IAL Physics WPH15-01 January 2021 Question Papers

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Candidate surname Other names
Pearson Edexcel Centre Number Candidate Number

International
Advanced Level
Friday 15 January 2021

Afternoon (Time: 1 hour 45 minutes) Paper Reference WPH15/01
Physics
International Advanced Level
Unit 5: Thermodynamics, Radiation, Oscillations and
Cosmology
You must have: Total Marks
Scientific calculator
Instructions
• Use black ink or ball-point pen.
• centrethe
Fill in boxes at the top of this page with your name,
number and candidate number.
• Answer all questions.
• Answer the questions in the spaces provided
– there may be more space than you need.
• Show all your working in calculations and include units where appropriate.
Information
• The total mark for this paper is 90.
• The marks for each question are shown in brackets
– use this as a guide as to how much time to spend on each question.
• toIn the question marked with an asterisk (*), marks will be awarded for your ability
structure your answer logically, showing how the points that you make are
related or follow on from each other where appropriate.
• The list of data, formulae and relationships is printed at the end of this booklet.
Advice
• Read each question carefully before you start to answer it.
• Try to answer every question.
• Check your answers if you have time at the end.
Turn over
*P67796A0132*
P67796A
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1/1/1/1/

SECTION A
Answer ALL the questions in this section.
For questions 1-10, in Section A, select one answer from A to D and put a cross in the box .
If you change your mind, put a line through the box and then mark your new answer
with a cross .
1 A mixture of oxygen gas and nitrogen gas is kept at room temperature. Oxygen molecules
are more massive than nitrogen molecules.
Which of the following is correct?
A T
he mean velocity of the oxygen molecules is greater than the mean velocity
of the nitrogen molecules.
B The mean speed of the oxygen molecules is the same as the mean speed of the
nitrogen molecules.
C The mean kinetic energy of the oxygen molecules is greater than the mean
kinetic energy of the nitrogen molecules.
D The mean kinetic energy of the oxygen molecules is the same as the mean
kinetic energy of the nitrogen molecules.
(Total for Question 1 = 1 mark)
2 Scientists believe that some of the mass of our universe consists of “dark matter”.
Which of the following is true of dark matter?
A It absorbs all electromagnetic radiation.
B It emits no electromagnetic radiation.
C It exerts no gravitational force.
D It is a form of anti-matter.
2
*P67796A0232*

3 The penetration of matter by radiation depends on the ionising power of the radiation.
Which of the following statements is correct?
A α-particles are weakly ionising so they are stopped by thin paper.

B α-particles are highly ionising so they only travel a few centimetres in air.
C γ-radiation is highly ionising so it is highly penetrating.
D γ-radiation is weakly ionising so it is not very penetrating.
4 A metal bar is heated, then allowed to cool. The wavelength λmax at which peak
radiation emission occurs is determined.
Which of the following statements is correct?
A λmax decreases as the metal bar cools.

B λmax increases as the metal bar cools.
C λmax increases as the metal bar is heated.
D λmax stays constant as the metal bar is heated.
5 A car is driven along an uneven road. This forces the car into vertical oscillations.
Over time, the energy of oscillation of the car increases by a factor of 4.
The amplitude of oscillation increases by a factor of
1
A
4
1
B
2
C 2
D 4

3
*P67796A0332* Turn over

6 The star Vega has a luminosity 5 times the luminosity of the star Altair. The distance of
Vega from the Earth is 1.5 times the distance of Altair from the Earth.
The intensity of radiation received on Earth from Vega is IV .
The intensity of radiation received on Earth from Altair is IA.
The ratio IV / IA is about
A 0.5
B 1.5
C 2
D 5
7 A small satellite of mass 245 kg is orbiting the Earth. The radius of the orbit is equal to
twice the radius of the Earth.
The weight of the satellite in its orbit is about
A zero.
B 600 N.
C 1200 N.
D 2400 N.
8 Two stars, X and Y, have the same surface temperature. X has a radius 25% larger
than the radius of Y.
The luminosity of X is LX. The luminosity of Y is LY.
Which of the following is the ratio LX / LY?
A 1.0
B 1.3
C 1.6
D 2.0

4
*P67796A0432*

Questions 9 and 10 refer to the following information.
The graph shows how the acceleration a varies with time t for an object performing simple
harmonic motion.
a
0 t
Four graphs of a quantity plotted against t are shown below. The scale on the x-axis is the same
for each graph.
0 t 0 t 0 t 0 t

A B C D
9 Which graph shows how the displacement of the object varies with t ?
A
B
10 Which graph shows how the velocity of the object varies with t ?
TOTAL FOR SECTION A = 10 MARKS

5

SECTION B
Answer ALL questions in the spaces provided.

11 The Earth is 9.3 times more massive than Mars. The gravitational field strength at the
surface of the Earth is 2.6 times greater than at the surface of Mars.
Calculate the mean radius of Mars.
mean radius of Earth = 6.37 ´ 106 m
(2)
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Mean radius of Mars = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(Total for Question 11 = 2 marks)
6
*P67796A0632*

12 A portable electric heater with a power of 280 W is used to boil water for a hot drink.
The heater is placed into a cup of water.
There is 165 g of water in the cup. The initial temperature of the water is 12.5 °C.
Assume that all the energy from the heater is transferred to the water.
(a) The heater is used in London, where the boiling point of water is 100.0 °C.
Show that the time taken for the water to reach a temperature of 100.0 °C is about 220 s.
specific heat capacity of water = 4190 J kg−1 K−1
(3)
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(b) The same heater is used in La Paz, the world’s highest capital city, where the boiling
point of water is 87.7 °C.
The mass and initial temperature of the water are the same as in (a), and the heater
is used for the same time.
Calculate the mass of water converted to water vapour as the water boils.
latent heat of vaporisation of water = 2.29 ´ 106 J kg−1
(3)
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Mass of water converted to water vapour = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

7

13 The SI system of units was established in 1960. There are seven base units in the
SI system, including the metre which is the base unit of length.
(a) Give the SI base units of energy.
(1)
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(b) In the 17th century, Huygens suggested that the unit of length should be defined by
the length of a ‘seconds pendulum’. This is a simple pendulum that takes exactly
1 second to swing from one extreme position to the other.
(i) Calculate the length of a simple pendulum that swings from one extreme
position to the other in 1.00 s.
(2)
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Length = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) Suggest a disadvantage of basing the metre on the length of a ‘seconds pendulum’.
(1)
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8
*P67796A0832*

14 Xenon gas is used as an anaesthetic. The gas is stored in cylinders, under pressure.
A cylinder with a volume of 6.0 ´ 10−2 m3 contains 7.5 ´ 1024 atoms of xenon.
(a) The gas in the cylinder is at a temperature of 20 °C.
Calculate the pressure exerted by the gas.
(3)
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Pressure exerted by gas = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) Gas is removed from the cylinder. The temperature of the gas decreases by 5.0 °C
and the new pressure of the gas is 4.50 ´ 105 Pa.
Calculate the percentage of the original number of gas molecules remaining in the cylinder.
(2)
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Percentage = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

9

15 A student investigated the absorption of gamma radiation by iron. She placed a gamma
source in a holder and set up a Geiger-Müller (GM) tube a short distance away. She
placed thin sheets of iron between the GM tube and the source as shown.
iron sheet
GM tube source
The student used five different thicknesses of iron and determined the count rate for
each thickness.
The count rate with no iron sheet in place is R0. After passing through an iron sheet of
thickness x the count rate R is given by the equation
R = R0e–μx
where μ is a constant.
The student used her data to plot a graph.
7.0
6.5
ln (R / s–1)
6.0
5.5
5.0
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5
x / cm

10
*P67796A01032*

The student used the gradient of the graph to determine a value for μ and used this to
estimate the half-value thickness for the iron. This is the thickness of iron that would
reduce the count rate to R0 / 2
The student used a source that emitted gamma rays of energy 1.1 MeV.
Deduce whether the data the student obtained confirms this energy value.
half-value thickness for 1.1 MeV gamma rays in iron = 1.5 cm
(6)
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11

16 In the 18th century, Herschel discovered an irregular-shaped galaxy. This galaxy, now
known as NGC 6052, is shown in the photograph.
(Source: dcf21-www@dcford.org.uk)
(a) Light from NGC 6052 has a red-shift z equal to 0.0158

(i) Explain what is meant by redshift.
(2)
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(ii) Calculate the distance of NGC 6052 from Earth.

H0 = 1.62 ´ 10−18 s−1
(3)
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Distance of NGC 6052 from Earth = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

12
*P67796A01232*

(b) Recent photographs from the Hubble Space Telescope show that NGC 6052 actually
consists of two galaxies that are colliding.
(Source: © Nasa)
The galaxies are accelerating towards each other.

Explain why the acceleration increases as time passes.
(2)
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13

17 Salyut 1 was the first Earth-orbiting space station. It was built by the Soviet Union and
launched into a low Earth orbit fifty years ago.
(a) Salyut 1 orbited at an average height above the surface of the Earth of 211 km.
mass of Salyut 1 = 18 400 kg
mass of Earth = 5.98 ´ 1024 kg
radius of Earth = 6.37 ´ 106 m
(i) A textbook claims that for astronauts in Salyut 1, there would be a sunrise 16 times
every day.
Assess the validity of this claim.
1 day = 8.64 ´ 104 s
(4)
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(ii) Salyut 1 made almost three thousand orbits before falling back to Earth.
Calculate the change in gravitational potential energy of Salyut 1 as it fell back
to Earth.
(3)
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Change in gravitational potential energy = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) Salyut 1 burned up over the Pacific Ocean as it re-entered the Earth’s atmosphere.
Explain why Salyut 1 burned up.
(2)
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15

18 The photograph shows a bee in flight.
(Source: Image Broker/ardea.com)

The movement of a bee’s wings can be modelled as simple harmonic motion.
(a) State what is meant by simple harmonic motion.
(2)
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(b) A bee’s wings are oscillating with a frequency of 240 Hz. The wing tips have a
maximum speed of 2.25 m s−1.
(i) Show that the amplitude of the motion of the wing tip is about 1.5 mm.
(3)
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(ii) Calculate the maximum acceleration of the wing tip.

(2)
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Maximum acceleration of wing tip = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(c) Where the wings join the body of the bee, there is a region of elastic material.
The vibrating wing muscles set the elastic material into resonance.
(i) State what is meant by an elastic material.
(1)
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(ii) Explain what is meant by resonance.

(3)
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(iii) The bee’s wings oscillate at a frequency of 240 Hz, but the muscles only
oscillate at a frequency of 60 Hz.
Suggest how impulses applied at 60 Hz can maintain an oscillation at 240 Hz.
(2)
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17

19 Potassium chloride may be used to flavour food. Potassium chloride contains trace
amounts of a radioactive isotope of potassium (K). This decays into an isotope of
calcium (Ca) by beta decay.
(a) (i) Complete the nuclear equation for this decay:
40 – 0
K → Ca + β + 0ve
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................. 20 .................
(2)
(ii) Calculate the energy, in MeV, released when a nucleus of potassium-40 decays
into a nucleus of calcium.
Mass / u
Potassium nucleus 39.963998
Calcium nucleus 39.962591
Electron 0.00054858
Electron neutrino (ve ) negligible
(5)
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Energy released = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MeV

(iii) Explain why there is a range of energies for the beta particles emitted in the
decay of a sample of potassium-40.
(2)
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18
*P67796A01832*

(b) A sample of potassium chloride initially contains 1.10 ´ 1022 atoms of potassium-40.

half-life of potassium-40 = 1.25 ´ 109 years
1 year = 3.15 ´ 107 s
(i) Show that the activity of this sample is about 1.9 ´ 105 Bq.
(3)
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(ii) It is claimed that after a period of 50 years, the activity of the sample would be
less than the activity of a typical school source.
Assess the validity of this claim. Your answer should include a calculation.
activity of a school source = 1.85 ´ 105 Bq
(2)
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19

20 (a) The Hertzsprung-Russell (HR) diagram shows the relationship between luminosity L
and surface temperature T for a range of stars.
The HR diagram below is for a young star cluster.
L / LSun
1–
(i) Mark on the diagram the position of a star similar to the Sun.
(1)
*(ii) The appearance of the HR diagram changes as stars in the cluster evolve.
Explain the changes in the appearance of the HR diagram as the star cluster gets older.
(6)
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20
*P67796A02032*

(b) One hundred years ago the Andromeda Galaxy was thought to be a group of stars
within our own galaxy. In 1923, Edwin Hubble made observations on a standard
candle within this group of stars. He concluded from these observations that
Andromeda must be outside our own galaxy.
(i) The graph shows part of the spectrum of radiation received from Andromeda.
Relative
intensity
390 395 400

Wavelength / nm
(Source: © Nasa)
The two intensity minima represent lines in the absorption spectrum of calcium.
In the laboratory these two lines have a wavelength of 393.4 nm and 396.9 nm.
Determine the velocity of Andromeda relative to the Earth.
(4)
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Velocity of Andromeda relative to the Earth = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

21

(ii) Dust in space around a star may affect how bright the star appears to be.
It is claimed that dust around a standard candle would lead to the conclusion
that the standard candle is a greater distance from Earth than the actual distance.
Assess the validity of this claim.
(3)
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TOTAL FOR SECTION B = 80 MARKS

TOTAL FOR PAPER = 90 MARKS
22
*P67796A02232*

List of data, formulae and relationships
Acceleration of free fall g = 9.81 m s–2 (close to Earth’s surface)

−23 −1
Boltzmann constant k = 1.38 ×10 JK
Electron charge e = –1.60 × 10–19 C
Electron mass me = 9.11 × 10–31 kg
Electronvolt 1 eV = 1.60 × 10–19 J
Gravitational constant G = 6.67 × 10−11 N m2 kg−2
Gravitational field strength g = 9.81 N kg–1 (close to Earth’s surface)
Permittivity of free space ε0 = 8.85 × 10−12 F m−1
Coulomb’s law constant k = 1/4πε0
= 8.99 × 109 N m2 C–2
Planck constant h = 6.63 × 10–34 J s
Proton mass mp = 1.67 × 10−27 kg
Speed of light in a vacuum  c = 3.00 × 108 m s–1
Stefan-Boltzmann constant  σ = 5.67 × 10–8 W m–2 K–4
Unified atomic mass unit  u = 1.66 × 10–27 kg
Unit 1
Mechanics
Kinematic equations of motion s=
v = u + at
1
s = ut + at2
2
2 2
v = u + 2as
Forces ΣF = ma
F
g=
m
W = mg
Momentum p = mv
Moment of force moment = Fx
Work and energy ΔW = FΔs
1
Ek = mv 2
2
ΔEgrav = mgΔh
E
Power P=
t
W
P=
t

23

Efficiency useful energy output
efficiency =
total energy input
useful power output
efficiency =
total power input
Materials
m
Density ρ=
V
Stokes’ law F = 6�ηrv
Hooke’s law ΔF = kΔx
1
FΔx
Elastic strain energy ΔEel =
2
σ
Young modulus E = where
ε
F
Stress σ =
A
Strain ε =
24
*P67796A02432*

Unit 2
Waves
Wave speed v = fλ
T
Speed of a transverse wave v=
μ
on a string
P
Intensity of radiation I=
A
Refractive index n1 sin θ1 = n2 sin θ2
c
n=
v
1
Critical angle sin C =

n
Diffraction grating nλ = d sin θ
Electricity
W
Potential difference V=
Q
V
Resistance R=
I
Electrical power, energy P = VI
P = I 2R
V2
P=
R
W = VIt
ρl
Resistivity R=
A
Current I=
I = nqvA
Resistors in series R = R1 + R2 + R3
1 1 1 1
Resistors in parallel = + +

R R1 R2 R3
Particle nature of light
Photon model E = hf
1
Einstein’s photoelectric hf = o/ + mv 2max
equation 2
h
de Broglie wavelength λ=
p

25

Unit 4
Mechanics
Impulse FΔt = Δp
Kinetic energy of a p2
Ek
non‑relativistic particle 2m
motion in a circle v = ωr
2
T

v2
a
r
a = rω2
mv 2
Centripetal force F ma
r
F = mω2r
Electric and magnetic fields
F
Electric field E
Q
Coulomb’s law
V
E
d
Electrical Potential
Q
Capacitance C
V
Energy stored in capacitor W 12 QV
W 12 CV 2
Q2
W 1
2
C

Capacitor discharge Q = Q0e–t/RC

26
*P67796A02632*

Resistor capacitor discharge I = I0e–t/RC
V = V0e–t/RC
t
ln Q = ln Q0 –
RC
t
ln I = ln I0 –
RC
t
ln V = ln V0 –
RC
In a magnetic field F = Bqv sin θ
F = BIl sin θ
Faraday’s and Lenz’s laws
Nuclear and particle physics
p
In a magnetic field r
BQ
Mass-energy ΔE = c2 Δm

27

Unit 5
Thermodynamics
Heating ΔE = mcΔθ
ΔE = LΔm
Ideal gas equation pV = NkT
Molecular kinetic theory 1

2 m c 2 23 kT
Nuclear decay
Mass-energy E c 2 m
Radio-active decay A = –λN
dN
N
dt

ln 2

t1
2
N N 0 e t
A A0 e t

Oscillations
Simple harmonic motion F = kx
a = –ω2x
x = A cos ωt
v = –Aω sin ωt
a = Aω2cos ωt
1 2
T
f
ω = 2�f
Simple harmonic oscillator
28
*P67796A02832*

Astrophysics and Cosmology
F
Gravitational field strength g =
m
Gm1m2
Gravitational force F
r2
Gm
Gravitational field g
r2
Gm
Gravitational potential Vgrav
r
Stephan-Boltzman law L T 4 A
Wein’s law maxT 2.898 103 m K
Intensity of radiation
f v
Redshift of electromagnetic z=
radiation
f c
Cosmological expansion v = H0d

29
*P67796A02932*

BLANK PAGE
30
*P67796A03032*

BLANK PAGE

31
*P67796A03132*

BLANK PAGE
32
*P67796A03232*

IAL Physics WPH15-01 January 2021 Question Papers

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IAL Physics WPH15-01 January 2021 Question Papers

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Pearson Edexcel Centre Number Candidate Number

Friday 15 January 2021

Answer ALL the questions in this section.

(Total for Question 1 = 1 mark)

A It absorbs all electromagnetic radiation.

B It emits no electromagnetic radiation.

C It exerts no gravitational force.

(Total for Question 2 = 1 mark)

A α-particles are weakly ionising so they are stopped by thin paper.

A λmax decreases as the metal bar cools.

D λmax stays constant as the metal bar is heated.

(Total for Question 4 = 1 mark)

(Total for Question 5 = 1 mark)

(Total for Question 6 = 1 mark)

(Total for Question 7 = 1 mark)

(Total for Question 8 = 1 mark)

Questions 9 and 10 refer to the following information.

(Total for Question 9 = 1 mark)

(Total for Question 10 = 1 mark)

TOTAL FOR SECTION A = 10 MARKS

Answer ALL questions in the spaces provided.

Mean radius of Mars = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(Total for Question 11 = 2 marks)

Mass of water converted to water vapour = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(Total for Question 12 = 6 marks)

(Total for Question 13 = 4 marks)

Pressure exerted by gas = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(Total for Question 14 = 5 marks)

(Total for Question 15 = 6 marks)

(a) Light from NGC 6052 has a red-shift z equal to 0.0158

(ii) Calculate the distance of NGC 6052 from Earth.

Distance of NGC 6052 from Earth = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

The galaxies are accelerating towards each other.

(Total for Question 16 = 7 marks)

Change in gravitational potential energy = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(Total for Question 17 = 9 marks)

(Source: Image Broker/ardea.com)

(ii) Calculate the maximum acceleration of the wing tip.

Maximum acceleration of wing tip = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) Explain what is meant by resonance.

(Total for Question 18 = 13 marks)

Energy released = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MeV

(b) A sample of potassium chloride initially contains 1.10 ´ 1022 atoms of potassium-40.

(Total for Question 19 = 14 marks)

390 395 400

Velocity of Andromeda relative to the Earth = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(Total for Question 20 = 14 marks)

TOTAL FOR SECTION B = 80 MARKS

List of data, formulae and relationships

Acceleration of free fall g = 9.81 m s–2 (close to Earth’s surface)

Electric and magnetic fields

Resistor capacitor discharge I = I0e–t/RC

Faraday’s and Lenz’s laws

Nuclear and particle physics

Molecular kinetic theory 1

Simple harmonic oscillator

Astrophysics and Cosmology

Wein’s law maxT 2.898 103 m K