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.

Data ....

Część 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]

Aby określić wartość utajonego ciepła parowania L uczniowie skorzystali z równania

P = mL

(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 17^oC.

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]

(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]

Odległość między końcowymi punktami wynosi 120 cm.

B 2 Ten temat dotyczy sił działających na naładowaną cząstkę w polu elektrycznym i magnetycznym.

Dodatnio naładowana cząstka wpada w obszar między płytkami. Na początku porusza się równolegle do płaszczyzn płytek.

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]

(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]

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]

(ii) Policz ile energii zostało wyzwolone w tej reakcji        [3]

(c) Przed reakcją jądro radu było w spoczynku

(ii) Szybkość jądra radonu po reakcji wynosi v_R , zaś szybkość cząstki alfa - v_alfa . Wykaż, że stosunek prędkości v_R / v_alfa 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.

(ii) Wyjaśnij dlaczego temperatura gazu w jądrze słonecznym i jego ciśnienie muszą być bardzo wysokie by zapewnić wyzwalanie się energii promieniowania:         [5]

Wersja do druku