Międzynarodowa Matura z Fizyki. Ciąg dalszy.
W poprzednim numerze MF przedstawiłem ogólne zasady na jakich opiera się IB czyli M- narodowa Matura. Tam też znajdą Państwo Pierwszy Egzamin z fizyki na poziomie standardowym. Egzamin z przedmiotów przyrodniczych składa się z trzech części i można go zdawać na jednym z dwóch poziomów: standardowym (SL) i wyższym (HL). W sumie na każdą sesję biuro w Cardiff przygotowuje 6 książeczek (np. Część 3 zawiera 30 stron!). Biuro IB obsługujące cały świat, przygotowuje 3 wersje egzaminu dla różnych stref czasowych różne i jeszcze do tego 2 razy w roku, bo maturę na południowej półkuli zdaje się w listopadzie.
Część pierwsza - test wyboru - (30 zadań na 45min dla SL, 40 zadań na 60 min dla HL) obejmuje materiał podstawowy, uczeń powinien odpowiedzieć bez korzystania z listy wzorów i umieć rozwiązać zadania bez pomocy kalkulatora.
Część druga - zadania problemowe i rachunkowe - ( 75min SL, 135 min HL) obejmuje część materiału, który wszyscy wybierający dany poziom powinni "przerabiać" z nauczycielem. Tu już - jak i w części trzeciej - można korzystać ze wzorów i z kalkulatora. Na każdym stole jest wyłożona książeczka zawierająca 16 stałych fizycznych, podstawowe elementy trygonometrii, symbole stosowane w obwodach elektrycznych oraz wszystkie potrzebne (i nie potrzebne) wzory i definicje posegregowane działami.
Część trzecia podobna w stylu do części drugiej (60 min SL, 75 min HL) ale dotyczy dwóch tematów wybranych przez uczniów. Każdy powinien przejść "specjalizację" czyli rozszerzony kurs w dwóch z ośmiu (dla SL) lub z pięciu (dla HL) wybranych dziedzinach takich jak np. astrofizyka czy fizyka w biologii czy historia fizyki.. W następnych numerach MF będziemy umieszczali kolejne przykłady konkretnych egzaminów na obu poziomach.
W jednym z jesiennych numerów MF przedstawimy szczegółowy program fizyki IB. Wcześniej pokażę jak wygląda wzorzec rozwiązań, który otrzymują egzaminatorzy i którym zobowiązani są kierować się oceniając prace maturalne.
Mam nadzieję, że nauczyciele skorzystają z tych materiałów i pozwolą swoim uczniom choćby tylko "na niby" wziąć udział w egzaminie, nad którym męczyli się ich rówieśnicy z wielu krajów w wielu szkołach. Nie muszę rozwodzić się nad tematem oczywistym: dokładne przestudiowanie zestawów zadań daje wyobrażenie o programie i o faworyzowanym przez IB podejściu do nauczania fizyki.
Nauczyciel w szkole międzynarodowej mający dostęp do programu i zestawów zadań z poprzednich lat dobiera sobie podręczniki wg własnego uznania. Ostatnio pojawiły się podręczniki przeznaczone dla IB ale jak wiem, nauczycielom nie bardzo przypadły one do gustu i nadal korzystają z niezawodnych "encyklopedii" typu Resnick - Halliday, Sears - Zemansky, W. Bolton czy nawet takie skrajności jak Feynman lub Hewitt (USA) czy też z angielskiego dwutomowego bardzo dobrego podręcznika Duncan'a, czyli z podręczników, których autorzy nie mogli znać programu IB.
Uwaga: w nawiasach kwadratowych obok zadania podana jest maksymalna ilość punktów jakie egzaminator może przyznać za tą cząstkę odpowiedzi.
Fizyka 2 Poziom Podstawowy (Paper 2 SL)Data ....
1 godzina i 15 minut Instrukcja dla kandydatów: - nie otwieraj zeszytu z pytaniami zanim nie będzie na to pozwoleniaCzęść A
Kandydaci muszą odpowiedzieć na wszystkie pytania w miejscach do odpowiedzi przeznaczonych
A1. Zaproponowano uczniom przeprowadzenie doświadczenia w celu dokonania pomiaru ciepła parowania wody. Uczniowie skompletowali układ pokazany na rysunku:
Włączono napięcie i starano się utrzymać stałość prądu za pomocą zmiennego oporu. Odnotowywano odczyty amperomierza i woltomierza. Kiedy woda zaczęła równomiernie wrzeć włączono stoper i dokonano równoczesnego odczytu wskazań wagi. Po dwustu sekundach odczytano ponownie wskazania wagi, po czym następnego odczytu dokonano po kolejnych 200 sekundach.
Policzono zmiany ciężaru naczynia z wodą dla obu 200 sekundowych przedziałów czasu i policzono średnią tych obu pomiarów. Moc grzejnika określono przez pomnożenie wskazań amperomierza i woltomierza.
(a) Zasugeruj, jak uczniowie mieli wiedzieć, że woda gotuje się równomiernie? [1]
.......................................................................................................................................... ...........................................................................................................................................(b) Wyjaśnij dlaczego zdecydowano się na wykonanie dwóch pomiarów po 200 sekund każdy a nie jednego pomiaru po 400 sekundach? [2]
............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. ..............................................................................................................................................Uczniowie powtórzyli doświadczenie dla różnych mocy pobieranych przez grzejnik. Poniżej przedstawiono wykres zależności między mocą grzejnika i utratą (różnicą) masy wody dla 200 sekundowych pomiarów. (nie pokazano tu niepewności pomiarowych)
(c) (i) Na podanym wykresie narysuj przebieg najlepszego dopasowania [1]
(ii) Wylicz nachylenie narysowanej przez ciebie linii [3] ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................
Aby określić wartość utajonego ciepła parowania L uczniowie skorzystali z równania
P = mL
Gdzie P oznaczało moc grzejnika a m.- masę wody jaka wyparowywała w czasie sekundy(d) Skorzystaj z odpowiedzi na pytanie dotyczące gradientu twojej prostej i policz ile wynosi utajone ciepło parowania wody [3]
............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................(e) Z teoretycznych podstaw tego doświadczenia wynika, że linia na wykresie powinna przechodzić przez początek układu. Wyjaśnij pokrótce dlaczego prosta nie przechodzi przez początek układu. [2]
A2. Sztuczny satelita obiega Ziemię ze stałą szybkością co pokazano na rysunku
(a) na tym rysunku zaznacz:
(i) strzałką oznaczoną F kierunek siły grawitacyjnej z jaką ziemia działa na satelitę
(ii) strzałką oznaczoną V kierunek prędkości satelity [2]
(b) Mimo, że szybkość satelity jest stała to jednak satelita przyspiesza. Wyjaśnij dlaczego przyspiesza [2]
............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................(c) Przedyskutuj czy siła grawitacji wykonuje pracę nad satelitą [3]
.............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. ...............................................................................................................................................A3 (a) Wyjaśnij co rozumiemy pod określeniem gaz doskonały
.............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. ..............................................................................................................................................Objętość wewnątrz cylindra wynosi 2.0x10-2 m3. Napompowano do cylindra gaz doskonały tak by otrzymać ciśnienie 20 Mpa przy temperaturze 17oC.
Oblicz
(i) ilość moli gazu w cylindrze [2]
(ii) ilość atomów gazu w cylindrze [2]
................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................Część B
Ta część składa się z trzech tematów: B 1, B 2, i B 3. Odpowiedz tylko na jeden temat
B 1 To pytanie dotyczy fal i ich właściwości
(a) Mając na myśli fale rozróżnij między promieniem a czołem fali, [3]
Rysunek poniżej przedstawia trzy czoła fal zmierzających ku granicy ośrodków I i R. Czoło fali CD przedstawiono w obu ośrodkach. Czoło fali EF jest nie kompletne.
(b) (i) Na rysunku powyżej dorysuj linię tak, by uzupełnić czoło fali EF [1]
(ii) Wyjaśnij: w którym ośrodku w I czy w R fala posiada większą szybkość? [3] ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................(iii) Dokonując odpowiednich pomiarów na powyższym rysunku określ stosunek szybkości fali przechodzącej z ośrodka I do ośrodka R. [2]
................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................Wykres poniżej przedstawia zmiany prędkości v w czasie t dla jednej cząsteczki ośrodka przez który przebiega fala.
(c) (i) Wyjaśnij jak można wydedukować z wykresu, że cząsteczka wykonuje ruch drgający. [2]
................................................................................................................................................. ................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................(ii) Policz jaka jest częstotliwość tych drgań [2]
................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................(iii) Zaznacz na wykresie literą M jeden z momentów w którym cząstka jest najdalej od normalnego położenia [1]
(iv) Oszacuj wielkość pola między krzywą a osią x w przedziale czasowym od t = 0 do t = 1,5 s [2]
................................................................................................................................................... ...................................................................................................................................................(v) Zasugeruj co przedstawia (reprezentuje) policzone w części (iv) pole [1]
....................................................................................................................................................(d) Biorąc pod uwagę przekaz energii i amplitudę drgań cząsteczek w ośrodku w którym obserwujemy ruch falowy, pokaż różnicę między falą bieżącą a falą stojącą [4]
Przekaz energii .................................................................................................................................. ................................................................................................................................. Amplituda ................................................................................................................................ ................................................................................................................................Odległość między końcowymi punktami wynosi 120 cm.
(e) (i) Zaznacz na rysunku odległość odpowiadającą długości fali stojącej [1] (iii) Częstotliwość drgań struny wynosi 250 Hz. Określ szybkość fali wzdłuż struny. [3] .................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................. ..................................................................................................................................................B 2 Ten temat dotyczy sił działających na naładowaną cząstkę w polu elektrycznym i magnetycznym.
Rysunek przedstawia dwie równoległe płytki umieszczone w próżni. Jedna płytka jest na dodatnim potencjale względem drugiejDodatnio naładowana cząstka wpada w obszar między płytkami. Na początku porusza się równolegle do płaszczyzn płytek.
(a) Na rysunku (i) narysuj linie przedstawiające pole elektryczne między płytkami [3] (ii) narysuj tor cząsteczki gdy jest ona między płytkami i po opuszczeniu obszaru płytek [2] (b) Elektron - początkowo w spoczynku - jest przyspieszany w próżni w obszarze różnicy potencjałów 750 V. (i) Policz zmianę energii potencjalnej elektronu [2] ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ (ii) Wykaż, że końcowa szybkość elektronu wynosi 1,6 x 107 m/s [2] ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................Rysunek poniżej przedstawia przekrój solenoidu przez który płynie prąd. Prąd płynie prostopadle do płaszczyzny rysunku w górnej części solenoidu, zaś w dolnej od płaszczyzny rysunku w górę. Wewnątrz solenoidu panuje próżnia.
(c) (i) Narysuj linie reprezentujące pole magnetyczne wewnątrz i na obu końcach solenoidu. [4]
(ii) Dodatnio naładowana cząstka wpada do solenoidu wzdłuż jego osi. Na rysunku pokaż tor cząstki wewnątrz solenoidu [1] Elektron "wstrzyknięto" do obszaru jednorodnego pola magnetycznego o wartości wektora indukcji 4.0 mT. Prędkość elektronu tworzy z kierunkiem linii pola magnetycznego kąt 35o i wynosi 1,6 x 107 m/s jak to pokazano na rysunku
(d) (i) Określ wielkość składowej prędkości elektronu prostopadłej do kierunku pola magnetycznego [2]
............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................(ii) Opisz , wykonując rachunki gdy potrzeba, ruch elektronu spowodowany istnieniem tej składowej [4]
............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................(iii) Policz wielkość składowej prędkości elektronu w kierunku pola magnetycznego [1]
............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................(iv) Określ, podając uzasadnienie, wielkość siły działającej na elektron wynikającej z istnienia tej składowej [2]
............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................(e) Powołując się na odpowiedzi w części (d) opisz kształt toru elektronu w polu magnetycznym. Możesz, jak masz ochotę, poprzeć odpowiedź rysunkiem [2]
B 3 Ten temat dotyczy reakcji jądrowych.
(a) Uzupełnij poniższą tabelę stawiając znak x w odpowiedniej kolumnie by wskazać jak zwiększenie każdej z właściwości wpłynie na ilość rozpadów rejestrowanych w jednostce czasu dla określonego izotopu promieniotwórczego [2]
Właściwości | Wpływ na ilość rozpadów w jednostce czasu | ||
wzrośnie | zmaleje | bez zmian | |
Temperatura próbki | |||
Ciśnienie na próbkę | |||
Ilość materiału próbki |
Rad - 226 ( 88Ra226 ) podlega naturalnemu spontanicznemu rozpadowi alfa
(emituje cząsteczki alfa) przemieniając się w w radon (Rn). Masy cząstek biorących udział w reakcji są następujące:
rad: 226,0254 u
radon 222,0176 u
cząstka alfa 4,0026 u
(b) (i) Uzupełnij równanie reakcji jądrowej dla tego typu rozpadu [2]
88Ra226 ........... + Rn(ii) Policz ile energii zostało wyzwolone w tej reakcji [3]
............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................(c) Przed reakcją jądro radu było w spoczynku
(i) W oparciu o zasadę zachowania pędu wyjaśnij dlaczego jądro radonu i cząstka ? poruszały się po reakcji w przeciwnych kierunkach .............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................. ..............................................................................................................................................(ii) Szybkość jądra radonu po reakcji wynosi vR , zaś szybkość cząstki alfa - valfa . Wykaż, że stosunek prędkości vR / valfa wynosi 55,5.
............................................................................................................................................. ............................................................................................................................................. .............................................................................................................................................(d) Zasugeruj jaka jeszcze forma energii mogła zostać wyzwolona w czasie wyżej dyskutowanej reakcji - oprócz energii kinetycznej obu cząstki alfa i jądra radonu. [1]
.............................................................................................................................................Reakcja termojądrowa albo inaczej reakcja syntezy to inny rodzaj reakcji jądrowej. Ten typ reakcji stanowi podstawowe źródło energii promieniowania Słońca.
(e) (i) Napisz co oznacza termin reakcja syntezy [3] ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ............................................................................................................................................... ...............................................................................................................................................(ii) Wyjaśnij dlaczego temperatura gazu w jądrze słonecznym i jego ciśnienie muszą być bardzo wysokie by zapewnić wyzwalanie się energii promieniowania: [5]
Wysoka temperatura ............................................................................................................................. ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................ Wysokie ciśnienie .............................................................................................................................. ................................................................................................................................................ ................................................................................................................................................