NCHS 2024 Prelim P2

1 N a m e : R e g i s t e r N u m b e r : C l a s s : P R E L I M I N A R Y E X A M I N A T I O N 2 0 2 4 S E C O N D A R Y F O U R E X P R E S S P H Y S I C S 6 0 9 1 / 0 2 P a p e r 2 2 2 A u g u s t 2 0 2 4 T h u r s d a y 1 h o u r 4 5 m i n s C a n d i d a t e s a n s w e r o n t h e Q u e s t i o n P a p e r . N o a d d i t i o n a l M a t e r i a l s a r e r e q u i r e d . R E A D T H E S E I N S T R U C T I O N S F I R S T W r i t e y o u r n a m e , c l a s s a n d r e g i s t e r n u m b e r i n t h e s p a c e s p r o v i d e d o n t h e q u e s t i o n p a p e r . W r i t e i n d a r k b l u e o r b l a c k p e n . Y o u m a y u s e a n H B p e n c i l f o r a n y d i a g r a m s o r g r a p h s . D o n o t u s e s t a p l e s , p a p e r c l i p s , h i g h l i g h t e r s , g l u e o r c o r r e c t i o n f l u i d o r t a p e . S e c t i o n A A n s w e r a l l q u e s t i o n s . W r i t e y o u r a n s w e r s i n t h e s p a c e s p r o v i d e d . S e c t i o n B A n s w e r o n e q u e s t i o n f r o m t h i s s e c t i o n . W r i t e y o u r a n s w e r s i n t h e s p a c e s p r o v i d e d . S t u d e n t s a r e r e m i n d e d t h a t a l l q u a n t i t a t i v e a n s w e r s s h o u l d i n c l u d e a p p r o p r i a t e u n i t s . T h e u s e o f a n a p p r o v e d c a l c u l a t o r i s e x p e c t e d , w h e r e a p p r o p r i a t e . S t u d e n t s a r e a d v i s e d t o s h o w a l l t h e i r w o r k i n g i n a c l e a r a n d o r d e r l y m a n n e r , a s m o r e m a r k s a r e a w a r d e d f o r s o u n d u s e o f P h y s i c s t h a n f o r c o r r e c t a n s w e r s . T h e n u m b e r o f m a r k s i s g i v e n i n b r a c k e t s [ ] a t t h e e n d o f e a c h q u e s t i o n o r p a r t q u e s t i o n . T h i s q u e s t i o n p a p e r c o n s i s t s o f 2 1 p r i n t e d p a g e s , i n c l u d i n g t h i s c o v e r p a g e . F o r M a r k e r ’ s U s e P a r e n t ’ s S i g n a t u r e : _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 8 0

2 S e c t i o n A A n s w e r a l l t h e q u e s t i o n s i n t h i s s e c t i o n . 1 A m i c r o p h o n e h a s a w e i g h t W o f 6 . 0 N . I t i s s u s p e n d e d b y w i r e X f r o m t h e c e i l i n g i n a r a d i o s t u d i o . F i g . 1 . 1 s h o w s t h e m i c r o p h o n e h e l d i n t h e c o r r e c t p o s i t i o n b y a h o r i z o n t a l w i r e Y . ( a ) T h e t e n s i o n T i n w i r e Y i s 8 . 0 N . U s e a v e c t o r d i a g r a m t o d e t e r m i n e t h e m a g n i t u d e a n d t h e d i r e c t i o n o f t h e r e s u l t a n t o f W a n d T . [ 3 ] s c a l e = … … … … … … … … … … . . m a g n i t u d e = … … … … … … … … … … . . d i r e c t i o n = … … … … … … … … … … . . ( b ) T h e m i c r o p h o n e i s a t r e s t . S t a t e t h e t e n s i o n i n w i r e X . [ 1 ] t e n s i o n i n x = … … … … … … … … … … . . F i g . 1 . 1 9 0 ̊

3 2 F i g . 2 . 1 s h o w s a m a n p u s h i n g a h e a v y b o x w i t h a f o r c e P . A f r i c t i o n a l f o r c e F a c t s i n a h o r i z o n t a l d i r e c t i o n . W h e n P = 1 5 0 N a n d F = 7 5 N , t h e b o x a c c e l e r a t e s . ( a ) F i g . 2 . 1 d o e s n o t s h o w a n a c t i o n - r e a c t i o n p a i r o f f o r c e s . ( i ) S t a t e o n e w a y i n w h i c h P a n d F a r e n o t a n a c t i o n - r e a c t i o n p a i r . [ 1 ] … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . . … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . . … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . . ( i i ) N a m e t h e o t h e r f o r c e i n t h e a c t i o n - r e a c t i o n p a i r f o r f o r c e P . [ 1 ] … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . . … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . . … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . . ( b ) T h e m a s s o f t h e b o x i s 2 0 k g . C a l c u l a t e t h e a c c e l e r a t i o n o f t h e b o x . [ 2 ] a c c e l e r a t i o n = … … … … … … … … … … . . F i g . 2 . 1

4 3 F i g . 3 . 1 s h o w s a n a i r d e s c e n d e r t h a t c o n t r o l s t h e r a t e a t w h i c h a c l i m b e r d r o p s f r o m a p l a t f o r m a t t h e t o p o f a c l i m b i n g w a l l . T h e f o l l o w i n g s e q u e n c e d e s c r i b e s t h e m o t i o n o f a c l i m b e r , a t t a c h e d t o t h e a i r d e s c e n d e r b y a r o p e , a s h e s t e p s o f f t h e p l a t f o r m , d r o p s t o w a r d s t h e g r o u n d a n d l a n d s s a f e l y . 1 . T h e c l i m b e r s t a r t s f r o m r e s t a t t = 0 s a n d a c c e l e r a t e s u n i f o r m l y t o 3 . 7 m s - 1 a t t = 3 . 0 s . 2 . F r o m t = 3 . 0 s t o t = 5 . 0 s , h e m a i n t a i n s t h i s c o n s t a n t v e l o c i t y o f 3 . 7 m s - 1 . 3 . F r o m t = 5 . 0 s t o t = 7 . 4 s , h e e x p e r i e n c e s d e c r e a s i n g d e c e l e r a t i o n t o 0 m s - 1 . ( a ) O n F i g . 3 . 2 , s k e t c h t h e v e l o c i t y - t i m e g r a p h o f t h e c l i m b e r f r o m 0 . 0 s t o 7 . 4 s . [ 3 ] v e l o c i t y / m s - 1 t i m e / s a i r d e s c e n d e r r o p e p l a t f o r m g r o u n d F i g . 3 . 1 F i g . 3 . 2

5 ( b ) F r o m F i g . 3 . 2 , c a l c u l a t e t h e a c c e l e r a t i o n o f t h e c l i m b e r d u r i n g t h e f i r s t 3 . 0 s . [ 1 ] a c c e l e r a t i o n = … … … … … … … … … … . . ( c ) F r o m F i g 3 . 2 , c a l c u l a t e t h e d i s t a n c e t h e c l i m b e r d r o p s d u r i n g t h e f i r s t 3 . 0 s . [ 1 ] d i s t a n c e = … … … … … … … … … … . . ( d ) S t a t e a n d e x p l a i n t h e t i m e i n t e r v a l w h e n t h e f o r c e s a c t i n g o n t h e c l i m b e r a r e b a l a n c e d w h i l e h e i s d e s c e n d i n g . [ 2 ] … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . . … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . . … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . . … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . . … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . . … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . .

6 4 I n a b i c y c l e s h o p , t w o w h e e l s h a n g f r o m a h o r i z o n t a l u n i f o r m r o d A C , a s s h o w n i n F i g . 4 . 1 . T h e r o d w e i g h s 1 9 N a n d i s f r e e l y h i n g e d t o a w a l l a t e n d A . E n d C o f t h e r o d i s a t t a c h e d b y a v e r t i c a l e l a s t i c c o r d t o t h e c e i l i n g . T h e c e n t r e o f g r a v i t y o f t h e r o d i s a t p o i n t B . ( a ) T h e w e i g h t o f e a c h w h e e l i s W a n d t h e t e n s i o n i n t h e c o r d i s 2 3 N . S h o w t h a t t h e w e i g h t W o f e a c h w h e e l i s 1 5 N . [ 2 ] ( b ) D e t e r m i n e t h e m a g n i t u d e o f t h e v e r t i c a l f o r c e a c t i n g o n t h e r o d a t e n d A . [ 2 ] f o r c e = … … … … … … … … … … . . F i g . 4 . 1 2 3 N

7 5 F i g . 5 . 1 s h o w s a p i s t o n i n a c y l i n d e r t h a t i s c o n n e c t e d t o a m a n o m e t e r . T h e a t m o s p h e r i c p r e s s u r e i s 1 0 0 k P a . T h e d e n s i t y o f m e r c u r y i n t h e m a n o m e t e r i s 1 3 6 0 0 k g m - 3 . ( a ) C a l c u l a t e t h e p r e s s u r e o f t h e g a s i n t h e c y l i n d e r . [ 2 ] p r e s s u r e = … … … … … … … … … … . . ( b ) D e s c r i b e a n d e x p l a i n w h a t w i l l b e o b s e r v e d i n F i g . 5 . 1 i f m o r e m e r c u r y i s p o u r e d i n t o t h e m a n o m e t e r . [ 2 ] … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . . … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … . . . … … … … … … … … … … … … … … … …