INSTruccIoNeS PArA LoS ALumNoS PAST PAPERS - YEAR/2009... · 2019-09-22 · La ecuación del...
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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
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0 1 2 2
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SECCIÓN A
Conteste todas las preguntas utilizando los espacios provistos.
A1. Preguntasobreanálisisdedatos.
Utilizandoelaparatoquesemuestra,sehamedidolafrecuenciafdelavibraciónfundamentaldelasondasestacionariasenunacuerdadelongitudfija,paradiferentesvaloresdelatensiónTenlacuerda.
generadordeseñal
L polea
masa
vibrador cuerda
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Véase al dorso
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(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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(Pregunta A1: continuación)
(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
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(Pregunta A1: continuación)
(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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[1]
(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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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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(Pregunta B1: parte 1 continuación)
(i) Demuestrequelaenergíamáximaquelacaídadelaguapuedeproporcionaralaturbinaes,aproximadamente,8× 1012J.
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(ii) Elritmoalquefluyeelaguaporla tuberíaesde400m3s–1. Calculelapotenciaproporcionadaporlacaídadelagua.
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(Pregunta B1: parte 1 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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(Pregunta B1: parte 1 continuación)
(c) Laenergíaeléctricaproducidaenlacentralsetransmiteporcablesalconsumidor.
(i) Resumacómoseminimizanlaspérdidasdeenergíaenlatransmisión.
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(ii) Indiqueunaventajayuninconvenientequetengaelsistemadealmacenamiento-bombeoencomparaciónconunsistemadealmacenamientodeaguademareas.
Ventaja: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Inconveniente: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–12– N09/4/PHYSI/SP2/SPA/TZ0/XX+
(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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(ii) Sobreeldiagrama,dibujeflechasrotuladaspararepresentarlasfuerzasverticalesqueactúansobrelabicicleta. [2]
(iii) Haciendo referencia a las fuerzas horizontales que actúan sobre el sistema,expliqueporquéelsistemaestámoviéndoseconvelocidadconstante.
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Véase al dorso
N09/4/PHYSI/SP2/SPA/TZ0/XX+
(Pregunta B1: parte 2 continuación)
(b) Laresultantedelasfuerzasderesistenciaqueactúansobreelsistemaes40Nylarapidezdelsistemaes8,0ms–1.Calculelapotenciaútildesarrolladaporelciclista.
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(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]
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(Pregunta B2: parte 1 continuación)
(c) Lafrecuenciadeoscilacióndelaspuntases440Hzylaamplituddeoscilacióndecadapuntaes1,2mm.Determinelamáxima
(i) rapidezlinealdeunapunta.
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(ii) aceleracióndeunapunta.
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(Pregunta B2: continuación)
Parte 2 Circuitoseléctricos
LoscomponentesmostradosacontinuaciónsevanaconectarauncircuitoparainvestigarcómovaríalacorrienteIenunabombilladefilamentodewolframio,conladiferenciadepotencialVasutravés.
(a) Construya un diagrama de circuito para mostrar cómo deben conectarse juntos loscomponentesconobjetodeobtenerunrangodevaloreslomásamplioposibleparaladiferenciadepotencialatravésdelabombilla. [4]
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(Pregunta B2: parte 2 continuación)
(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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(Pregunta B3: 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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(Pregunta B3: parte 1 continuación)
(c) Seestádedicandounintensoesfuerzocientíficoparadesarrollarlafusiónnuclearcomounafuturafuentedeenergía.Discutacuálespodríanserlosbeneficiossocialesyparaelmedioambientequesederivaríandelusodelafusiónnuclear,encomparaciónconlafisiónnuclearcomofuentedeenergía.
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(Pregunta B3: continuación)
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.
1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Pregunta B3: parte 2 continuación)
(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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[2]
2 2 2 2