Section A

Answer ALL questions.

These questions carry 40 marks in total.

Question 1

The diagram below shows the path of an object that has been projected into the air from P to Q.

Which of the arrows represents the resultant force on the ball when it is in position X?

A

B

C

D

A

B

C

D

Question 2

A 50 W lamp connected to 230 V main is replaced by a lamp which has half the resistance. The power of the new lamp is :-

A    200 W

B    75 W

C     25 W

D    100 W

Question 3

Which of the following demonstrates the particulate nature of light?

A    Double slit experiment

B    Photoelectric effect

C     Diffraction grating experiment

D    Polarisation of light

Question 4

Absolute zero is a temperature at which :-

A    Water freezes

B    The point at which liquids turn to solids

C    An Ideal gas will exert no pressure

D    Is -373.2 oC on the Celsius scale

Question 5

Which line, from A to D, gives the units of magnetic flux linkage and magnetic flux density?

[1]

[1]

A

B

C

D

A

B

C

D

Question 6

A capacitor is connected to a 12 V battery.

The charge on the capacitor is 50 m C.

The energy stored by the capacitor is :-

A    300 J

B    0.3 J

C     3.6 J

D    300 W

Question 7

A 50 turn square coil with side 0.07 m is placed in a magnetic field of flux density 0.40 T. The plane of the coil is at right angles to the field              The flux linkage with the coil is :-

A    0.098 Wb

B    0.98 Wb

C     1.4 Wb

D    0.14 Wb

[1]

[1]

Question 8

Planet A has eight times the mass of planet B but is twice as far away from the         [1]

star which they both orbit.

The ratio of gravitational force from the star on planet A compared to planet B is :-

A    2

B    4

C     8

D    0.5

Question 9

A 0.05 kg ball, attached to the end of a piece of string of length 0.55 m, travels          [1]

in circular motion with a speed of 2.5 m s-1 .

The tension in the string is :-

A     0.568 kg

B     0.227 N

C     0.227 kg

D     0.568 N

Question 10

A stationary wave at its fundamental frequency on a string has a wavelength of 1.0 m. The parts of the string positioned at 0.10 m and 0.20 m from a node

have the same :-

A    Displacement

B    Amplitude

C     Phase

D    Wavelength

Question 11

Two parallel plates are separated by a distance of 5.0 mm difference, as shown in the diagram below. One plate is at +500 V and the other plate is at 0 V.

(a)   Define electric field strength.

i      The force acting on the proton and state its direction.

[ 2 ]

[ 3 ]

ii.    The acceleration of the proton (you can ignore the effect of gravity).

iii.   The velocity of the proton when it reaches the bottom plate.

[ 2 ]

[ 2 ]

Question 12

(a)          Calculate the weight of a person of mass 75 kg if they are on the moon     [ 2 ]

where the gravitational field strength is 1.6 N kg-1 .

(b)          State one difference and one similarity between gravitational and              [ 2 ]

electric fields.

(c)   i.     Derive the equation which relates the time period of orbit and its                [ 2 ]

distance away from the centre of the Earth which leads to Kepler’s 3rd law:

T2  = 4 π2 r3 / (G M)

ii.    A geostationary satellite orbits the Earth above the equator with a period of 24 hours.

If the mass of the Earth is 6.0 x 1024  kg and the radius of the Earth is 6400 km, determine the height of the satellite above the Earth’s        surface.

Question 13

The circuit shown is used to produce a current-voltage graph for a 12 V, 24 W bulb.

(a)          Show on a copy of the diagram, the correct positions for a voltmeter

and an ammeter.

(b)   i.     Calculate the resistance of the bulb when it is operating normally.

ii.    Calculate the value of R which would enable the voltage across the bulb to be varied between 0 and 12 V.

[ 2 ]

[ 2 ] [ 6 ]

Section B

Answer 3 questions. This section carries 60 marks. Question 14

An isotope of carbon is shown below.

16(4)C

(a)

(b)

(c)

(d)

Define the term isotope.

State one quantity conserved in a nuclear decay.

Calculate the energy released in joules, in the following nuclear reaction.

3(6)Li +1(2)H → 2(4)He +2(4)He

The masses of the nuclei are as follows :-

Mass of 3(6)Li is 6.014 u

Mass of 1(2)H is 2.102 u

Mass of 2(4)He is 4.002 u

Calculate the binding energy and binding energy per nucleon of carbon- 14.

Give your answer in MeV.

[ 2 ]

[ 1 ] [ 3 ]

[ 6 ]

The mass of carbon 14 nucleus is 14.003242 u

The rest mass of a proton is 1.007276 u

The rest mass of a neutron is 1.008665 u

(Use all of these significant figures in your initial calculations)

(e)            A sample containing cobalt-60 has an initial activity of 4.34 G Bq.

Cobalt-60 has a decay constant of 4.167 x 10-9 s-1 .

Calculate :-

ii.     The number of radioactive atoms in the sample.                                           [ 2 ]

iii.    The mass of radioactive Co-60 in the sample.                                               [ 2 ]

iv.    The activity after 10 years.                                                                             [ 2 ]

Question 15

A photocell cathode is made of a metal with a work function of 2.8 eV.

Light of wavelength 430 nm shines on the cathode.

(a)

(b)

(c)

State and explain, using appropriate calculations, whether the electrons will be emitted from the cathode or not.

An electron is accelerated between two plates with a potential difference of 4 kV.

Determine the de Broglie wavelength of the electron.

The diagram below shows some of the energy levels of the mercury

atom.

[ 5 ]

[ 6 ]

i.     Calculate the ionisation energy, in J, for an electron in the - 10.4 eV level.

ii.    An electron has been excited to the -3.7 eV level.

Copy the diagram and show all the possible ways it can return to the - 10.4 eV level.

iii.   Which change in energy levels will give rise to a yellowish line (λ ≈ 600 nm) in the mercury spectrum?

[ 2 ] [ 3 ]

[ 4 ]

Question 16

(a)   State the difference between a scalar and a vector and give one example of          [ 2 ]

each.

(b)   A cyclist accelerated uniformly from rest with an acceleration of 1.2 m s-2 for

5.0 s. The cyclist then continues at a constant velocity for 10.0 s before stopping pedalling and then decelerating uniformly to rest over a further 30 m.

i.     Sketch a velocity time graph for the cyclist’s journey. Show full working      [ 4 ] out for the relevant velocities and times to be shown on your graph.

ii.    Determine the distance travelled by the cyclist.                                             [ 2 ]

iii.   Describe, without calculation, the resultant force acting on the cyclist in      [ 2 ] the first 15 s.

A paintball gun fires a paintball horizontally at a target which is 50 m away. The initial horizontal velocity of the paintball is 75 m s- 1 .

Air resistance can be ignored.

i      Determine how far the paint ball has dropped by the time it reaches the

target.

ii     Determine the angle between the paintball’s direction and the

horizontal when it hits the target.

[ 3 ]

[ 3 ]

iii.   The gun has a mass of 3.4 kg and the paintball has a mass of

3.5 x 10-3  kg. Determine the recoil velocity of the gun.

iv.   Calculate the initial kinetic energy of the paintball.

[ 2 ]

[ 2 ]

Question 17

(a)     A thin cylindrical metal wire with a length of 3.5 m and a radius of 0.36 mm

was stretched by applying a force to one end. The opposite end was fixed to the ceiling and allowed to hang vertically.

When 40 N was applied, the metal extended by 3.5 cm.

i.     Calculate the spring constant of the wire.

ii.    Calculate the stress in the wire.

iii.   Calculate the strain of the wire.

iv.   Calculate the Young’s modulus of the wire.

v.    Calculate the density of the metal, if the mass of the wire is 0.0127 kg.

Helium gas is contained in a cylinder and is used to fill up balloons. The volume of the cylinder is 4.50 x 10-2  m3 , the pressure inside the cylinder is 3.00 x 107  Pa and the temperature is 293 K.

[ 2 ] [ 2 ] [ 2 ] [ 2 ] [ 2 ]

i.     Determine the number of molecules of helium in the cylinder. You can        [ 3 ] assume that helium behaves as an ideal gas.

ii.    The pressure inside each balloon is 1.60 x 105  Pa.                                       [ 3 ] Calculate the number of balloons that can be filled from the gas in the

cylinder. The volume of each balloon is 6.50 x 10-3  m3 when the temperature inside them is 293 K.

iii.   Calculate the mass of helium inside each balloon. The molar mass of         [ 2 ] helium is 4 g mol-1 .

iv.   A different ideal gas is heated in a flexible container with an initial               [ 2 ]

volume of 5.40 x 10-3  m3 and an initial temperature of 300 K. The   temperature increases by 150 oC. Calculate the new volume of the gas. You can assume that the pressure stays the same.

Question 18

(a)   A train is travelling at 24 m s- 1 on a curved track. The curve of the track

is an arc of a circle of radius 150 m.

i.      Calculate the acceleration of the train and state its direction .               [ 3 ]

ii.    The train has a mass of 42 000 kg. Calculate the centripetal force        [ 2 ] acting on it.

(b)           Later in the journey, the train is moving on a straight track at 2 m s-1 in

preparation for coupling with a stationary carriage. The carriage has a mass of 30 000 kg.

When the train collides with the carriage, the two join together and move off in the same direction.

i.      Calculate the initial momentum of the train.

ii.     Calculate the speed of the joined train and carriage after the coupling.

[ 2 ]

[ 3 ]

(c)          A metal ball hangs from a long thread and acts as a pendulum when

moved. The ball is pulled to one side from its rest position by 0.050 m and released.

The ball performs simple harmonic motion with a period of 2.20 s.

ii.     Calculate the maximum acceleration of the ball.                                         [ 2 ]

iii.   Calculate the displacement of the ball after 3.05 s. The equation for an     [ 2 ]

object released from its amplitude and left to swing is x = Acos(仙t).

Part (d) is on the next page.