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8809-6529 22 páginas

N09/4/PHYSI/SP2/SPA/TZ0/XX+

Lunes 16 de noviembre de 2009 (tarde)

físicaNivel medioPrueba 2

INSTruccIoNeS PArA LoS ALumNoS

• escriba su número de convocatoria en las casillas de arriba.• No abra esta prueba hasta que se lo autoricen.• Sección A: conteste toda la sección A en los espacios provistos.• Sección B: conteste una pregunta de la sección B en los espacios provistos.• cuando termine el examen, indique en las casillas correspondientes de la portada de su

examen los números de las preguntas que ha contestado.

1 hora 15 minutos

Número de convocatoria del alumno

0 0

© International Baccalaureate organization 2009

8 8 0 9 6 5 2 9

0 1 2 2

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–2– N09/4/PHYSI/SP2/SPA/TZ0/XX+

SECCIÓN A

Conteste todas las preguntas utilizando los espacios provistos.

A1. Preguntasobreanálisisdedatos.

Utilizandoelaparatoquesemuestra,sehamedidolafrecuenciafdelavibraciónfundamentaldelasondasestacionariasenunacuerdadelongitudfija,paradiferentesvaloresdelatensiónTenlacuerda.

generadordeseñal

L polea

masa

vibrador cuerda

(Esta pregunta continúa en la siguiente página)

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Véase al dorso


(Pregunta A1: continuación)

ConobjetodedeterminarlarelaciónexistenteentrelarapidezvdelaondaylatensiónTdelacuerda,larapidezvsehacalculadoapartirdelarelación

v = 2 f L dondeLeslalongituddelacuerda.

Lospuntosdatoserepresentanenelsistemadeejesquesigueacontinuación.Laincertidumbreenvesde±5ms–1ylaincertidumbreenTesdespreciable.

v/ms–1

60

50

40

30

20

10

0 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

T/N

(a) Dibujelasbarrasdeerrorsobreelprimeroyelúltimodelospuntosdato,paramostrarlaincertidumbreenlarapidezv. [1]

(b) La hipótesis inicial es que la rapidez es directamente proporcional a la tensión T.Expliqueporquélosdatosnoapoyanestahipótesis.

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(c) Sesugierequelarelaciónentrelarapidezylatensiónesdelaforma

v k T=

dondekesunaconstante.

Para comprobar si los datos apoyan esta relación, se traza la gráficadev2 frente aT, comosemuestradebajo.

v2/×103m2s–2

3,0

2,5

2,0

1,5

1,0

0,5

0 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

T/N

La línea de ajuste óptimo mostrada toma en cuenta la incertidumbre para cadapuntodato. Laincertidumbredev2paraT =3,5Nsemuestracomounabarradeerrorsobrelagráfica.

(i) Indiqueelvalordelaincertidumbreenv2paraT =3,5N.

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(ii) ParaT =1,0Nlarapidezesv = 27±5ms–1.Calculelaincertidumbreenv2.

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Véase al dorso



(d) Utiliceelgráficode(c)paradeterminarksinsuincertidumbre.

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A2. Estapreguntatratasobrelatransmisióndeenergíatérmica.

(a) Semantieneuntrozodecobresobreunallamahastaquealcanzaelequilibriotérmico.Eltiempoquetardaenalcanzarelequilibriotérmicodependerádelacapacidadtérmicadeltrozodecobre.

(i) Definacapacidad térmica.

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(ii) Resumaloqueseentiendeporequilibriotérmicoenestecontexto.

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(b) El trozo de cobre se traslada rápidamente a un vaso de plástico que contiene agua.Lacapacidadtérmicadelvasoesdespreciable.Sedisponedelossiguientesdatos.

Masadecobre = 0,12kg Masadeagua = 0,45kg Aumentoenlatemperaturadelagua = 30K Temperaturafinaldelcobre = 308K Calorespecíficodelcobre = 390JkgK–1

Calorespecíficodelagua = 4200JkgK–1

(i) Utiliceestosdatosparacalcularlatemperaturadelallama.

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(ii) Expliquesilomásprobableesquelatemperaturadelallamaseamayoromenorquesurespuestaa(b)(i).

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Véase al dorso


A3. Estapreguntatratasobreloscamposgravitatorioyeléctrico.

(a) Laecuacióndelmódulodelaintensidaddelcampogravitatoriodebidoaunamasapuntualpuedeescribirsecomo,

Y KXs

= 2 .

Laecuacióndelmódulodelaintensidaddelcampoeléctricopuedeescribirse,también,delamismaforma.

Identifiqueenlatablalossímbolosutilizadosenlaecuación. [4]

Símbolo Campo gravitatorio magnitud Campo eléctrico magnitudY

K

X

s

(b) ElmódulodelafuerzaelectrostáticaentreelprotónyelelectrónenelátomodehidrógenoesFE.ElmódulodelafuerzagravitatoriaentreellosesFG.

DeterminelarazónFF

E

G

.

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SECCIÓN B

Esta sección consta de tres preguntas: B1, B2 y B3. Conteste una pregunta.

B1. Estapreguntatienedospartes.LaParte 1tratasobreunacentraleléctricadealmacenamiento-bombeo.LaParte 2tratasobrefuerzasyenergías.

Parte 1 Centraleléctricadealmacenamiento-bombeo

(a) El diagrama, que no está a escala, muestra una central de almacenamiento-bombeoutilizadaparalageneracióndeenergíaeléctrica.

310m

depósito

tubería

turbina

lago

El agua almacenada en el depósito puede caer hacia el lago a través de una tubería,pasandoporunaturbina.Laturbinaestáconectadaaungeneradoreléctrico.Elsistemageneradordecaporalmacenamiento-bombeoesreversible,demodoqueelaguapuedeserbombeadadesdeellagohastaeldepósito.

El depósito tiene 50m de profundidad y presenta un área uniforme de 5,0× 104m2.Laalturadesdeelfondodeldepósitohastalaturbinaesde310m.Ladensidaddelaguaes1,0× 103kgm–3.


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Véase al dorso


(Pregunta B1: parte 1 continuación)

(i) Demuestrequelaenergíamáximaquelacaídadelaguapuedeproporcionaralaturbinaes,aproximadamente,8× 1012J.

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(ii) Elritmoalquefluyeelaguaporla tuberíaesde400m3s–1. Calculelapotenciaproporcionadaporlacaídadelagua.

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(b) Lasiguientetablamuestralaspérdidasdeenergíaenlacentraleléctrica.

Origen de las pérdidas de energía Porcentaje de pérdida de energíarozamientoyturbulenciadelaguaenlatubería 27

rozamientoenlaturbinayenelgeneradordeca 15

pérdidasporcalentamientoeléctrico 5

(i) Calculeelrendimientoglobaldelaconversióndelaenergíapotencialgravitatoriadelaguadeldepósitoenenergíaeléctrica.

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(ii) EsquematiceundiagramadeSankeyquerepresentelaconversióndeenergíaenlacentraleléctrica. [2]


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Véase al dorso



(c) Laenergíaeléctricaproducidaenlacentralsetransmiteporcablesalconsumidor.

(i) Resumacómoseminimizanlaspérdidasdeenergíaenlatransmisión.

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(ii) Indiqueunaventajayuninconvenientequetengaelsistemadealmacenamiento-bombeoencomparaciónconunsistemadealmacenamientodeaguademareas.

Ventaja: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Inconveniente: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(Pregunta B1: continuación)

Parte 2 Fuerzayenergías

(a) Consideremos un sistema consistente en una bicicleta y un ciclista moviéndose convelocidadconstantealolargodeunacarreterahorizontal.

(i) Indiqueelvalordelafuerzanetaqueactúasobreelciclista.

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[1]

(ii) Sobreeldiagrama,dibujeflechasrotuladaspararepresentarlasfuerzasverticalesqueactúansobrelabicicleta. [2]

(iii) Haciendo referencia a las fuerzas horizontales que actúan sobre el sistema,expliqueporquéelsistemaestámoviéndoseconvelocidadconstante.

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Véase al dorso



(b) Laresultantedelasfuerzasderesistenciaqueactúansobreelsistemaes40Nylarapidezdelsistemaes8,0ms–1.Calculelapotenciaútildesarrolladaporelciclista.

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[1]

(c) Elciclistadejadepedalearyelsistema llegaal reposo. Lamasa totaldelsistemaesde70kg.

(i) Calculeelmódulodelaaceleracióninicialdelsistema.

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(ii) Estimeladistanciaquerecorreelsistemahastallegaralreposo,desdeelmomentoenqueelciclistadejadepedalear.

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(iii) Indique y explique una razón por la que su respuesta a (c)(ii) es solamenteunaestimación.

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B2. Esta pregunta tiene dos partes. La Parte 1 trata sobre el movimiento armónico simple.LaParte 2tratasobrecircuitoseléctricos.

Parte 1 Movimientoarmónicosimple

(a) Haciendo referencia a la aceleración, indiquedos condiciones necesarias para queunsistemadescribaunmovimientoarmónicosimple.

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

[2]

(b) Se hace sonar un diapasón y se acepta que cada punta vibra con un movimientoarmónicosimple.

d

Las posiciones extremas de cada punta del diapasón se encuentran separadas unadistanciad.

(i) Indiquelaamplituddelavibraciónenfunciónded.

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[1]

(ii) Sobrelossiguientesejes,esquematiceunagráficaparamostrarcómovaríaconeltiempoeldesplazamientodeunapuntadeldiapasón. [1]

desplazamiento

0 0 tiempo

(iii) Sobresugráfica,rotuleelperiodotemporalTylaamplituda. [2]


1 4 2 2

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Véase al dorso



(c) Lafrecuenciadeoscilacióndelaspuntases440Hzylaamplituddeoscilacióndecadapuntaes1,2mm.Determinelamáxima

(i) rapidezlinealdeunapunta.

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(ii) aceleracióndeunapunta.

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Parte 2 Circuitoseléctricos

LoscomponentesmostradosacontinuaciónsevanaconectarauncircuitoparainvestigarcómovaríalacorrienteIenunabombilladefilamentodewolframio,conladiferenciadepotencialVasutravés.

(a) Construya un diagrama de circuito para mostrar cómo deben conectarse juntos loscomponentesconobjetodeobtenerunrangodevaloreslomásamplioposibleparaladiferenciadepotencialatravésdelabombilla. [4]


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Véase al dorso



(b) Sobrelosejes,esquematiceunagráficadeIfrenteaVparaunabombilladefilamentoenelrangodesdeV=0hastasuvoltajenormaldefuncionamiento. [2]

I

0 0 V

(c) Labombillaestámarcadaconlossímbolos“1,25V,300mW”.Calculelacorrienteenelfilamentocuandoestáfuncionandonormalmente.

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(d) Laresistividaddelwolframioalatemperaturadefuncionamientonormaldelabombillaes7 4 10 7. × − Ωm.Lalongitudtotaldelfilamentodewolframioes0,80m.Estimeelradiodelfilamento.

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(e) La pila se conecta a dos bombillas idénticas conectadas en paralelo. Las bombillasseconsiderande1,25V,300mW.Lapilatieneunafemde1,5Vyunaresistenciainternade1,2Ω.Determinesilasbombillasluciránnormalmente.

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B3. Estapreguntatienedospartes.LaParte 1tratasobrefisiónyfusiónnucleares.LaParte 2tratasobreelcalentamientoglobal.

Parte 1 Fisiónyfusiónnucleares

(a) Lagráficamuestralavariacióndelaenergíadeenlacepornucleón,paranúclidosconunnúmerodenucleonesmayorque40.

energíadeenlacepornucleón/

MeV

9,5

9,0

8,5

8,0

7,5

7,0 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

númerodenucleones

(i) Definaenergía de enlace.

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(ii) Sobrelagráfica,rotuleconlaletraSlaposicióndelnúclidomásestable. [1]

(iii) Indiqueporquéelnúclidoqueharotuladoeselmásestable.

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Véase al dorso



(b) En un reactor nuclear, un núcleo de uranio(U)-235 se fisiona en bario(Ba)-141 ykriptón(Kr)-92.Laecuaciónparaestafisiónes

92235

56141

3692

01U Ba Kr n→ + + x .

(i) Utilicelagráficaparademostrarquelafisióndeunnúcleodeuranio-235liberaráaproximadamente200MeVdeenergía.

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(ii) Indiqueelvalordexenlaecuación.

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(iii) Eldefectodemasaenestareacciónes3,1× 10–28kg.Calculeelnúmerodenúcleosdeuranio-235quedebenfisionarseparaqueselibere1,0kJdeenergía.

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(iv) Resumacómoestareaccióndefisiónpuedeconduciraunareacciónencadena.

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(c) Seestádedicandounintensoesfuerzocientíficoparadesarrollarlafusiónnuclearcomounafuturafuentedeenergía.Discutacuálespodríanserlosbeneficiossocialesyparaelmedioambientequesederivaríandelusodelafusiónnuclear,encomparaciónconlafisiónnuclearcomofuentedeenergía.

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Véase al dorso



Parte 2 Calentamientoglobal

(a) Una causa sugerida a menudo para el calentamiento global es el efecto invernaderointensificado.

(i) Indiquequéentendemosporefectoinvernaderointensificado.

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(ii) Indiqueotrasdosposiblescausasdelcalentamientoglobal.

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(b) Unodelosefectosdelcalentamientoglobaleslafusióndelaplacadehieloantártica.SedisponedelossiguientesdatossobrelaplacadehieloantárticaysobrelosocéanosdelaTierra.

Áreadelaplacadehielo = 1,4×107km2

Espesormediodelhielo = 1,5×103m Densidaddelhielo = 920kgm–3

Densidaddelagua = 1000kgm–3

ÁreadelosocéanosdelaTierra = 3,8×108km2

Usandodichosdatos,determine

(i) lamasadehieloantártico.

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(ii) elcambioenelnivelmediodelmar,sitodalaplacadehieloantárticosefundierayfluyerahacialosocéanos.

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(c) Resumaladiferencia,silahay,queproduciríalafusióndelacapadehielooceánicasobreelnivelmediodelmardelaTierra.

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