AHS 2024 Prelim Ans (P1/P2)

2 0 2 4 A H S S 4 P h y s i c s P r e l i m E x a m P a p e r 1 A n s w e r s 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 C A D B D C D B B C 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 7 1 8 1 9 2 0 A B A C D A D C C D 2 1 2 2 2 3 2 4 2 5 2 6 2 7 2 8 2 9 3 0 A D D D C B A C C D 3 1 3 2 3 3 3 4 3 5 3 6 3 7 3 8 3 9 4 0 C A B B B A B A C B P a p e r 2 A n s w e r s 1 ( a ) S p e e d i s a p h y s i c a l q u a n t i t y w i t h o n l y m a g n i t u d e b u t v e l o c i t y i s a p h y s i c a l q u a n t i t y w i t h b o t h m a g n i t u d e a n d d i r e c t i o n . O R S p e e d i s a s c a l a r q u a n t i t y . V e l o c i t y i s a v e c t o r q u a n t i t y . 1 ( b i ) c h a n g e i n s p e e d = 2 5 - 2 2 = 3 . 0 m / s 1 ( b i i ) c h a n g e i n v e l o c i t y = 2 5 - ( - 2 2 ) = 4 7 m / s o r - 2 2 - 2 5 = - 4 7 m / s 1 ( c i ) a v e r a g e a c c e l e r a t i o n = c h a n g e i n v e l o c i t y / t i m e = 4 7 / 0 . 0 0 1 3 = 3 6 2 0 0 m / s 2 ( 3 s . f . ) o r 3 6 0 0 0 m / s 2 ( 2 s . f . ) [ a c c e p t E C F f r o m ( b ) ] 1 ( c i i ) a v e r a g e f o r c e = m a s s x a c c e l e r a t i o n O R = 0 . 1 6 x 3 6 0 0 0 = 5 7 6 0 N ( 3 s . f . ) o r 5 8 0 0 N ( 2 s . f . ) a c c e p t E C F f r o m ( c i ) ] 1 1 2 ( a ) F o r c e a c t i n g o n e a c h c y l i n d e r F = 8 0 0 / 4 = 2 0 0 N P r e s s u r e i n c r e a s e = F / A O R = 2 0 0 / 0 . 0 0 3 5 o r 8 0 0 / ( 4 x 0 . 0 0 3 5 ) = 5 7 1 0 0 P a ( 3 s . f . ) o r 5 7 0 0 0 P a ( 2 s . f . ) [ A w a r d 1 m f o r m e t h o d e v e n i f a r e a i s c o n v e r t e d w r o n g l y / E g . 3 5 c m 2 i s w r o n g l y c o n v e r t e d t o 0 . 3 5 m 2 ] 1 1 ( b ) T h e c o n t i n u o u s b o m b a r d m e n t / c o l l i s i o n o f a i r m o l e c u l e s o n t h e c y l i n d e r w a l l e x e r t s a f o r c e ( p e r u n i t a r e a ) o n t h e c y l i n d e r w a l l . 1 ( c ) T h e g a s m o l e c u l e s g a i n k i n e t i c e n e r g y / m o v e f a s t e r . T h i s c a u s e s t h e m o l e c u l e s t o b o m b a r d o n t h e c y l i n d e r w a l l m o r e f r e q u e n t l y w i t h a n d m o r e f o r c e f u l l y a n d h e n c e t h e r e i s a g r e a t e r ( a v e r a g e ) f o r c e p e r u n i t a r e a o n t h e c y l i n d e r w a l l . T h e r e f o r e , t h e g a s p r e s s u r e i n c r e a s e s . 4 p o i n t s – 2 m a r k s , 1 - 3 p o i n t s – 1 m a r k , o t h e r w i s e 0 m a r k 2

3 ( a ) W o r k d o n e i s t h e p r o d u c t o f f o r c e a n d d i s t a n c e m o v e d b y t h e o b j e c t i n t h e d i r e c t i o n o f t h e f o r c e . 1 1 ( b i ) G a i n i n G P E = m g h O R = 0 . 1 5 x 1 0 x ( 1 0 – 2 . 0 ) = 1 2 J 1 1 ( b i i ) S h o w u n d e r s t a n d i n g t h a t E k = ½ m v 2 T o t a l e n e r g y a t B = 1 2 + 1 7 0 = 1 8 2 J T o t a l e n e r g y a t A = K E o f t h e b a l l = t o t a l e n e r g y a t B ½ m v 2 = 1 8 2 v = √ 1 8 2 × 2 0 . 1 5 = 4 9 . 3 m / s ( 3 s . f . ) o r 4 9 m / s ( 2 s . f . ) 1 1 ( c ) M e c h a n i c a l l y 1 4 ( a ) T h e ( w a l l ) m o l e c u l e s / p a r t i c l e s ( r e j e c t a i r / s o u n d m o l e c u l e s ) v i b r a t e a b o u t t h e i r e q u i l i b r i u m ( f i x e d ) p o s i t i o n s / o s c i l l a t e s a n d c o l l i d e / p a s s o n t h e i r ( k i n e t i c ) e n e r g y t o t h e i r n e i g h b o u r i n g m o l e c u l e s . ( 3 p o i n t s – 2 m , 1 t o 2 p o i n t s – 1 m , O t h e r w i s e 0 ) ( b i ) w a v e l e n g t h = 1 0 0 c m 1 ( b i i ) p e r i o d T = 0 . 2 m s f r e q u e n c y f = 1 / T = 1 / 0 . 2 x 1 0 - 3 = 5 0 0 0 H z 1 ( b i i i ) v = f λ = 5 0 0 0 x 1 . 0 = 5 0 0 0 m / s O R : v = λ / T = 1 . 0 / 0 . 2 x 1 0 - 3 = 5 0 0 0 m / s ( a l l o w e c f ) 1 ( c ) [ 1 m f o r c o r r e c t a m p l i t u d e / 1 m f o r c o r r e c t p e r i o d ] 2 0 4

5 ( a i ) A n y t w o o f t h e t h r e e r a y s . [ 1 m f o r e a c h r a y / m i n u s 1 m f o r n o a r r o w a n d n o t f r o m b o t t o m ] ( a i i ) m o v e l e n s t o w a r d s o b j e c t / t o l e f t / a w a y f r o m t h e f i l m / ( f o r w a r d ) 1 ( b i ) C a n b e j u s t o n e o r t w o T I R ( a t l e a s t o n e w i t h i = r a p p r o x i m a t e l y ) C o r r e c t r e f r a c t e d r a y f r o m e n d R - b e n d s a w a y f r o m t h e n o r m a l [ 1 ] [ m i n u s 1 m f o r n o a r r o w , m u s t d r a w a t l e a s t o n e a r r o w ] 1 1 ( b i i ) T o t a l i n t e r n a l r e f l e c t i o n i s t h e c o m p l e t e / t o t a l r e f l e c t i o n o f a l i g h t r a y i n a n o p t i c a l l y d e n s e r m e d i u m a t t h e b o u n d a r y w i t h a n o p t i c a l l y l e s s d e n s e m e d i u m . 1 ( b i i i ) s i n c = 1 / n O R n = 1 / s i n 4 2 o = 1 . 5 c / v = 1 . 5 v = 3 . 0 x 1 0 8 / 1 . 5 = 2 . 0 x 1 0 8 m / s 1 1 6 ( a ) N e g a t i v e c h a r g e s a r e i n d u c e d o n t h e g a t e / e l e c t r o n s ( f r o m t h e g r o u n d ) a r e a t t r a c t e d t o t h e p a i n t p a r t i c l e s S i n c e u n l i k e c h a r g e s a t t r a c t , t h e p o s i t i v e l y c h a r g e d d r o p l e t s a r e a t t r a c t e d t o t h e g a t e . 1 1 ( b ) M o r e e v e n c o a t i n g 1 1

s i n c e t h e d r o p l e t s a r e p o s i t i v e l y c h a r g e d , t h e y r e p e l e a c h o t h e r / l i k e c h a r g e s r e p e l . O R l e s s w a s t a g e s i n c e t h e d r o p l e t s a n d t h e g a t e a r e o p p o s i t e l y c h a r g e d a n d u n l i k e c h a r g e s a t t r a c t . O R T h e e n t i r e g a t e w i l l b e c o a t e d w i t h p a i n t S i n c e t h e e n t i r e g a t e w i l l b e i n d u c e d w i t h n e g a t i v e c h a r g e s a n d u n l i k e c h a r g e s a t t r a c t . R e j e c t : p a i n t w i l l s t i c k b e t t e r / l o n g e r p a i n t o r w i l l n o t p e e l o f f b e c a u s e o f a t t r a c t i o n o f o p p o s i t e c h a r g e s . 1 1 ( c ) N o n - c o n d u c t i v e m a t e r i a l s d o n o t i n d u c e c h a r g e s / i n d u c t i o n c a n n o t o c c u r a s t h e y h a v e n o f r e e e l e c t r o n s / e l e c t r o n s c a n n o t f l o w f r e e l y . S o t h e p o s i t i v e l y - c h a r g e d d r o p l e t s w i l l n o t b e a b l e t o a t t r a c t t o t h e n o n - c o n d u c t i v e m a t e r i a l s . 1 1 7 ( a ) - c o r r e c t p o s i t i o n s o f s w i t c h e s - p a r a l l e l c o n n e c t i o n - c o r r e c t s y m b o l s f o r l