path of
the electrons.
Explain why the drift tubes have a constant length at the other end of the linac.
(3)
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10
*P55452A01028*
*(b) Many linacs collide beams of particles with stationary targets.
The Linear Collider Collaboration would use two linacs aligned in opposite directions
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11
*P55452A01128* Turn over
14 A student investigated the properties of capacitors. The diagram shows the circuit used
by the student.
A potential difference (p.d.) alternating between zero and 4.0 V was applied to the input.
The variation of p.d. across the capacitor with time was displayed on the computer as
shown below.
The input is shown by the dashed line.
0
0 2
time / s
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12
*P55452A01228*
E L 6KRZWKDWWKHFDSDFLWDQFHRIWKHFDSDFLWRUZDVDERXW uí F.
UHVLVWDQFHRIUHVLVWRU Nȍ
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(3)
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Maximum energy = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
*(c) Explain why this graph could not have been obtained using a voltmeter and stopwatch.
(3)
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13
*P55452A01328* Turn over
15 A student wondered whether a small buzzer could be powered using the Earth’s magnetic field.
The student attached a buzzer to one end of a wire. He held the other end of the wire and
buzzer
wire
front view
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E 7KHUDGLXVRIWKHYHUWLFDOFLUFOHZDVFP7KHEX]]HUFRPSOHWHGUHYROXWLRQVLQV
Assume that the speed of the buzzer was constant.
(i) Calculate the centripetal force acting on the buzzer.
PDVVRIEX]]HU J
(3)
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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Centripetal force = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
*P55452A01428*
(ii) The tension in the wire varied as the buzzer moved around the circle.
Sketch a graph to show the variation in the magnitude of the tension during one
DO NOT WRITE IN THIS AREA
full revolution.
Q S
You should calculate the maximum and minimum values of tension and add them
to your sketch.
(4)
tension / N
DO NOT WRITE IN THIS AREA
P Q R S P position
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15
*P55452A01528* Turn over
(iii) Determine the size of the e.m.f. produced.
The magnitude of the horizontal component of the magnetic flux density of the
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e.m.f. = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(c) The student used a second wire to complete the circuit to the buzzer and whirled the
buzzer around in a vertical circle.
Explain why there was no current in the circuit.
(2)
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16
*P55452A01628*
16 The diagram shows a simplified representation of a cathode ray tube in an oscilloscope.
fluorescent
screen
vertically
deflecting plates
(a) The electron gun produces electrons that are accelerated by the anode.
Explain how the cathode produces electrons.
(2)
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(b) The beam passes between deflecting plates then hits the fluorescent screen, causing a
bright spot. The beam is deflected when a potential difference (p.d.) is applied across
the plates. The amount of deflection is determined by the magnitude of the p.d.
7KHHOHFWURQVOHDYHWKHDQRGHZLWKDVSHHGRI u7 m sí.
(i) Calculate the p.d. required between the cathode and the anode for the electrons to
reach this speed.
(3)
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p.d. required = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
*P55452A01828*
LL 7KHHOHFWURQEHDPOHDYHVWKHSODWHVDWDQDQJOHWRWKHKRUL]RQWDORI
Show that the vertical component of the velocity of the electrons is about
7 u6 m sí.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(2)
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(iii) Calculate the p.d. V that must be applied across the deflecting plates so that the
HOHFWURQEHDPOHDYHVWKHSODWHVDWDQDQJOHWRWKHKRUL]RQWDORI
7KHGHIOHFWLQJSODWHVDUHFPORQJDQGPPDSDUW
(6)
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V = .......................................................
19
*P55452A01928* Turn over
17 The photograph shows the particle detector track for the process of pair production.
In this process, a gamma photon becomes an electron and its antiparticle, a positron.
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(ii) Explain why the electron and positron tracks in the photograph show a decreasing radius.
(2)
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20
*P55452A02028*
(b) Calculate the minimum frequency of the gamma photon for pair production to be possible.
(4)
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Minimum frequency = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
21
*P55452A02128* Turn over
(c) Photons do not have mass but they have momentum.
(i) Show that the energy and momentum of a photon are related by the formula
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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22
*P55452A02228*
Please check the examination details below before entering your candidate information
Candidate surname Other names
Physics
Advanced
Unit 4: Physics on the Move
Instructions
• Use black ink or ball-point pen.
• centre
Fill in the boxes at the top of this page with your name,
number and candidate number.
• Answer allthequestions.
Answer
• – there may bequestions in the spaces provided
more space than you need.
Information
• The total mark for this paper is 80.
• – usemarks
The for each question are shown in brackets
this as a guide as to how much time to spend on each question.
• written
Questions labelled with an asterisk (*) are ones where the quality of your
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.
• The list of data, formulae and relationships is printed at the end of this booklet.
• Candidates may use a scientific calculator.
Advice
• Read each question carefully before you start to answer it.
• Try to answer every question.
• Check your answers if you have time at the end. Turn over
*P52326A0128*
P52326A
©2019 Pearson Education Ltd.
1/1/1/1/1/
SECTION A
C
CV 2
D
2 CV 2
2
*P52326A0228*
V Q d
Which of the following gives the magnitude of the force acting on the charge?
A
VQd
VQ
B
2d
Vd
C
Q
VQ
D
d
DO NOT WRITE IN THIS AREA
4 A current‑carrying wire is placed perpendicular to a magnetic field of magnetic flux density 0.05 T.
The length of the wire in the field is 10 cm and the force on the wire is 2 × 10–3 N.
Which of the following is the current in the wire?
A
1 × 10–5 A
B
1 × 10–3 A
C
4 × 10–3 A
D
4 × 10–1 A
5 Which row of the table shows the quark structures of a meson and its anti‑meson?
DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
meson anti‑meson
A ud ud
B ud du
C uud uud
D uud uud
3
*P52326A0328* Turn over
6 A particle has mass 3.4 GeV/c2.
Which of the following gives the mass of the particle in kg?
7 The diagram shows the tracks of two particles, P and Q, created from an original particle
at point X.
P Q
8 The drum of a washing machine rotates at a rate of 1200 rotations per minute.
What is its angular velocity in radians per second?
A
20
B
63
C
126
D
191
4
*P52326A0428*
SECTION B
When the aeroplane is cruising, air enters the engines at a speed of 252 m s–1 and is
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Speed of air = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
*P52326A0628*
12 In a science fiction film, a spaceship has engines that use antimatter. Helium and
anti‑helium are collided in the engines.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(a) Describe the particles making up the helium atoms in terms of the standard
quark‑lepton model.
(3)
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(b) Calculate the energy released when an atom of helium annihilates an atom of
anti‑helium.
mass of helium atom = 6.64 × 10–27 kg
(2)
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Energy = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
*P52326A0728* Turn over
13 The Aurora Borealis (Northern Lights) are colourful visual displays seen above the North Pole
of the Earth. They are created by interactions between air molecules in the upper atmosphere
and charged particles from the solar wind captured by the Earth’s magnetic field.
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8
*P52326A0828*
(b) Cosmic ray particles entering the Earth’s magnetic field follow spiral paths through
the atmosphere.
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In the region of the North Pole, the magnetic field is vertically downwards.
The diagram shows an electron entering a section of uniform magnetic field.
electron path
Explain why the electron follows a clockwise spiral path downwards, as seen from above.
(3)
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9
*P52326A0928* Turn over
14 In the UK, the maximum legal speed for a pellet fired from an airgun is 184 m s–1.
The diagram shows a suspended block of wood used in a school laboratory to determine
the speed of an airgun pellet.
block of wood
A pellet is fired from the airgun into the block of wood, as shown above.
The pellet stays in the block of wood. The block of wood and pellet together then move
along the path shown. The maximum height reached is measured.
In a particular experiment, the maximum height reached is 6.0 cm.
mass of pellet = 0.93 g
mass of pellet and block of wood together = 150 g
10
*P52326A01028*
(a) Show that the speed of the block of wood immediately after it is struck by the pellet
is about 1 m s–1.
(3)
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(b) Determine whether the pellet is fired at a speed below the maximum legal speed of 184 m s–1.
(3)
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(c) Determine whether the interaction between the pellet and the block of wood is an
elastic collision. Your answer should include suitable calculations.
(2)
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*P52326A01128* Turn over
15 The photograph shows a spark coil, a device used in early experiments on electricity.
iron core
A coil of wire P is wound around an iron core. A second coil S is wound around P.
The ends of S are connected to two thin metal rods with a gap G between them, known
as the spark gap.
With the switch closed there is a current in P. When the switch is opened, a large
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*P52326A01228*
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Time taken = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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13
*P52326A01328* Turn over
(c) Sparks form when the electric field strength in the gap exceeds 3 × 106 V m–1 so the
air becomes conducting for a short time.
110 10
150 20
190 30
230 40
(i) Explain how the data in the table show that the field in the gap is non‑uniform.
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+ –
14
*P52326A01428*
16 The structure of the atom was investigated in the early 1900s by directing alpha particles
at thin metal foil and measuring the angles through which the particles were deflected.
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(b) In one series of experiments, about 1 in 8000 alpha particles directed at thin gold foil
were deflected through angles greater than 90°.
Explain how this provided evidence for atoms having a concentration of charge in a
central nucleus.
(2)
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*(c) The angle at which the greatest number of alpha particles was detected for gold was 2.1°.
The experiment was repeated for other metal foils. The results are shown in the table.
Gold 79 2.1
Silver 47 1.5
Copper 29 1.1
Aluminium 13 0.6
16
*P52326A01628*
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(d) These experiments provided evidence for a nuclear atom. Bohr suggested that
electrons can only orbit the nucleus at specific distances from the nucleus.
De Broglie developed this idea by stating that the lowest possible orbit is where the
circumference of the orbit is equal to the de Broglie wavelength for the electron.
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Show, by considering the force keeping the electron in orbit around a hydrogen nucleus,
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17
*P52326A01728* Turn over
17 The circuit shown is designed to test reaction time.
1 S1 2
S2
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18
*P52326A01828*
(iii) Explain how to make the circuit more sensitive for a reaction time of 0.2 s.
You should refer to the shape of your graph in (ii).
(4)
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20
*P52326A02028*
18 The Moscow Meson Factory linear accelerator (linac) is used in the production of
particular isotopes for medical use.
(b) The Moscow Meson Factory accelerates protons up to energies of 160 MeV before
colliding them into rubidium.
The first 100 MeV is supplied using a linac with drift tubes, as shown.
proton path
a.c. supply
proton
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*P52326A02228*
(ii) The diagram shows part of the path of a proton in the linac. Point A and point B
are at the centres of two successive gaps between drift tubes.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
A B
The a.c. supply has a frequency of 198 MHz. The average kinetic energy of the
proton as it moves from A to B is 2.0 MeV.
Calculate the distance from A to B. You may assume that the proton speed is
non‑relativistic.
(5)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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Distance = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(iii) When the first linacs were made, the maximum frequency for the a.c. supply was
about 7 MHz.
Suggest why it is an advantage to use a much higher frequency than this.
(2)
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*P52326A02328*
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Physics
Advanced
Unit 5: Physics from Creation to Collapse
Instructions
• Use black ink or ball-point pen.
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• Answer allthequestions.
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• – there may bequestions in the spaces provided
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Information
• The total mark for this paper is 80.
• The marks for each question are shown in brackets
– use this as a guide as to how much time to spend on each question.
• written communication
Questions labelled with an asterisk (*) are ones where the quality of your
will be assessed
– you should take particular care with your spelling, punctuation and grammar,
as well as the clarity of expression, on these questions.
• The list of data, formulae and relationships is printed at the end of this booklet.
• Candidates may use a scientific calculator.
Advice
• Keep
Read each question carefully before you start to answer it.
• Try toananswer
eye on the time.
• Check your answers
every question.
• if you have time at the end.
Turn over
P46955A
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*P46955A0128*
1/1/1/
SECTION A
2 A mass is hung from a spring and set into vertical oscillation. The amplitude of
oscillation halves after 10 cycles.
3 A sample of radioactive material has a known half life. Radioactive decay is a random
process. This means that we can predict
A when a given nucleus will decay. DO NOT WRITE IN THIS AREA
2
*P46955A0228*
4 The average density of the universe is unknown. Scientists believe that there is a critical
value for this density.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
If the density of the universe is less than this critical density the universe will
A eventually reach a maximum size.
B keep expanding forever.
C maintain its present size.
D reach a maximum size and then contract.
5 Energy is supplied to a fixed mass of gas in a container and the mean squared speed of
the gas molecules doubles.
The absolute temperature of the gas
A remains constant
B increases by a factor of
DO NOT WRITE IN THIS AREA
2
C increases by a factor of 2
D increases by a factor of 4
3
*P46955A0328* Turn over
7 The figure shows our Sun, S, plotted on a Hertzsprung-Russell diagram.
D C
4
*P46955A0428*
8 A piece of chocolate is heated at a constant rate.
The graph shows how the temperature of the chocolate varies with time.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
50 –
45 –
Temperature / °C
40 –
X Y
35 –
30 –
25 –
20 –
–
–
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18
Time / minutes
DO NOT WRITE IN THIS AREA
5
*P46955A0528* Turn over
Questions 9 and 10 refer to the graph below.
The graph shows how the acceleration a varies with time t for an object undergoing simple harmonic
0 t
The following graphs show how other quantities for the object may vary over the same time period.
0 t 0 t 0 t 0 t
A B C D
9 Choose the graph that shows the variation of displacement with time.
A
10 Choose the graph that shows the variation of velocity with time.
A
B
C
D
6
*P46955A0628*
SECTION B
8
Binding energy per nucleon / MeV
He4 U235
7
6
Li7
5 Li6
3 H3
He3
2
H1
0
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240
Nucleon number
(a) Explain why an alpha particle (He4) is more likely than any other small nucleus to be
emitted from a large unstable nucleus.
(2)
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8
*P46955A0828*
(b) Explain why fission reactors use isotopes such as U-235 as fuel.
Your answer should include reference to the graph.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(3)
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9
*P46955A0928* Turn over
12 The maximum recommended temperature at which meat should be maintained when it is
being transported is 4°C.
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(b) When the meat is unpacked at the supermarket it is initially left in a warm
environment. The meat warms up uniformly from 1.5°C as energy is transferred to
the meat from the surroundings at a rate of 720 W.
Show that there may be a risk in eating the meat if it is left out for longer than an
hour.
(3)
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10
*P46955A01028*
13 The photograph shows the Millennium Bridge in Salford. The bridge which is 91 m long
straddles the Manchester Ship Canal.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
When large numbers of people cross the bridge at the same time, the bridge begins to
oscillate with large amplitude simple harmonic motion.
(a) Explain why there is large amplitude oscillation of the bridge under these conditions.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(3)
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(b) The bridge oscillates with a frequency of 0.55 Hz. The amplitude of oscillation is
greatest at the mid-point and falls gradually to zero at the ends.
Calculate the speed of transverse waves along the bridge.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(3)
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Wave speed = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
11
*P46955A01128* Turn over
14 In the early 20th century Edwin Hubble carried out research on objects known as
extra-galactic nebulae. The light spectra emitted by these nebulae were found to be
shifted from the wavelengths measured for corresponding sources in the laboratory. We
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(ii) Suggest why some standard candles can only be used to determine distances to
relatively close galaxies.
(1)
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12
*P46955A01228*
*(b) Once the distances to the nebulae had been determined, Hubble used the values of
the wavelength shifts to conclude that there was a roughly linear relationship between
velocities and distances for these nebulae.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Describe how Hubble was able to determine the velocities of the nebulae and explain
how his conclusion provides evidence for an expanding universe.
(4)
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*P46955A01328* Turn over
15 The photograph shows an inflatable globe. This is a flexible plastic sphere on which a
map of the world is printed. It is inflated by blowing into it like a balloon.
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(b) The fully inflated globe is left outside and its temperature rises from 22°C to 30°C.
The volume of the globe remains constant.
Calculate the new pressure exerted by the air in the globe.
(2)
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New pressure = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
14
*P46955A01428*
*(c) Including ideas of momentum, explain why the pressure exerted by the air in the
globe increases.
(4)
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15
*P46955A01528* Turn over
16 The Hubble Space Telescope (HST) was placed in orbit in 1990 with the aim of
producing high resolution images of astronomical objects.
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*P46955A01628*
(c) Communications satellites stay above the same place on the Earth’s surface at all times.
State and explain two changes to the orbit of HST for it to remain above the same
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*P46955A01728* Turn over
17 Curves A, B and C show the radiation spectra of stars with three different surface
temperatures.
(a) (i) Curve B represents radiation from the Sun. State what evidence from the graphs
suggests that this might be so.
(1)
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(ii) State with a reason which curve represents a star with a greater surface
temperature than the Sun.
(1)
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(iii) Use the graphs to explain how the radiation from the star identified in (ii) differs
from the radiation from the Sun.
(2)
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*P46955A01828*
(b) Stars other than the Sun are too far away from the Earth for us to make a direct
measurement of their diameter.
Explain how we can deduce that some are giant stars and some are dwarf stars.
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(3)
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(c) For stars which are relatively close to the Earth, describe how parallax measurements
can be used to determine their distances from the Earth.
(4)
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19
*P46955A01928* Turn over
18 In the early part of the 20th century the Nobel Prize winner George de Hevesy made the
first use of a radioactive tracer. He studied the transportation of a small sample of the
isotope lead-212 in a broad bean plant.
212
3Eĺ Bi + ȕ–
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82 ................. .................
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(ii) Show that the decay constant of 212Pb is about 2 × 10í sí and hence calculate the
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Fraction remaining = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
20
*P46955A02028*
(iii) The energy released in this decay is 9.12 × 10í J.
Calculate the decrease in mass in kg that occurs in the decay of one Pb-212 atom.
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(2)
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(c) The isotope of bismuth produced by the decay of Pb-212 is itself radioactive. It
produces both alpha and beta particles with an overall half life which is much shorter
than that of the lead.
Discuss how the decay of the bismuth isotope could affect the measurements made on
the activity of the broad bean plant.
(2)
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(d) George de Hevesy also discovered the element hafnium, which is a good absorber
of neutrons. Hafnium is sometimes used to control the rate of fission in a nuclear
fission reactor.
Suggest why a material which is a good absorber of neutrons would enable the rate of
fission to be controlled.
(1)
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21
*P46955A02128* Turn over
(e) Fusion reactors could become a better alternative to fission reactors.
Explain why this is the case and give reasons why practical fusion reactors are still
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22
*P46955A02228*
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Surname Other names
Physics
Advanced
Unit 5: Physics from Creation to Collapse
Instructions
• Use black ink or ball-point pen.
• centre
Fill in the boxes at the top of this page with your name,
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 80.
• 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.
• The list of data, formulae and relationships is printed at the end of this booklet.
• Candidates may use a scientific calculator.
Advice
• Read each question carefully before you start to answer it.
• Try to answer every question.
• Check your answers if you have time at the end. Turn over
P48364A
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1/1/1/1/
*P48364A0132*
SECTION A
2
*P48364A0232*
4 Dark matter is known to exist because it
A emits high energy X-rays.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Temperature
Moving along the sequence in the direction shown, the stars follow a trend of
A decreasing mass and increasing temperature.
B decreasing mass and decreasing luminosity.
C increasing mass and increasing temperature.
D increasing mass and decreasing luminosity.
3
*P48364A0332* Turn over
6 When a liquid is heated at its boiling point, the temperature remains constant until all the
liquid has turned to vapour.
7 The average molecular kinetic energy of a sample of nitrogen gas is Ek. The gas is
heated and its temperature changes from 200 K to 400 K.
C 2Ek
D 4Ek
What happens to Ȝmax and P when the current through the filament is increased?
4
*P48364A0432*
Questions 9 and 10 relate to the graphs below.
y y
DO NOT WRITE IN THIS AREA
0 x 0 x
A B
y y
0 x 0 x
C D
DO NOT WRITE IN THIS AREA
A
B
C
D
5
*P48364A0532* Turn over
SECTION B
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6
*P48364A0632*
12 A student carried out an experiment to investigate the amount of energy stored in potato
crisps. He placed 22.5 cm3 of water into a test-tube and recorded the temperature. He
then placed a crisp of mass 1 gram in a holder and set light to the crisp and placed it
thermometer
test-tube
water
burning crisp
(a) Use the student’s data to show that the energy released by burning a crisp is about
2900 J.
density of water = 1.00 g cmí
specific heat capacity of water = 4190 J kg–1 K–1
(3) DO NOT WRITE IN THIS AREA
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8
*P48364A0832*
(b) Explain one precaution that the student should take when carrying out the experiment
to make the energy calculated as accurate as possible.
(2)
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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(c) It states on the crisp packet that the energy per gram for the crisps is 21.9 kJ.
Compare this value with the value calculated from the student’s data and suggest a
reason for the difference.
(2)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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9
*P48364A0932* Turn over
13 The International Space Station (ISS) is an artificial satellite in a low Earth orbit.
The ISS has a mass of 4.19 × 105 kg and orbits at a height of 4.10 × 105 m above the
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Time taken = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) Calculate the gravitational field strength exerted by the Earth at the height of the ISS.
(2)
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10
*P48364A01032*
(c) Astronauts on board the ISS experience apparent weightless conditions.
Explain why the gravitational force exerted on the astronauts by the Earth appears to
DO NOT WRITE IN THIS AREA
be absent.
(2)
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11
*P48364A01132* Turn over
14 Low-activity, sealed radioactive sources are used in schools to demonstrate the properties
of ionising radiations. Three sources have been mixed up.
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12
*P48364A01232*
F 7KHVFKRRODOVRKDVDȖVRXUFHZLWKDVWDWHGDFWLYLW\RI N%T7KHFXUUHQWDFWLYLW\
RIWKHVRXUFHLVGHWHUPLQHGWREH N%T
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Time elapsed = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
*P48364A01332* Turn over
15 In a nuclear power station, nuclear reactions release energy which is used to produce
steam which drives the turbines that generate the electricity.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(a) In 1939, Lise Meitner discovered that the uranium isotope U-235 undergoes fission
when struck by a slow neutron. Nuclei of barium and krypton were emitted along
with three neutrons.
This reaction releases about 200 MeV of energy, most of which appears as kinetic
energy of the products.
(i) Complete the nuclear equation which represents this reaction.
(1)
235 141
U + n o %D36 Kr + 3 × 10n
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1
92 0 .................
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(iii) Explain why the fragments must move away from each other after the fission
takes place.
(2)
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15
*P48364A01532* Turn over
(b) The diagram represents a nuclear fusion reaction.
2
H 4
He
(i) Write a nuclear equation, in the space below, for this fusion reaction.
(2)
(ii) Calculate the energy released, in joules, when this fusion reaction occurs.
Mass / MeV/c2
1
n 939.6
2
H 1875.1
3
H 2807.9
4
He 3726.4
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Energy released = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . J
16
*P48364A01632*
(iii) Explain why extremely high temperatures are required for this reaction to take place.
(2)
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(c) State two advantages of obtaining nuclear power on Earth from fusion rather than fission.
(2)
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17
*P48364A01732* Turn over
16 The diagram shows a loudspeaker unit. The unit contains two different loudspeakers, a
woofer and a tweeter. Each loudspeaker contains a cone.
woofer
cone
A signal applied to a coil attached to the centre of each cone causes the cone to vibrate
and set the air into vibration.
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
(ii) Calculate the maximum velocity of the centre of the woofer cone.
(3)
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Maximum velocity = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
*P48364A01832*
(iii) The graph shows how the displacement x of the cone varies with time t.
Add a line to the graph to show how the velocity of the cone varies over the same
DO NOT WRITE IN THIS AREA
time interval.
x (2)
0
t
(b) At a particular frequency the sound produced is distorted as the loudspeaker unit
starts to oscillate with increasing amplitude.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
*(i) Explain why the loudspeaker unit starts to oscillate with increasing amplitude.
(3)
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19
*P48364A01932* Turn over
(c) Suggest why the woofer and the tweeter are different sizes.
(2)
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20
*P48364A02032*
17 In the early 20th century, Edwin Hubble analysed the light from the stars in distant
clusters of galaxies and deduced that these clusters of galaxies are receding.
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(b) The table shows some of Hubble’s original data on the distances to some clusters of
galaxies and the speed with which these clusters are receding.
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22
*P48364A02232*
(ii) The cluster Pegasus is too far away from the Earth for parallax to be used to
determine its distance from the Earth.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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23
*P48364A02332* Turn over
(c) Hubble’s data has been used to plot a graph of speed v against distance d from the Earth.
150 –
v / 105 m sí
100 –
50 –
0–
–
–
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
(i) Use the graph to show that Hubble’s data suggests that the age of the universe is
about 5 × 1016 s.
(3)
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24
*P48364A02432*
(ii) The currently accepted value of the age of the universe is 4.3 × 1017 s.
Suggest why Hubble’s original data led to a value almost 10 times smaller.
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(2)
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(iii) Hubble’s law is generally accepted as an indication that the universe is expanding.
However, the idea of an expanding universe has been challenged by some
scientists.
These scientists suggest that the mass of electrons in the atom increases over time
causing the photons emitted by the atoms to be more energetic.
Use this suggestion to explain how scientists might conclude that the universe is
DO NOT WRITE IN THIS AREA
not expanding.
(3)
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25
*P48364A02532*
Write your name here
Surname Other names
International
Advanced Level
Physics
Advanced
Unit 5: Physics from Creation to Collapse
Instructions
• Use black ink or ball-point pen.
• centre
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• Answer allthequestions.
Answer
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Information
• The total mark for this paper is 80.
• The marks for each question are shown in brackets
– use this as a guide as to how much time to spend on each question.
• written
Questions labelled with an asterisk (*) are ones where the quality of your
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.
• The list of data, formulae and relationships is printed at the end of this booklet.
• Candidates may use a scientific calculator.
Advice
• Read each question carefully before you start to answer it.
• Try to answer every question.
• Check your answers if you have time at the end. Turn over
*P48425A0128*
P48425A
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1/1/1/1/
SECTION A
2
*P48425A0228*
4 If hot liquid wax is left to cool, it will start to solidify at 45 °C. The temperature of the
wax will remain constant until all the wax has solidified.
Select the row in the table that correctly describes how molecular energy will change as
the wax solidifies.
3
*P48425A0328* Turn over
6 The Hertzsprung-Russell diagram is a scatter graph of luminosity against temperature for stars.
Temperature
Mass Temperature
A larger higher
B larger lower
C smaller higher
D smaller lower
4
*P48425A0428*
5
*P48425A0528* Turn over
Questions 9 and 10 relate to the graph below.
The graph shows how the velocity v varies with time t for an object undergoing simple
0
t
The following graphs show how other quantities for the object may vary with t over the
same time period.
y y
0 0
t t
A B
C D
9 Select the graph which shows the variation of displacement from the equilibrium position
with time.
A
B
C
D
10 Select the graph which shows the variation of acceleration with time.
A
B
C
D
6
*P48425A0628*
SECTION B
11 The two images show a small part of the spectrum produced by helium. One image is a
spectrum produced in a laboratory and the other is a spectrum produced by the light from
a star.
Both images contain a bright yellow line. In the spectrum produced by light from the star,
the yellow line is shifted in wavelength.
Calculate the magnitude of the velocity of the star relative to the Earth.
(3)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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Velocity of star = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
*P48425A0728* Turn over
12 Some light bulbs consist of a metal filament inside a glass bulb. The bulb may be filled
with a mixture of gases to reduce vaporisation of the filament.
glass bulb
(a) The glass bulb contains a mixture of krypton gas and xenon gas at room temperature.
The mean squared speed of the krypton molecules is 8.72 × 104 m2 s−2.
Calculate the mean squared speed of the xenon molecules.
mass of 1 molecule of krypton = 1.39 × 10−25 kg
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8
*P48425A0828*
*(b) When a current flows through the filament, the gas in the bulb heats up and the
pressure exerted by the gas increases.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Explain, including ideas of momentum, why the pressure exerted by the gas increases.
(4)
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9
*P48425A0928* Turn over
13 The Sun is one of about 1011 stars in the Milky Way galaxy. The vast majority of stars in
the Milky Way are observed to be within its nucleus. The Sun lies on the Sagittarius arm
of the Milky Way, about 27 000 light years from the centre of the galaxy, as shown.
location of Sun
nucleus
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10
*P48425A01028*
(ii) Use Newton’s law of gravitation to show that, for any star outside the nucleus,
ω2 ∝ 1/r3 where r is the distance between the star and the centre of the galaxy.
(2)
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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(iii) Use the expression from (ii), together with the value of ωSun from (i), to calculate
a value for the angular velocity ωstar of a star similar to the Sun, but located at the
edge of the Milky Way.
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(2)
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ωstar = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) In fact, stars similar to the Sun, but further away from the centre of the galaxy, are
observed to have angular velocities that are all approximately the same.
Explain what astronomers can conclude from these observations.
(2)
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11
*P48425A01128* Turn over
14 The photograph shows a dancing “hula girl” toy. The toy uses energy from the Sun to
make the girl dance. When the solar cell is illuminated the girl’s arms move with
simple harmonic motion.
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(b) (i) The time t for 50 oscillations of the arms is measured three times and the values
obtained are recorded in the table.
t1 /s t2 /s t3 /s
Show that the arms oscillate with a frequency of about 2.6 Hz.
(3)
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12
*P48425A01228*
(ii) From the top to the bottom of the movement, the hands travel a distance of 0.75 cm.
Calculate the maximum speed of the hands.
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(3)
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*P48425A01328* Turn over
15 Basketballs are usually made from a leather composite and are filled with air. A standard
basketball has a total mass of 0.620 kg and a volume of 8.18 × 10−3 m3.
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*P48425A01428*
(ii) The specific heat capacity of the basketball can be taken to be 1170 J kg−1 K−1.
Calculate the number of times a standard basketball must be dropped from 1.80 m
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to increase the temperature of the basketball and the air inside by 0.5°C.
(3)
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(iii) State one assumption that you had to make to calculate the number of times that
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15
*P48425A01528* Turn over
16 One method for sterilising metallic surgical instruments is irradiating them. The instruments are
sealed in plastic packages and then passed in front of a radioactive isotope.
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(b) A radioactive isotope commonly used as a source for the radiation has a half-life of
5.27 years. A sample of this isotope contains 5.02 × 1013 unstable nuclei when it is new.
(i) Show that the activity of the sample when it is new is about 2 × 105 Bq.
1 year = 3.15 × 107 s
(3)
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16
*P48425A01628*
(3)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Time = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . years
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
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17
*P48425A01728* Turn over
17 Americium-241(Am) is an artificially produced radioactive isotope which was commonly
used in smoke detectors. It decays through emission of an α-particle to neptunium (Np).
241
Am → Np + α
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95 ................. .................
*(ii) Explain why most of the energy released in the decay becomes kinetic energy of
the α-particle.
(3)
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18
*P48425A01828*
(b) The table gives masses of an americium nucleus and its constituent particles.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Mass / u
1
p 1.00728
1
n 1.00866
241
Am 241.00471
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
DO NOT WRITE IN THIS AREA
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19
*P48425A01928* Turn over
(c) The graph shows how the binding energy per nucleon varies with nucleon number for
a range of nuclides.
9–
8–
Binding energy per nucleon / MeV
7–
6–
5–
4–
3–
2–
0–
–
–
0 50 100 150 200 250
Nucleon number
Use the graph to explain why the fission of nuclei with large numbers of nucleons
releases large amounts of energy.
(3)
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20
*P48425A02028*
18 A black body of surface area A has luminosity L. The graph shows how the radiated
flux L/A varies with temperature T.
300 –
L/A / MWm–2
200 –
100 –
0–
–
2000 4000 6000 8000
T/K
(a) (i) Using data from the graph show that the luminosity of the Sun is about 4 × 1026 W.
surface temperature of the Sun = 5900 K
radius of the Sun = 6.96 × 108 m
(3)
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22
*P48425A02228*
(ii) Calculate the radiation flux F from the Sun at the top of the Earth’s atmosphere.
distance from Sun to Earth = 1.50 × 1011 m
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(2)
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F = .........................................
(iii) Suggest why the total rate at which energy from the Sun arrives at the top of the
Earth’s atmosphere is much less than F × A, where A is the area of the spherical
surface representing the top of the atmosphere.
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(2)
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23
*P48425A02328* Turn over
(b) The Sun is often referred to as a yellow star.
(i) Show that the wavelength λmax at which peak energy emission occurs for the Sun
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(ii) The visible region of the electromagnetic spectrum extends from a wavelength of
about 400 nm to a wavelength of about 700 nm.
Suggest why light from the Sun is white rather than yellow.
(2)
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*P48425A02428*
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Surname Other names
Physics
Advanced
Unit 5: Physics from Creation to Collapse
Instructions
• Use black ink or ball-point pen.
• centre
Fill in the boxes at the top of this page with your name,
number and candidate number.
• Answer allthequestions.
Answer
• – there may bequestions in the spaces provided
more space than you need.
Information
• The total mark for this paper is 80.
• – use this asfora guide
The marks each question are shown in brackets
as to how much time to spend on each question.
• written
Questions labelled with an asterisk (*) are ones where the quality of your
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.
• The list of data, formulae and relationships is printed at the end of this booklet.
• Candidates may use a scientific calculator.
Advice
• Read each question carefully before you start to answer it.
• Try to answer every question.
• Check your answers if you have time at the end. Turn over
P50796A
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1/1/1/1/
*P50796A0124*
SECTION A
1 A Geiger counter is used to determine the count rate from a radioactive source. The count
rate is unchanged when a 5 mm thickness of aluminium is placed between the counter
and the source. The count rate reduces significantly when a thin sheet of lead is placed
between the counter and the source.
Which of the following is the radiation emitted by the source?
A Į-particles
B ȕ-particles
C ȕ-particles and Ȗ-radiation
D Ȗ-radiation
3 Two containers are filled with two gases, A and B. The gases have the same temperature,
DO NOT WRITE IN THIS AREA
but the mean squared speed of the molecules in A is twice the mean squared speed of the
molecules in B.
Which of the following is the ratio of the mass of a molecule in A to the mass of a
molecule in B?
A 0.25
B 0.5
C 2
D 4
2
*P50796A0224*
4 The temperature of a sample of helium gas is increased.
Which row of the table shows changes that could maintain the pressure of the sample at a
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constant value?
5 Two identical stars each of mass M are orbiting about point O in a binary system, as shown.
O
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x x
GM
B
2x2
GM
C
x2
2GM
D
x2
(Total for Question 5 = 1 mark)
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3
*P50796A0324* Turn over
7 Electromagnetic radiation of frequency 1.42 GHz is emitted by a stellar source.
The radiation is received by an observer on Earth who measures the frequency as 1.44 GHz.
8 The graphs show how the pressure p exerted by a fixed mass of gas varies with the
volume V of the gas, for two different temperatures.
The gas is made to expand and then contract in the cycle WXYZW, as shown.
Z Y
Select the stage of the cycle during which the temperature of the gas increases.
A WoX
B XoY
C YoZ
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D ZoW
4
*P50796A0424*
Questions 9 and 10 relate to the Hertzsprung-Russell diagrams below.
A star cluster is a group of stars which were all formed at about the same time.
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The diagrams are drawn for a star cluster at different stages of its evolution.
L L
T T
A B
L L
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T T
C D
9 Select the diagram for the star cluster when it is closest to the beginning of its evolution.
A
B
C
D
10 Select the diagram for the star cluster when its first red giants have run out of fuel and
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collapsed.
A
B
C
D
5
*P50796A0524* Turn over
SECTION B
spring
stand
marker
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6
*P50796A0624*
12 The Ancient Greeks believed that all stars were the same distance from the Earth.
(a) Describe how astronomers today are able to determine the distance to nearby stars.
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(3)
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(b) Explain how two stars which appear to be equally bright might not be the same
distance from the observer.
(3)
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7
*P50796A0724* Turn over
13 A hot drinks dispenser fills a cup with 0.25 kg of water at a temperature of 85 qC in 9.4 s.
(a) The water enters the dispenser at a temperature of 22 qC.
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8
*P50796A0824*
*14 A partially inflated balloon is placed under a bell jar, as shown in Diagram 1.
An airtight seal is made at the base of the bell jar and a vacuum pump is turned on.
After several minutes, the volume of the balloon has increased, as shown in Diagram 2.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
bell jar
balloon
Explain, using ideas of molecular momentum, why the volume occupied by the balloon
DO NOT WRITE IN THIS AREA
increases.
(5)
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*P50796A0924* Turn over
15 The binding energy per nucleon varies over the range of known nuclei.
(a) The table shows the masses of a nucleus of hydrogen-3 and its nucleons.
hydrogen-3 5.008 75
neutron 1.675 40
proton 1.673 09
(i) Show that the binding energy of a nucleus of hydrogen-3 is about 8.5 MeV.
(4)
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10
*P50796A01024*
(b) The graph of binding energy per nucleon for a range of nuclei is shown.
10
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8
Binding energy per nucleon / MeV
2
DO NOT WRITE IN THIS AREA
0
0 50 100 150 200 250 300
Nucleon number
Explain, with reference to the graph, how the fission of uranium-235 nuclei can lead
to a large output of energy.
(3)
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11
*P50796A01124* Turn over
16 The Sun is a typical star which emits electromagnetic radiation in a spectrum with a peak
at a wavelength of 0.50 × 10–6 m.
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(b) A textbook states “the extreme conditions in its core enable the Sun to fuse hydrogen”.
State the extreme conditions necessary for fusion in the core of the Sun.
(2)
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(c) When the Sun nears the end of its life it will become a red giant star. When it has depleted
the hydrogen in its core its surface temperature will decrease and its radius will increase.
Its luminosity L1 will change to a new value L2.
L2
Calculate the ratio .
L1
(3)
initial surface temperature = 5700 qC initial radius = 6.96 × 108 m
final surface temperature = 2700 qC final radius = 1.26 × 1011 m
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L2
= .........................................
L1
12
*P50796A01224*
*(d) The Sun is a relatively low-mass main sequence star. Some main sequence giant
stars are much more massive.
A student states “A star with fifty times the mass of the Sun contains much more
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hydrogen than the Sun. Such a star should therefore spend longer than the Sun on the
main sequence.”
Discuss the validity of this statement.
(4)
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13
*P50796A01324* Turn over
17 A fuel rod in a nuclear reactor contains uranium-238. When a nucleus of uranium-238
absorbs a neutron, the nucleus decays to neptunium-239 which then decays to plutonium.
239
1Sĺ Pu + ȕ–
...... ...... ...... ......
(b) Neptunium-239 nuclei are produced at a constant rate in the fuel rod.
Eventually, the number of neptunium-239 nuclei in the fuel rod will reach a maximum.
(i) Explain how the rate of decay of neptunium-239 initially varies with time.
(2)
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(ii) Give a reason why the number of neptunium-239 nuclei in the fuel rod will
eventually reach a maximum.
(1)
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14
*P50796A01424*
(iii) The rate at which neptunium-239 nuclei are produced in the fuel rod is 1.85 × 107 s–1.
Calculate the maximum number of neptunium-239 nuclei in the fuel rod.
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(3)
half-life of neptunium-239 = 2.04 × 105 s
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(c) Explain why the core of a nuclear reactor is surrounded by up to six metres of concrete.
(2)
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15
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18 Almost fifty years ago, a physicist found evidence for the existence of dark matter from
her observations of the Andromeda Galaxy. The rotation of this spiral galaxy seemed to
contradict Newton’s laws.
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(b) The stars in the Andromeda Galaxy are in orbit about the centre of the galaxy.
Most of the visible mass of the galaxy is concentrated at its centre. The graph shows
how the velocity v of stars varies with distance r from the centre of the galaxy.
predicted
16
*P50796A01624*
Explain how dark matter may account for the difference between the observed
velocity and the predicted velocity of stars far away from the centre of the galaxy.
You may assume that, for a star orbiting at radius r, all the matter inside the sphere of
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19 A loudspeaker is designed to produce the low frequency notes in a music system. The
loudspeaker contains a cone that oscillates when it is supplied with an electrical signal.
A signal of frequency 120 Hz is supplied to the loudspeaker and the cone moves with
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(b) When it is producing the loudest sound, the cone has a maximum displacement of
3.0 mm from the equilibrium position.
Calculate the maximum acceleration of the cone.
(3)
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(c) The graph shows how acceleration a varies with time t for two cycles of oscillation of
the cone.
Draw a graph, on the same axes, to show how velocity varies with time for the same
two cycles.
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(2)
a
0
t
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(d) The loudspeaker is inside a casing.
The casing is designed so that its natural frequency of oscillation is much greater than 120 Hz.
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(e) Loudspeaker casings often contain pieces of absorbent material at positions within the
casing where the oscillations are greatest. This dampens the oscillations of the casing.
Explain why this damping is necessary.
(3)
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Unit 5: Physics from Creation to Collapse
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P51944A
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1/1/1/1/1/
*P51944A0128*
SECTION A
1 Which of the following statements about the absolute zero of temperature is correct?
A It is the temperature of deep space.
B It is the temperature at which water becomes ice.
C It is the lowest temperature yet reached in a laboratory.
D It is the temperature at which the internal energy of an ideal gas would be least.
2 A gas consists of a mixture of nitrogen and oxygen molecules. Oxygen molecules are
3 A mass is hung from a spring and set into vertical oscillation of amplitude x0. The total
energy of oscillation is E0.
Which of the following expressions gives the total energy of oscillation E when the
DO NOT WRITE IN THIS AREA
1
C E= E
2 0
1
D E= E
4 0
(Total for Question 3 = 1 mark)
2
*P51944A0228*
4 A brass ring and a gold ring are supplied with the same amount of thermal energy.
The brass ring is half the mass of the gold ring, and the specific heat capacity of brass is
3 times that of gold.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
D 6
Select the row in the table which would result in the largest rate of decay.
A small short
B small long
C large short
D large long
3
*P51944A0328* Turn over
6 The distances to two stars are being determined using trigonometric parallax.
The radiation flux from star P is greater than that from star Q, and the parallax angle for
star P is greater than that of star Q.
7 The diagram shows three light pendulums X, Y and Z being driven into oscillation by a
heavy pendulum P. The time period of a pendulum increases with the pendulum length.
P Y
4
*P51944A0428*
8 Astrophysicists have determined a value for the age of the universe using
9 The temperature scale on the Hertzsprung-Russell diagram shown below is not complete.
L / LSun
106
103
1
DO NOT WRITE IN THIS AREA
10–3
X 6000 Y
Select the row in the table which gives possible values for X and Y.
X/K Y/K
A 3000 9000
B 3000 12 000
C 9000 3000
D 12 000 3000
DO NOT WRITE IN THIS AREA
5
*P51944A0528* Turn over
10 Some buildings are designed to withstand earthquakes. The energy from the earthquake
waves is dissipated by deforming some parts of the building.
6
*P51944A0628*
SECTION B
. . . . . . . . . . ..................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Velocity of galaxy = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8
*P51944A0828*
12 While underwater a diver releases an air bubble of volume 6.50 q 10–8 m3. At the point
of release the pressure is 8.55 q 105 Pa and the temperature of the sea is 5.0 °C.
The bubble rises to the surface where the temperature of the sea is 20.0 °C.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(a) As the bubble rises, the mass of air in the bubble remains constant.
Calculate the volume of the bubble as it reaches the surface of the sea. Assume the
air behaves as an ideal gas.
(3)
atmospheric pressure = 1.02 × 105 Pa
. . . . . . . . . . ..................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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9
*P51944A0928* Turn over
13 In an experimental nuclear fusion reactor, magnetic fields are used to confine a hot plasma.
This is to sustain a controlled nuclear fusion reaction.
. . . . . . . . . . ..................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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10
*P51944A01028*
(b) The graph shows how the mass per nucleon varies for a range of nuclei.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
He
C
O
Fe
50 100 150 200 250
Nucleon number
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(i) Explain, using the graph, how a fusion process is able to release energy.
(2)
. . . . . . . . . . ..................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(ii) Explain, using the graph, a limitation to the elements suitable for fusion.
(2)
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11
*P51944A01128* Turn over
14 Cepheid variable stars can be used as standard candles.
(a) State what is meant by a standard candle.
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(b) The graph shows how the luminosity L of one type of Cepheid variable star depends
upon the period T of variation in its luminosity.
5.0
4.5
4.0
3.5
Log10 (L / LSun)
3.0
(i) A Cepheid variable star is identified in the Andromeda galaxy with a period of 3.0 days.
Use the graph to show that the luminosity of this star is about 2 × 1029 W.
(3)
LSun = 3.85 q 1026 W
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12
*P51944A01228*
(ii) The radiation flux of the Cepheid star at the Earth is measured to be 3.36 × 10–17 W mí.
Calculate the distance to the Andromeda galaxy.
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(2)
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13
*P51944A01328* Turn over
15 The photograph and diagram show a “nodding donkey” used to pump oil from the ground.
motor
rod
The motor raises and lowers one end of the beam, causing the head of the beam to move
with simple harmonic motion. The head is attached to a metal rod that moves up and
down, operating a pump deep in an oil well.
(a) State what is meant by simple harmonic motion.
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14
*P51944A01428*
(ii) The head of the beam moves with an amplitude of 22 cm.
Calculate the maximum velocity of the head.
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(2)
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Displacement
0 Time
15
*P51944A01528* Turn over
16 Sirius is a binary star system 8.1 q 1016 m from Earth. Sirius A is a main sequence star
and the brightest star in the night sky. Sirius B is a white dwarf star.
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(b) Explain why it is appropriate for stars such as Sirius B to be called white dwarf stars.
(2)
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(c) The two stars in the binary system were formed at roughly the same time.
Explain how we can deduce that Sirius B was initially much more massive than Sirius A.
(5)
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17
*P51944A01728* Turn over
17 Jupiter is the most massive planet in the solar system. In 2016 the spacecraft Juno
completed a five-year mission to Jupiter. Juno is currently orbiting Jupiter with a period
of 14 days.
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Radius of orbit = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) The diagram shows Jupiter and the Sun. A point where the gravitational field strength of
the Sun is equal and opposite to the gravitational field strength of Jupiter is labelled P.
Jupiter
P Sun
r R
Diagram not
DO NOT WRITE IN THIS AREA
to scale
The mass of the Sun is MS. The mass of Jupiter is MJ. The gravitational constant is G.
(i) State expressions for the gravitational field strength of the Sun gs at point P and
the gravitational field strength of Jupiter gJ at point P.
(2)
gs = ............................... ........................
gJ = ............................... ........................
18
*P51944A01828*
R
(ii) Show that the ratio is about 30.
r (2)
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MS = 2.0 q 1030 kg
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The distance from the centre of Jupiter to the centre of the Sun is 7.8 × 108 km.
(2)
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r = .......................................................
(c) One function of Juno is to monitor the temperature of Jupiter’s atmosphere. At the
top of the atmosphere the temperature can reach 725 °C.
Determine the type of electromagnetic radiation that the instruments in Juno must be
sensitive to. Your answer should include a calculation.
(3)
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19
*P51944A01928* Turn over
18 Radon is a naturally occurring radioactive gas, mainly produced in areas rich in granite.
In the open air radon causes no problems, but it can seep into buildings from the ground
and reach dangerous concentrations.
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84 ............
Į
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E 7KHWRWDONLQHWLFHQHUJ\RIWKHĮSDUWLFOHDQGWKHSRORQLXPQXFOHXVLV0H9
Calculate the mass difference in kg between a nucleus of radon-222 and its products
in the decay.
(3)
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Mass difference = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . kg
20
*P51944A02028*
(c) In some homes the activity from the decaying radon can be as high as 1000 Bq for
each cubic metre of air.
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21
*P51944A02128* Turn over
(iii) The risk to people increases as the concentration of radon gas in the home
increases. However, about 90 per cent of deaths caused from exposure to radon
gas occur in homes where the activity per cubic metre of air is less than 200 Bq.
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(d) A sample of radon gas is placed in a sealed container and its initial activity is measured.
A student calculates a value for the activity inside the container after a time equal to two
half-lives. However, a measurement of the activity inside the container gives a value
considerably higher than this.
Explain why the student’s calculation does not agree with the measurement.
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22
*P51944A02228*
Write your name here
Surname Other names
Physics
Advanced
Unit 5: Physics from Creation to Collapse
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Advice
• Read each question carefully before you start to answer it.
• Try to answer every question.
• Check your answers if you have time at the end. Turn over
P51945A
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1/1/1/1/1/1/
*P51945A0128*
SECTION A
1 Current theories give a number of alternatives for the future evolution of our universe.
Which of the following is a correct statement for an open universe?
A It eventually reaches a maximum size.
B It has a future that cannot be predicted.
C It will eventually collapse in on itself.
D It keeps expanding forever.
1
A
2
1
B
2
C 2
D 2
3 About 25% of the mass of the universe is thought to consist of dark matter.
Which of the following is a correct statement about dark matter?
A It absorbs all electromagnetic radiation.
B It emits no electromagnetic radiation.
C It exerts no gravitational force.
D It provides direct evidence for the Big Bang.
2
*P51945A0228*
4 A mixture of helium He and hydrogen H2 gases is maintained at a temperature of 300 K.
The average kinetic energy of the He molecules is Ek and their average speed is v.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
C very ionising.
D very penetrating.
3
*P51945A0328* Turn over
7 Two stars are being observed. Star X is twice as far away as star Y and the radiation flux
received from star X is half that from star Y.
8 The gravitational field strength at the surface of the Earth is 9.81 N kgí. A satellite is
orbiting at a height above the surface of the Earth equal to twice the radius of the Earth.
What is the gravitational field strength at this height?
A 1.1 N kgí
B 2.5 N kgí
9 When a solid is heated at its melting point, the temperature remains constant until all the
solid has turned to liquid.
Select the row in the table that correctly gives the change in the mean molecular kinetic
and potential energies.
4
*P51945A0428*
10 Stellar parallax can be used to determine the distances to stars which are relatively close
to the Earth.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
5
*P51945A0528* Turn over
SECTION B
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Wavelength = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) A teacher determines the efficiency of a microwave oven. She places a glass beaker
containing 225 g of water in the microwave oven. The microwave oven has an input
power of 550 W.
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Efficiency = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) State a reason why the efficiency is less than 100%.
(1)
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7
*P51945A0728* Turn over
13 A Hertzsprung-Russell diagram shows how luminosity varies with surface temperature
for a range of stars. The Sun is a yellow main sequence star. The position of the Sun in
the diagram is marked with S.
1
S
10−6
6000
(b) Compared with the Sun, white dwarf stars have a lower luminosity and produce
whiter light. It is not possible to directly measure the size of these stars, due to their
large distance from the Earth.
Explain how astronomers have deduced that these stars have a relatively small
surface area compared to that of the Sun.
(3)
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8
*P51945A0828*
14 A Bluetooth speaker enables music to be played from a phone or other mobile device
without the need for wire connections. The speaker rests on three rubber feet as shown.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
rubber feet
(a) The rubber feet maintain contact between the speaker and the surface it is on.
Explain why the sound is loud when the speaker is on a hard wooden surface.
(2)
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(b) For certain frequencies of sound there is a much larger increase in the loudness of the
sound produced.
Explain why this increase in sound occurs for certain frequencies.
(3)
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9
*P51945A0928* Turn over
15 An exoplanet is a planet orbiting a star other than the Sun. One of the first exoplanets to
be found is Tau Boötis b in the Tau Boötis star system. Both the star and the exoplanet
are in orbit about a point just outside of the star. The exoplanet was detected by changes
Not to scale
star
(a) Because of the circular path of the star, the wavelength of light detected from the star
changes.
(i) Explain why the wavelength of the light detected from the star would change.
(3)
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10
*P51945A01028*
(ii) For a spectral line of wavelength 622 nm, the maximum change in wavelength
observed was ± 9.73 × 10í nm.
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(c) The exoplanet has a mass more than four times the mass of Jupiter.
Suggest why much less massive exoplanets are much harder to detect by measuring
changes in the wavelength of the light received from the star.
(2)
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11
*P51945A01128* Turn over
16 In an incandescent lamp, a metal filament is heated to a high temperature so that it emits
light. The filament is enclosed in a glass bulb filled with an inert gas.
glass bulb
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(ii) Suggest, using the value of Ȝmax, why the lamp is inefficient as a light source.
(2)
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12
*P51945A01228*
(iii) The pressure of the inert gas inside the bulb is 58.5 kPa at a temperature of 18.0 °C.
When the lamp is on, the temperature of the gas is 165 °C.
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Pressure of gas = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) A student uses a lamp to estimate the luminosity L of the Sun.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
She places a small drop of cooking oil at the centre of a sheet of card and spreads it out
to form a small circle. She holds the card between the lamp and the Sun. Light from
the Sun passes through the oil spot and light from the lamp is scattered off the card.
card
Sun
She adjusts the position of the card until the brightness of the scattered light is the
same as the brightness of the light passing through the card. She measures the
distance between the card and the lamp.
13
*P51945A01328* Turn over
(i) Calculate a value for L.
(2)
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L = ......................................................
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14
*P51945A01428*
17 The graph shows how the binding energy per nucleon varies with nucleon number for a
range of nuclides.
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0
0 50 100 150 200 250
Nucleon number
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(ii) Use the graph to explain why nuclear fission is only possible as an energy source
using massive nuclei.
(2)
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15
*P51945A01528* Turn over
(b) In a nuclear reactor, a uranium-235 nucleus absorbs a neutron and then undergoes
fission into two nuclei and some neutrons.
235 111
U + n o Ru + Cd + 3 n
.................
1 1
92 0 ................. 48 0
(ii) The fission of one uranium-235 nucleus in this reaction releases 3.2 × 10í J of energy.
&DOFXODWHWKHFKDQJHLQPDVVǻm that occurs in this fission.
(2)
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ǻm = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
*(iii) The neutrons and product nuclei move away from each other after the fission.
A student suggests that this is because of electrostatic repulsion.
Comment on this suggestion.
(3)
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16
*P51945A01628*
(c) Plutonium-241 is a possible product from a fission reactor. It is a beta emitter with a
half-life of 14 years.
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Time = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
*P51945A01728* Turn over
18 When a ship is sailing on a rough sea, the waves can set the ship into simple harmonic
motion. This can result in passengers becoming seasick.
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Maximum acceleration = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
*P51945A01828*
(ii) Passengers on a ship may suffer from seasickness as the ship rises and falls on the
waves. The graph shows the limits of passengers’ tolerance to the oscillatory motion.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
0.5
intolerable
0.4
Acceleration uncomfortable
0.3
Acceleration due to gravity
0.2
0.1 tolerable
not noticeable
0
0 2 4 6 8 10 12
Period of motion / s
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Determine whether the passengers are likely to feel seasick as a result of the
ship’s motion.
You should use your value from (b)(i) and show how you have used the graph.
(2)
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19
*P51945A01928* Turn over
(c) The graph shows how the vertical displacement x of a passenger varies with time t.
Add to the graph to show how the acceleration of the passenger varies over the same
0
t
(d) A passenger on the ship stands on weighing scales. When the sea is calm the reading
20
*P51945A02028*
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Physics
Advanced
Unit 5: Physics from Creation to Collapse
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P55454RA
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1/1/1/1/1/1/
*P55454RA0128*
SECTION A
1 The initial count rate recorded by a detector placed close to a radioactive sample is
4800 Bq. After 12 hours the count rate has fallen to 300 Bq.
Which of the following is the half-life of the sample?
A 2.4 hours
B 3.0 hours
C 4.0 hours
D 12 hours
A standard candles
B the Hubble constant
C the Planck constant
D the temperature of deep space
3 The activity of a radioactive source depends on the number of unstable nuclei in the
source and the half-life of the source.
Which row in the table corresponds to a source with the greatest activity?
DO NOT WRITE IN THIS AREA
A small small
B small large
C large small
D large large
2
*P55454RA0228*
4 Trigonometric parallax is used to determine the distances to two stars, P and Q.
The radiation flux from P is greater than that from Q. The parallax angle for P is smaller
than that for Q.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
5 The release of energy from uranium fuel in a nuclear reactor arises from the process of nuclear
A decay.
B emission.
C fission.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
D fusion.
6 Which of the following statements about the absolute zero of temperature is correct?
7 On which of the following does the ultimate fate of the universe depend?
DO NOT WRITE IN THIS AREA
3
*P55454RA0328* Turn over
8 Some buildings contain materials that can dissipate the energy from earthquakes.
These materials deform as the ground shakes.
106
L / LSun
1
10í
X 6000 Y
Temperature / K
Select the row in the table with possible values for X and Y.
X/K Y/K
DO NOT WRITE IN THIS AREA
A 2000 10 000
B 3000 12 000
C 12 000 3000
D 10 000 2000
4
*P55454RA0428*
10 A fixed mass of gas is kept at a constant temperature.
Which of the following graphs represents the pressure p exerted by the gas as its
DO NOT WRITE IN THIS AREA
volume V is varied?
p p
V V
A B
p p
DO NOT WRITE IN THIS AREA
V V
C D
5
*P55454RA0528* Turn over
SECTION B
. . . . . . . . . . . .................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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*(b) Describe how the distance of Messier 33 from the Earth can be determined by means
of a standard candle.
(3)
. . . . . . . . . . . .................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(c) State why trigonometric parallax would not be a suitable method to determine the
distance to Messier 33.
(1)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
. . . . . . . . . . . .................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6
*P55454RA0628*
12 In a dishwasher water at 16 °C is heated to a temperature of 50 °C before being used to
wash the dishes.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(a) Show that the energy that must be supplied to the water to bring it to the correct
temperature is about 3 u 106 J.
mass of water used = 18 kg
specific heat capacity of water = 4200 J kgí Kí
(2)
. . . . . . . . . . . .................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(2)
. . . . . . . . . . . .................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Time = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(c) State the assumption necessary to perform the calculation in (b).
(1)
. . . . . . . . . . . .................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
*P55454RA0728* Turn over
13 The Sun is one of billions of stars in the Milky Way galaxy. The nearest galaxy to the
Milky Way is the Andromeda galaxy. The Andromeda galaxy has spiral arms around its
centre as shown.
centre
www.space-facts.com
(a) The spiral arms of the Andromeda galaxy are rotating about its centre with a large
. . . . . . . . . . . .................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Wavelength = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(ii) Explain why this wavelength would not be obtained when measuring the
wavelength of light from atoms in the outer part of the spiral arms of Andromeda.
(2)
. . . . . . . . . . . .................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . .................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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8
*P55454RA0828*
(b) Analysis of the light emitted by Andromeda enables a value for the mass of
Andromeda to be calculated.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Calculations based on the rate of rotation of the spiral arms produce a much greater
value for the mass of the galaxy.
Explain what scientists have concluded from this difference in values.
(2)
. . . . . . . . . . . .................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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9
*P55454RA0928* Turn over
14 A volleyball contains air at a temperature of 22.5 °C and a pressure of 1.32 u 105 Pa.
The volleyball is left in direct sunlight, and the temperature of the air inside it increases
to 38.5 °C.
. . . . . . . . . . . .................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) Air is released from the volleyball until the pressure returns to its original value.
The temperature of the air remains constant.
Calculate the number of molecules of air that escape from the volleyball.
diameter of volleyball 21.4 cm
(3)
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10
*P55454RA01028*
15 The following equation relates to molecular kinetic theory.
1 3
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3
(ii) NkT
2 (1)
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(b) Calculate the mean square speed F࣠2 of hydrogen molecules at 25 °C.
mass of a hydrogen molecule = 3.3 u 10í kg
(2)
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F࣠ = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
12
*P55454RA01228*
*(c) The volume of a closed container of hydrogen gas is reduced at constant temperature.
Explain, using ideas of momentum, what happens to the pressure exerted by the
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hydrogen gas.
(4)
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*P55454RA01328* Turn over
16 A set of scales used to weigh vegetables in a shop is shown.
pan
When vegetables are added to the pan, the weight of the vegetables causes a spring to
extend, moving the pointer on the scale.
(a) The graph shows how the elastic strain energy stored in the spring varies for
0.60
0.50
0.40
0.30
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0.20
0.10
0.00
0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10
Extension, x / m
14
*P55454RA01428*
(i) Show that the force constant of the spring system is about 100 N mí.
(3)
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(ii) A potato is placed in the pan. The total mass of the potato and pan is 0.45 kg.
When the pan is pulled down and released, it begins to oscillate.
Calculate the frequency of oscillation of the pan.
(3)
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*P55454RA01528* Turn over
(b) The system is an example of a damped oscillator.
(i) Explain what would be observed when a potato is dropped into the pan.
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(ii) Sketch a graph to show how the displacement of the pan from its final
equilibrium position varies with time.
(2)
displacement
16
*P55454RA01628*
17 The planet Venus is sometimes described as Earth’s twin, because its radius and mass are
very similar to those of the Earth.
GM
g =
r2
(2)
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gv = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) At the top of the Earth’s atmosphere, the radiation flux FEIURPWKH6XQLV:Pí.
Calculate the radiation flux Fv from the Sun at the top of Venus’ atmosphere.
UDGLXVRI9HQXV¶RUELWDERXWWKH6XQ u radius of Earth’s orbit about the Sun
(3) DO NOT WRITE IN THIS AREA
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Fv = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
18
*P55454RA01828*
F 9HQXVFDQEHFRQVLGHUHGWREHDEODFNERG\UDGLDWRUDWDWHPSHUDWXUHRI.
(i) Calculate the total power radiated from Venus.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
(2)
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19
*P55454RA01928* Turn over
18 The isotope most widely used in medicine is technetium-99m.
(a) Technetium-99m is produced in a technetium generator containing molybdenum-99.
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Time taken = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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20
*P55454RA02028*
*(b) The isotope technetium-99m has a half-life of six hours and decays by emitting
gamma rays.
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21
*P55454RA02128* Turn over
19 More than a century ago the alpha particle was shown by Rutherford to be the same as a
nucleus of helium.
10 16
O
8 56
26
Fe 120
Sn
50
8 238
92
U
4
2
He
6
Average binding energy
per nucleon / MeV
4
3
2
He
2
2
1
H
0
0 50 100 150 200 250
. . . . . . . . . . . .................................................... ....................................... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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22
*P55454RA02228*
(b) When a nucleus forms, its mass is less than the total mass of its constituent nucleons.
This decrease in mass is known as the mass defect.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Use data from the graph to determine the mass defect in kg of a 42He nucleus.
(5)
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Mass defect = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . kg
(c) Some large unstable nuclei emit 42He nuclei to achieve stability.
Explain, using data from the graph, why a large unstable nucleus is more likely to
emit a 42He nucleus than a 32He nucleus.
(2)
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23
*P55454RA02328*
Please check the examination details below before entering your candidate information
Candidate surname Other names
Physics
Advanced
Unit 5: Physics from Creation to Collapse
Instructions
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• centrethe
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• Answer all questions.
• – there may
Answer the questions in the spaces provided
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Information
• The total mark for this paper is 80.
• The marks for each question are shown in brackets
– use this as a guide as to how much time to spend on each question.
• written
Questions labelled with an asterisk (*) are ones where the quality of your
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.
• The list of data, formulae and relationships is printed at the end of this booklet.
• Candidates may use a scientific calculator.
Advice
• Read each question carefully before you start to answer it.
• Try to answer every question.
• your answers if you have time at the end.
Check
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P54561A
©2019 Pearson Education Ltd.
1/1/1/1/1/
*P54561A0128*
SECTION A
Particle X is
A an alpha particle.
B an electron.
C a neutron.
D a positron.
3 Which of the following statements is a correct description of the binding energy of a nucleus?
DO NOT WRITE IN THIS AREA
A The energy released when the nucleus forms from individual nucleons. DO NOT WRITE IN THIS AREA
B The energy released when radiation is emitted from the nucleus.
C The energy required to overcome the force between nuclei.
D The energy required to remove a nucleon from the nucleus.
2
*P54561A0228*
4 Two simple harmonic oscillators have the same frequency.
The first has a mass of 0.50 kg and an amplitude of 30 cm. Its energy of oscillation is E0.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
A E0 /4
B E0 /2
C E0
D 2E0
A 70 s
B 210 s
C 350 s
D 420 s
6 Quasars are thought to be discs of matter moving around black holes. Light received
from all quasars shows large red shifts.
Which of the following can be concluded from this?
A Quasars are accelerating away from the Earth at a large rate.
B Quasars are accelerating towards the Earth at a large rate.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
3
*P54561A0328* Turn over
7 The gravitational field strength on the surface of Mars is g. The Moon has about the
same density as Mars but only half the radius.
8 The Hubble constant has been determined to be 2.2 × 10–18 s–1, although there is a large
uncertainty in this value. Astronomers have used this value to calculate the age of the universe.
Previous data gave a value for the Hubble constant of 2.0 × 10–18 s–1.
The age of the universe calculated from this value would be
A 20% smaller.
9 Cosmologists predict a number of alternatives for the future evolution of the universe.
Which of the following statements describes an open universe?
A The density of the universe equals the critical density.
B The universe eventually reaches a maximum size.
C The universe will keep on expanding forever.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
4
*P54561A0428*
10 A star has a surface temperature of 5700 K. The surface temperature increases to 6000 K
and the surface area stays constant.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
5
*P54561A0528* Turn over
SECTION B
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6
*P54561A0628*
12 Air can be considered to be an ideal gas.
(a) A sample of air is contained in a volume of 2.00 × 10–3 m3. The pressure of the air is
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Number of molecules = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) A fixed mass of air has an initial temperature of 12 qC. The internal energy of the
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air doubles.
Calculate the final temperature of the air.
(3)
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7
*P54561A0728* Turn over
13 A new hairdryer is advertised as being one of the fastest hairdryers available.
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(b) (i) Air enters the hairdryer at a temperature of 18 °C. The fan in the hairdryer blows
the air across the heater at a rate of 0.048 kg s–1.
Calculate the temperature of the air as it leaves the hairdryer.
specific heat capacity of air = 1.01 × 103 J kg–1 K–1
(2)
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DO NOT WRITE IN THIS AREA
(ii) State why the actual temperature of the air as it leaves the hairdryer will be less
than the value calculated in (b)(i).
(1)
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8
*P54561A0828*
14 A student investigated the relationship between the pressure exerted by a fixed mass of
air and its volume.
50 18.0 0.056
85 11.0
250 4.4
0
0
10
*P54561A01028*
(b) Boyle’s law states that, under certain conditions, the pressure exerted by a fixed mass
of gas is inversely proportional to the volume occupied by the gas.
DO NOT WRITE IN THIS AREA
Use your graph to explain whether the data in (a) supports Boyle’s law.
(2)
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11
*P54561A01128* Turn over
15 The water level in a harbour varies with simple harmonic motion.
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(b) The graph shows the variation in water level in a harbour on a particular day.
Water 9 m
level
8m
7m
12
*P54561A01228*
(i) Determine the amplitude and the time period of the variation in water level.
(2)
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Amplitude = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Time period = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) Show that the maximum rate of change of water level in the harbour is about 2 m hour–1.
(3)
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(iii) Add a curve to the graph to show the rate of change of water level in the harbour
over the 24-hour time period.
Use the middle of the grid as your time axis, no vertical scale is required.
(2)
13
*P54561A01328* Turn over
*16 The energy source for a main sequence star is the fusion of hydrogen to helium in the core.
Scientists have been unable to develop this process to produce a viable source of energy on Earth.
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14
*P54561A01428*
17 A student determined the count rate near a radioactive source. She used an americium
source, which is an alpha emitter.
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(b) The student measures the count for 2 minutes and divides this count by 120 to
determine the count rate.
Explain two modifications to the student’s method that would improve her value for
the count rate from the source.
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(4)
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15
*P54561A01528* Turn over
18 In 1967 Jocelyn Bell discovered the first radio pulsars while she was a research student at
the University of Cambridge. These astronomical objects emit pulses of radio waves at
regular intervals.
0 5 10 15
Time / s
(a) Use the graph to show that the frequency of pulsing of radio waves from the source is
between 0.7 Hz and 0.8 Hz.
(3)
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16
*P54561A01628*
(b) The pulsing frequency was thought to be too high to have been produced by anything
as large as a star like the Sun.
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Consider the Sun to be rotating with a frequency of 0.80 Hz about an axis through its
centre, as shown.
(i) Calculate the speed of a point on the Sun’s equator if it rotates at this frequency.
diameter of Sun = 1.4 × 109 m
(3)
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Speed = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) State why the Sun could not be rotating at this frequency.
(1)
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*P54561A01728* Turn over
19 The Hipparcos satellite was the first satellite used to determine accurately the position of stars.
Data for more than 100 000 stars was collected by Hipparcos using a parallax method.
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20
*P54561A02028*
(c) It was intended that Hipparcos would orbit the Earth, directly above the equator, with
a period of 24 hours.
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(ii) Calculate the height of the satellite above the equator when in this orbit.
mass of Earth = 6.0 × 1024 kg
radius of Earth = 6.4 × 106 m
(4)
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Height of satellite = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
21
*P54561A02128* Turn over
(d) A Hertzsprung-Russell diagram for a star cluster in our galaxy is shown.
The star cluster consists of main sequence stars and a group of red giant stars.
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*P54561A02228*
*(iii) Explain how this diagram shows that the star cluster is neither very young, nor
very old.
(4)
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*P54561A02328*