nivel superior prueba 2 past papers - year/2009...(c) la bola se para en 0,15 s. la...

8809-6526 28 páginas

N09/4/PHYSI/HP2/SPA/TZ0/XX+

Lunes 16 de noviembre de 2009 (tarde)

FísicaNiVEL sUPERiORPRUEBa 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 dos preguntas 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.

2 horas 15 minutos

Número de convocatoria del alumno

0 0

© International Baccalaureate organization 2009

8 8 0 9 6 5 2 6

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–2– N09/4/PHYSI/HP2/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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[1]

(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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A4. Estapreguntatratasobremicroondas.

(a) La radiación procedente de un transmisor demicroondas pasa a través de una únicarendijaestrecha.Sesitúaunreceptorvariosmetrosdetrásdelarendija.ElreceptorpuedemoverseentreelpuntoAyelpuntoB,alolargodeunarectaparalelaalarendija.

transmisor

únicarendijaestrecha A

0

B

receptor

(i) Sobrelosejesdemásabajo,esquematiceunagráficaquemuestralavariacióndelaintensidaddelaradiacióndemicroondasconladistanciaalolargodelalíneaAB.Sehacomenzadolagráficaparaqueustedlatermine. [3]

intensidad

0 distanciaalolargodeAB


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Véase al dorso



(ii) Sereducelaanchuradelarendijaestrecha.Indiqueyexpliquedosefectosqueellotendrásobreladistribucióndeintensidadquehayapresentadoen(a)(i).

Efecto: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Explicación: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Efecto: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Explicación: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(b) Se generan ondas estacionarias en un horno demicroondas. Sugiera por qué resultadeseablequelacomidaestégirandomientrassecocinaenunmicroondas.

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A5. Estapreguntatratasobrefuerzas.

Enunaobra,seutilizaunabolamacizadeacerodemasa770kg.Labolasesuspendedeunagrúaatravésdeuncable.Ladistanciaentreelpuntodesuspensiónyelcentrodemasasdelabolaesde12m.

(a) Calculelatensióndelcablecuandolabolacuelgaverticalyestacionaria.

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(b) Seseparalaboladelaverticalyentoncessesuelta.Labolacaedesdeunaalturade1,6mychocacontraunmuro.

grúa

1,6m

12m

muro

(i) Calculelarapidezdelabolajustoantesdelimpacto.

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(ii) Calculelatensióndelcablejustoantesdelimpacto.

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Véase al dorso



(c) Labolaseparaen0,15s.Lagráficaesquematizadamásabajomuestracómovaríaconeltiempolafuerzaquelabolaejercesobreelmuro.

Fmax

fuerza

00 tiempo

(i) Indiquequémagnitudesrepresentadaporeláreabajolagráfica.

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(ii) DeterminelafuerzamáximaFmaxejercidaporlabolasobreelmuro.

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SECCIÓN B

Esta sección consta de cuatro preguntas: B1, B2, B3 y B4. Conteste dos preguntas.

B1. Estapreguntatratasobrelageneracióndeenergíaeléctricayelcalentamientoglobal.

(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.

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

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(ii) Elritmoalquefluyeelaguaporla tuberíaesde400m3s–1. Calculelapotenciaproporcionadaporlacaídadelagua.

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Véase al dorso


(Pregunta B1: continuación)

(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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(c) Un generador de ca está conectado a la turbina utilizada en una central de bombeodeagua.Losdiagramasmuestrandosposicionesdeunaespiradelabobinadelgenerador.El campo magnético actúa horizontalmente en la dirección y sentido mostrados.Labobinagiraenelsentidodelasagujasdelreloj.

Posición 1

campomagnético

Posición 2campomagnético

(i) ConsiderandoelmovimientodeXY,expliqueporquélafeminducidaentreXeYtieneunvalormáximoenlaposición2.

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(ii) Enlaposición2,larapidezverticaldeXYesde160ms–1.Laintensidaddelcampomagnético es 0,015TyXY=1,5m. Determine la fem inducida entreX eY enesaposición.

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(iii) ElladoXYformapartedelabobinarectangulargeneradora,queconstade1500espirasconectadasenserie.CalculelafemtotalenlosextremosdelabobinaenelmomentoenqueXYsemueveverticalmentehaciaabajo,formandounángulode90conladireccióndelcampomagnético.

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Véase al dorso



(d) Laenergíaeléctricaproducidaenlacentralsetransmiteporcablesalconsumidor.

(i) Resumacómoseminimizanlaspérdidasdeenergíaenlatransmisión.

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(ii) Indiqueunaventajayuninconvenientequetengaelsistemadealmacenamiento-bombeoencomparaciónconunsistemadealmacenamientodeaguademareas.

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

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

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(e) 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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B2. Estapreguntatienedospartes.LaParte 1tratasobrefisiónyfusiónnucleares.LaParte 2tratasobredispositivosacopladosporcarga(CCD).

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


(Pregunta B2: parte 1 continuación)

(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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[1]

(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 Dispositivosacopladosporcarga(CCD)

(a) Indique la condiciónnecesariaparaquedospuntosdeuna imagen sean resueltosporunCCD.

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(b) LossiguientesdatoscorrespondenalCCDdeunacámara.

DimensionesdelCCD =24mm× 16mm Númerodepixeles =10,2× 106

(i) Cada píxel de un CCD es cuadrado y todos tienen las mismas dimensiones.Demuestrequelalongituddecadaladodeunpixelesaproximadamente6μm.

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(ii) Lospíxelestienenunrendimientocuánticodel80%yunacapacitanciade35pF.Losfotonesincidensobreunpixelarazónde1,6× 108s–1.Calculeladiferenciadepotencialatravésdeunpíxeldespuésde12ms.

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(iii) Usando lacámara, se sacauna fotografíadeunedificio lejano. ElaumentodelCCDes2,2× 10–6.Dosventanasdeledificioestánseparadas2,5m.DeterminesielCCDpuederesolverlasimágenesdelasdosventanas.

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(c) Entérminosdealmacenamientodedatos,indiquedosventajasdeusarunacámaradigital,encomparaciónconunacámaraanalógicaqueutilicepelícula.

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Véase al dorso


B3. Esta pregunta tiene dos partes. La Parte 1 trata sobre el movimiento armónico simple.LaParte 2tratasobretermodinámica.

Parte 1 Movimientoarmónicosimple

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

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

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

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(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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(ii) Sobrelossiguientesejes,esquematiceunagráficaparamostrarcómovaríaconeltiempoeldesplazamientodeunapuntadeldiapasón. [1]

desplazamiento

0 0 tiempo

(iii) Sobresugráfica,rotuleelperiodotemporalTylaamplituda. [2]


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(c) Lafrecuenciadeoscilacióndelaspuntases440Hzylaamplituddeoscilacióndecadapuntaes1,2mm.Determinelamáxima

(i) rapidezlinealdeunapunta.

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(ii) aceleracióndeunapunta.

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[2]

(d) El siguiente esquema gráfico muestra cómo varía la velocidad de una punta coneltiempo.

velocidad

0 0 tiempo

Sobredichosejes,esquematiceunagráficaparamostrarcómolaaceleracióndelapuntavaríaconeltiempo. [2]


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Véase al dorso



(e) Enlapráctica,elmovimientodelaspuntasdeldiapasónestáamortiguado.

(i) Describaquéentendemospormovimientoamortiguado.

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(ii) Sugieraunarazóndeporquéelmovimientodelaspuntasesamortiguado.

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Parte 2 Termodinámica

(a) Laprimeraleydelatermodinámicapuedeescribirsecomolasiguienteecuación.

Q U W= +∆

Identifiquelossímbolosdelaecuación. [3]

Q . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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∆U . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Véase al dorso



(b) Unamasafijadegasidealestáencerradaenuncilindroconunémbolo.Elrozamientoentreelémboloylasparedesdelcilindroesdespreciable.

Sobreelgassellevanacabodosacciones.Lacantidaddeenergíatérmicaproporcionadaalgaseslamismaenambasacciones.

Acción 1 Elgassecalientayseexpandeapresiónconstante,conelémbololibreparamoverse.Latemperaturaaumentaen21K.

Acción 2 Elgases,ahora,devueltoasuestadoinicialycalentado,denuevo,conlaposicióndelémbolofija.Latemperaturadelgasaumentaen35K.

(i) Indiqueelnombredelprocesoenlaacción2.

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(ii) Expliqueporquéelcambioenlatemperaturaesmayorenlaacción2queenlaacción1.

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(iii) Enlaacción1,∆U cambiaen+120J.Utilicelaprimeraleydelatermodinámicaparacalcularlosvaloresquefaltanenlasiguientetabla. [3]

∆U / J W / J Q / JAcción 1 +120 +200

Acción 2 +200

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B4. Estapreguntatienedospartes.LaParte 1tratasobrecircuitoseléctricos.LaParte 2tratasobreelectrones.

Parte 1 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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Parte 2 Electrones

(a) En1924,DavissonyGermer llevaronacabounexperimentoenelque loselectroneseran acelerados a través de una diferencia de potencial de 54V. Los electrones erandispersadosenlasuperficiedeuncristaldeníquel.

(i) Resumacómolosresultadosdelexperimentosugeríanqueloselectronesexhibíanpropiedadesondulatorias.

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(ii) CalculelalongituddeondadeDeBrogliedeloselectrones.

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(b) Explique cómo se utiliza la hipótesis de De Broglie en el modelo de “electrones enunacaja”,paracomprenderelorigendelosnivelesdeenergíaatómicaenelátomo.

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nivel superior prueba 2 past papers - year/2009...(c) la bola se para en 0,15 s. la...

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