OxfordAQA · International GCSE · Physics

Forces and their effects

Every push, pull and hold in the world is a force — and OxfordAQA's first topic organises them: contact and non-contact interactions, scalars against vectors, Newton's three laws, vehicle safety, and the P-extension ideas of momentum, terminal velocity, centre of mass and moments.

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topic 3.1 (Version 5.1, exams 2018 onwards). Statements marked (P) are Paper-2-only; paper details are in the specification's scheme of assessment. The specimen components on file are 9203-92031 and 9203-92032 — specimen practice in this package is always labelled as such.

Forces and their interactions

Objects interact by non-contact field forces (gravity, electrostatics, magnetism) and contact forces (friction, air resistance, tension, normal contact force). Friction 摩擦 acts between two surfaces, impedes motion and may heat them; air resistance is friction with a fluid.

Scalars 标量 have magnitude only (distance, speed, time); vectors 矢量 add direction (displacement, velocity, acceleration, force, momentum) and can be drawn as arrows. Weight is the force of gravity: $W = m \times g$.

Forces can change shape — stretching, bending, compressing. Elastic distortions recover; inelastic ones do not (P). A stretched spring stores elastic potential energy, and below the limit of proportionality:

Required practical: investigate force against extension for a spring (hang masses, plot the line, gradient = k).

Motion and Newton's laws

Speed is the gradient of a distance–time graph; velocity adds direction: $v = s/t$ (usable for average speeds too). Acceleration is the rate of change of velocity: $a = \Delta v/t$ — from the gradient of a velocity–time graph, whose area gives distance travelled. Changing direction at constant speed is still acceleration.

• Newton's First Law: zero resultant force → rest stays rest, motion keeps its velocity.
• Newton's Second Law: $F = m \times a$ in the direction of the resultant.
• Newton's Third Law: interacting objects exert equal, opposite forces on each other.

Resultants: opposite or parallel forces add along a line; two coplanar forces combine by scale drawing (drawn to scale, head to tail).

(P) Momentum, safety and terminal velocity

Momentum 动量 is conserved in a closed system — collisions and explosions share a fixed total. Car safety: airbags, seat belts, side-impact bars, crumple zones, crash mats, cushioned playground surfaces and cycle helmets all lengthen the time of impact, so for the same momentum change the force is smaller.

At a steady speed the driving force balances resistive forces. Stopping distance = thinking + braking distance; reaction time grows with tiredness, distraction, drugs and alcohol; braking force must grow with speed, and large decelerations overheat brakes. Braking converts the vehicle's kinetic energy into heating the brakes (friction work); braking distance lengthens on wet or icy roads and with worn brakes or tyres.

An object falling through a fluid accelerates until drag equals weight — terminal velocity 终末速度; parachutes raise drag to cut the terminal velocity, and streamlining (a shark's shape, a car's design) reduces drag to raise the maximum speed.

(P) Centre of mass and moments

The centre of mass 质心 is where an object's mass may be thought concentrated; a freely suspended object rests with it below the suspension point, and a symmetrical object's centre of mass lies on the axis of symmetry. Find it for an irregular lamina by suspending it from two points and drawing plumb lines.

A balanced object has equal total clockwise and anticlockwise moments 力矩; levers are force multipliers. If the weight's line of action falls outside the base, the resultant moment topples the object (vehicles, balancing toys).

Check yourself

1. Give one example each of a contact and a non-contact force.
2. Which of these are vectors: speed, displacement, time, force?
3. State the spring equation and the name of its constant.
4. State Newton's three laws in one sentence each.
5. A 900 kg car accelerates at 2 m/s². Calculate the resultant force.
6. Name two factors that lengthen thinking distance and two that lengthen braking distance.
7. (P) Explain how a crumple zone protects passengers, using F = Δp/t.
8. (P) Why does a parachutist reach a lower terminal velocity after opening the parachute?
9. (P) Where is the centre of mass of a symmetrical object?
10. (P) A 250 N force acts 0.4 m from a pivot. Calculate its moment.

Answers: 1 contact — friction/tension/air resistance/normal; non-contact — gravity/electrostatic/magnetic; 2 displacement and force; 3 $F = ke$, the spring constant (N/m); 4 first — no resultant force means no change in velocity; second — $F = ma$ in the resultant's direction; third — interactions give equal and opposite forces; 5 $F = 900 \times 2 = 1800$ N; 6 thinking — tiredness, distractions, drugs/alcohol (any two); braking — wet or icy roads, worn brakes or tyres (any two); 7 (P) the crumple zone lengthens the collision time; for the same momentum change, $F = \Delta p/t$ is smaller, so less force reaches the passengers; 8 (P) the parachute greatly increases drag, so drag balances weight at a much lower speed; 9 (P) on its axis of symmetry; 10 (P) $M = 250 \times 0.4 = 100$ N m.

Energy: the accountant of physics

Nothing destroys energy — it is only moved between stores and partly dissipated into less useful forms. OxfordAQA's second topic builds the accounting: work and power, the three energy-store equations, conservation with Sankey diagrams, and the choices behind national energy resources.

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topic 3.2 (Version 5.1). Statements marked (P) are Paper-2-only.

Forces and energy

Work 功 is done when a force moves its point of application through a distance; work against friction transfers energy by heating (shuttle re-entry, meteorites, brakes). A stretched spring stores elastic potential energy $\frac{1}{2}ke^2$; a raised mass stores gravitational potential energy mgh; a moving mass carries kinetic energy ½mv² — doubling mass doubles it, doubling speed quadruples it (the road-safety link). Power 功率 is the rate of energy transfer.

Worked check. A 1500 kg car at 20 m/s brakes to rest: KE removed $= \frac{1}{2} \times 1500 \times 400 = 300\,000$ J — all transferred to heating the brakes. Lifting it 2 m at g = 10 N/kg stores $1500 \times 10 \times 2 = 30\,000$ J.

Energy transfers and dissipation

When a system changes, energy is transferred — usefully, stored, or dissipated 耗散 ("wasted") into less useful stores; it is never created or destroyed. Friction and air resistance dissipate energy by heating. (P) A pendulum swaps kinetic and gravitational potential energy each swing.

Sankey diagrams show the redistribution: arrows split in proportion to the energy flows (draw them to scale — width ∝ energy).

Worked check. A 60 W lamp gives 6 W of light: efficiency 效率 $= 6/60 \times 100 = 10\%$.

Energy resources

Fuels are chosen for ease of storage, energy content and safety; some transfer more of their energy usefully than others. National generation trades renewability against cost, reliability and the environmental cost of extraction, use and disposal.

Check yourself

1. Calculate the work done by a 50 N force moving 4 m.
2. Calculate the elastic energy in a spring (k = 200 N/m) stretched 0.15 m.
3. A 2 kg book is lifted 3 m at g = 10 N/kg. Calculate the GPE gained.
4. What happens to the kinetic energy of a car when it brakes?
5. A motor transfers 800 J in 20 s. Calculate its power.
6. State the efficiency equation in energy and power forms.
7. A lamp gives out 12 J of light for every 100 J in. Calculate the efficiency.
8. What does a Sankey diagram's arrow width show?
9. Give one advantage and one drawback of wind power.
10. What does "dissipated" mean?

Answers: 1 $W = 50 \times 4 = 200$ J; 2 $E_e = \frac{1}{2} \times 200 \times 0.0225 = 2.25$ J; 3 $E_p = 2 \times 10 \times 3 = 60$ J; 4 it is transferred to thermal energy of the brakes and surroundings by the friction force (the brakes heat up); 5 $P = 800/20 = 40$ W; 6 useful energy out ÷ total energy in (×100 %); equally useful power out ÷ total power in; 7 $12/100 \times 100 = 12\%$; 8 the energy flowing in that direction — width is proportional to energy; 9 renewable with no fuel or emissions; unreliable output with visual impact; 10 transferred to less useful stores (often waste heat), so it cannot readily do what we want.

Ondas: transporte de energía e información

Las ondas transportan energía desde una fuente hasta un receptor sin mover materia — luz al ojo, sonido al oído, radio al teléfono. Este tema construye el modelo ondulatorio (frecuencia, longitud de onda, velocidad), luego lo aplica a todo el espectro electromagnético, al sonido y (P) ultrasonido, reflexión, refracción con reflexión interna total, y (P) lentes y el ojo.

OxfordAQA International GCSE Física 9203, tema 3.3 (Versión 5.1). Las afirmaciones marcadas (P) son solo para Examen-2-.

Propiedades generales de las ondas

Transversal: oscilaciones perpendiculares al desplazamiento — ondas electromagnéticas y del agua. Longitudinal: oscilaciones paralelas, como compresiones y rarefacciones — sonido; las ondas mecánicas pueden ser cualquiera de las dos. En una frontera, las ondas se reflejan, transmiten o absorben; la refracción surge de un cambio de velocidad entre medios, y la difracción expande las ondas a través de una abertura — fuertemente cuando la abertura es comparable a la longitud de onda.

Amplitud, longitud de onda, frecuencia, período y frentes de onda definen cualquier onda, y:

Ejercicio resuelto. Una onda de agua con frecuencia 2 Hz y longitud de onda 1.5 m se propaga a $2 \times 1.5 = 3$ m/s.

El espectro electromagnético

Una familia continua, todas transversales, todas a la misma velocidad en el vacío, ordenadas desde radio (10⁴ m y más) hasta gamma (10⁻¹⁵ m). La luz visible es la banda estrecha que detectan nuestros ojos; diferentes longitudes de onda son diferentes colores. Todos los objetos emiten y absorben infrarrojo; (P) los objetos más calientes irradian más y a frecuencias mayores (radiación de cuerpo negro), las superficies oscuras y mate absorben y emiten mejor, mientras que las claras y brillantes reflejan.

Usos: radio — televisión y radio incluyendo Bluetooth; microondas — teléfonos, televisión satelital; infrarrojo — mandos a distancia, visión nocturna, calefacción; visible — fotografía, fibra óptica; UV — marcas de seguridad; rayos X — imágenes médicas; gamma — esterilización de instrumentos y alimentos. Peligros: las microondas calientan tejidos; el infrarrojo quema; el UV causa cáncer de piel y ceguera; los rayos X matan células en dosis altas; el gamma causa mutaciones: limite el tiempo de exposición y la distancia, y utilice blindaje.

Rayos X: muy corta longitud de onda, alta energía, ionizante; afectan la película fotográfica, son absorbidos por metal y hueso, y transmitidos por tejidos blandos — base de la TC, imágenes de fracturas y dentales, y del tratamiento del cáncer (con monitoreo cuidadoso de las dosis del personal).

Sonido e ultrasonido

El sonido es longitudinal, vibrando un medio, audible entre 20 Hz y 20 000 Hz; el tono sigue a la frecuencia, el volumen sigue a la amplitud. El sonido se refleja (ecos) y difracta. (P) El ultrasonido está por encima de 20 kHz: en una interfaz entre medios se refleja parcialmente, y el tiempo del eco localiza la interfaz:

Ejercicio resuelto. Un pulso de ultrasonido regresa de una interfaz fetal después de $6.0 \times 10^{-5}$ s (velocidad 1500 m/s en tejido): profundidad de la interfaz $= 1500 \times 6.0\times10^{-5}/2 = 4.5$ cm — divida por dos para el viaje de ida y vuelta. Usos: ecografía prenatal, ruptura de cálculos renales.

Reflexión y refracción

Ley de reflexión: ángulo de incidencia = ángulo de reflexión, medidos respecto a la normal. Un espejo plano produce una imagen virtual, derecha e invertida lateralmente; construya diagramas de rayos con la normal dibujada. (P) La luz que entra en un medio más denso se frena y se desvía hacia la normal; hacia uno menos denso, se aleja; un prisma dispersa la luz blanca en un espectro. El índice de refracción compara velocidades:

Más allá del ángulo crítico en el medio más denso, la luz se refleja internamente totalmente — cómo las fibras ópticas transportan luz visible e infrarroja para medicina (endoscopios) y comunicaciones. Práctica requerida: refracción de la luz por diferentes sustancias.

Lentes y el ojo (P)

Una lente convexa (convergente) enfoca rayos paralelos al foco principal (longitud focal desde la lente); una lente cóncava (divergente) los dispersa como si vinieran del foco. Las imágenes se describen como más grandes/más pequeñas, derechas/invertidas, reales/virtuales; los diagramas de rayos en papel milimetrado las muestran, y aumento = altura de la imagen ÷ altura del objeto. Una lente convergente sostenida cerca actúa como lupa (virtual, derecha, aumentada).

El ojo: retina (detector), córnea (refracción principal), lente de enfoque variable, pupila/iris (diafragma), músculo ciliar y ligamentos suspensorios (cambian la forma de la lente). Punto cercano ≈ 25 cm; punto lejano en infinito. Hipermetropía (globo ocular demasiado corto) se corrige con una lente convexa; miopía (demasiado largo) con una lente cóncava; los láseres pueden remodelar la córnea en cirugía. Ante una cámara: el ojo enfoca cambiando la forma de la lente, la cámara cambiando la distancia lente-película; la retina cumple el rol del CCD.

Compruébalo tú mismo

1. Indique las direcciones de oscilación de ondas transversales y longitudinales, con un ejemplo de cada una.
2. Enuncie v = fλ y calcule la velocidad de una onda de 500 Hz con longitud de onda 0.68 m.
3. ¿Cuándo es más fuerte la difracción a través de una abertura?
4. Ordene el espectro EM según frecuencia creciente.
5. ¿Qué superficies absorben mejor el infrarrojo?
6. Indique el rango de frecuencias del oído humano.
7. (P) Un eco de ultrasonido regresa en 0.0001 s desde una profundidad de 15 cm. ¿Cuál es la velocidad?
8. Enuncie la ley de reflexión y la naturaleza de la imagen en un espejo plano.
9. (P) El vidrio tiene n = 1.5. Calcule el ángulo crítico.
10. (P) ¿Qué lente corrige la miopía y por qué?

Respuestas: 1 perpendicular — luz; paralelo, compresiones — sonido; 2 $v = 500 \times 0.68 = 340$ m/s; 3 separación ≈ una longitud de onda; 4 radio → microondas → IR → visible → UV → rayos X → gamma; 5 oscuro, mate; 6 20 Hz–20 kHz; 7 (P) $v = 0.3/10^{-4} = 3000$ m/s (ida y vuelta).

Respuestas continuadas: 8 i = r; virtual, derecha, invertida lateralmente; 9 (P) $\sin c = 1/1.5$, $c \approx 41.8°$; 10 (P) una lente cóncava — dispersa la luz para que el ojo demasiado largo la enfoque en la retina.

El modelo corpuscular de la materia

Todo está compuesto por partículas. Su energía, separación y movimiento explican los estados de la materia, el calentamiento y enfriamiento, y por qué los puentes necesitan juntas de expansión. El cuarto tema de OxfordAQA construye este modelo y lo cuantifica: calor específico, los calores latentes (P), evaporación, diseño de transferencia de energía y expansión térmica.

OxfordAQA International GCSE Física 9203, tema 3.4 (Versión 5.1). Las afirmaciones marcadas (P) son exclusivas del Papel-2-solo.

Teoría cinética

Calor específico c es la energía necesaria para elevar la temperatura de 1 kg de una sustancia en 1 °C:

Ejemplo resuelto. Calentar 1.5 kg de agua ($c = 4200$) en 40 °C: $E = 1.5 \times 4200 \times 40 = 252\,000$ J.

(P) Cambiar de estado requiere energía sin cambio de temperatura: calor latente de vaporización $E = m \times L_V$ (líquido → vapor) y calor latente de fusión $E = m \times L_F$ (sólido → líquido). Las impurezas modifican los puntos de fusión y ebullición. Práctica requerida (P): curva de enfriamiento para ácido esteárico.

Transferencias de energía y movimiento de partículas

Conducción transmite energía a través de un sólido mediante vibraciones de partículas, favorecida por los electrones libres en metales; los aislantes carecen de ambos. Convección circula fluidos: las partículas ganan energía, se separan, el fluido se vuelve menos denso y asciende, mientras el fluido más frío desciende. Evaporación convierte moléculas superficiales rápidas en vapor, enfriando lo restante — más rápida con mayor temperatura, mayor área superficial, corrientes de aire y menor humedad; la condensación invierte este proceso.

La tasa de transferencia de energía por calentamiento aumenta con el área superficial y volumen, el material, la superficie de contacto y la diferencia de temperatura. El diseño sigue estas reglas: aletas de refrigeración maximizan el área; el tamaño relativo de las orejas de los animales se adapta al clima. La mayoría de las sustancias se expanden al calentarse — un riesgo para techos y puentes (juntas y rodillos), útil en el termostato de tira bimetálica que se dobla cuando un metal se expande más que el otro y interrumpe el circuito.

Compruébalo tú mismo

1. Describe the arrangement of particles in a liquid.
2. Define specific heat capacity.
3. Calculate the energy required to heat 2 kg of aluminium (c = 900) by 30 °C.
4. (P) Why does the temperature remain constant while a substance freezes?
5. (P) 0.5 kg of a substance has L_F = 330 000 J/kg. Calculate the energy needed to melt it.
6. Explain conduction in metals, naming the additional charge carriers.
7. Explain why warm water rises.
8. State three factors that increase the rate of evaporation.
9. State one hazard and one use of thermal expansion.
10. Why do cooling fins have a large surface area?

Answers: 1 particles are close together but arranged randomly, moving past each other; 2 the energy needed to raise the temperature of 1 kg of the substance by 1 °C; 3 $E = 2 \times 900 \times 30 = 54\,000$ J; 4 (P) the energy released as bonds form (latent heat of fusion) leaves at the same rate energy is removed, so the kinetic energy of the particles remains unchanged; 5 (P) $E = 0.5 \times 330\,000 = 165\,000$ J; 6 vibrating particles transfer energy to neighbours, and free electrons carry energy quickly through the metal; 7 warmer particles move further apart, making that water less dense than its surroundings, so it rises; 8 higher temperature, larger surface area, air movement over the surface (also lower humidity); 9 hazard — expansion of bridges/roofs requires gaps; use — the bending bimetallic strip in a thermostat; 10 larger area transfers energy to the surroundings faster by heating.

Electricity and magnetism

Electricity is charge on the move, guided by potential difference, resisted by every component — and every current makes a magnetic field. OxfordAQA's largest topic builds the circuit toolkit, the component behaviours, and the electromagnets that follow.

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topic 3.5 (Version 5.1). Statements marked (P) are Paper-2-only.

Electrical circuits

Metals conduct because they have free electrons; (P) an isolated charge imbalance is static electricity, discharged when a conducting route appears (lightning). Current is the rate of flow of charge:

Voltage drives charge round a circuit; potential difference across a component measures the energy transferred per unit charge (volts = joules per coulomb). Learn the standard symbols — switch, lamp, fuse, cell, battery, diode, resistor, variable resistor, thermistor, LDR, LED, ammeter and voltmeter.

At constant temperature a resistor's V–I graph is a straight line (ohmic); a filament lamp curves as its ions vibrate more with temperature; a diode conducts forward only; (P) a thermistor's resistance falls as temperature rises (thermostats); an LDR's falls as light rises (automatic lighting); an LED emits light forward and saves energy versus filament and CFL lamps.

Series: same current, p.d.s shared, resistances add. Parallel: same p.d., currents split, combined resistance less than either. Charge colliding with the lattice heats every resistor.

Worked check. A 230 V lamp draws 0.25 A: $R = 230/0.25 = 920\ \Omega$. Two 4 Ω resistors in series across 12 V carry $I = 12/8 = 1.5$ A; in parallel, $R = 2\ \Omega$ and the supply gives $I = 12/2 = 6$ A.

Magnetism and electromagnetism

Poles: like repel, unlike attract — non-contact forces. Field lines run N to S outside a magnet; opposite poles facing give a uniform field between them. An induced magnet attracts while in the field and loses magnetism on removal; the Earth's field lets a plotting compass navigate.

A current-carrying wire has circular field lines around it (stronger current → stronger field; reverse current → reverse direction). A solenoid 螺线管 concentrates the field; with a soft-iron core it is an electromagnet 电磁铁 — switchable, adjustable, used in scrapyard cranes, relays and door locks. Required practical: the factors determining an electromagnet's strength.

Check yourself

1. Why do metals conduct?
2. State the relationship between current, charge and time with units.
3. Calculate the charge flowing when 2 A passes for 30 s.
4. State the V-I shape for a resistor at constant temperature and for a filament lamp.
5. (P) What happens to a thermistor's resistance as temperature rises?
6. State the current and p.d. rules for series and for parallel connections.
7. Calculate R for a 12 V supply pushing 0.5 A.
8. State the pole rule and the direction of field lines outside a magnet.
9. What is an induced magnet?
10. Name two ways to strengthen an electromagnet.

Answers: 1 they contain free electrons that drift when a p.d. is applied; 2 Q = It, charge in coulombs = current in amperes × time in seconds; 3 Q = 2 × 30 = 60 C; 4 straight line through the origin; S-curve flattening as current (and so temperature) rises; 5 (P) it falls — used in thermostats; 6 series — same current everywhere, p.d.s add; parallel — same p.d. across branches, currents add; 7 R = 12/0.5 = 24 Ω; 8 like poles repel, unlike attract; N to S outside the magnet; 9 a magnetic material that becomes a magnet only while placed in a field — attraction only, losing most magnetism on removal; 10 more turns on the coil; larger current (also a soft-iron core).

Generating and distributing electricity

Move a magnet, move a current — a p.d. appears. OxfordAQA's sixth topic runs the full chain from the generator effect through the national grid's transformers to the appliances and safety systems of the home. All statements in this topic are Paper-2 (P).

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topic 3.6 (Version 5.1) — entirely (P) content.

Generating electricity (P)

The generator effect 发电机效应 induces a p.d. across a conductor that moves through a magnetic field, or sits in a changing field. Reverse the motion or the polarity and the induced p.d. reverses; the induced current's own field opposes the change. The p.d. grows with faster movement, stronger field, more turns and larger coil area.

An alternator spins a coil in a field to make a.c.; a dynamo gives d.c. — know the p.d.–time graphs. Power stations spin turbines to turn coils between magnets.

Transmission, transformers and the home (P)

From the station to the socket, every watt travels the same chain of coils and cables.

For a given power, high transmission voltage means low current and so little cable heating. A transformer 变压器 is two coils on a soft-iron core: alternating current in the primary makes a changing field that induces a p.d. in the secondary.

Step-up before the lines, step-down after; switch-mode transformers (50–200 kHz) are small and light — phone chargers.

Worked check. A transformer steps 25 kV up to 400 kV with 1000 primary turns: $n_s = 1000 \times 400/25 = 16\,000$ turns. At 100 MW the line current is $I = P/V = 10^8/(4 \times 10^5) = 250$ A.

Cells give d.c.; mains is a.c. with fixed frequency and voltage — read period and frequency from oscilloscope-style traces. Safety: earthing 接地 drains fault current from metal casings; a fuse 保险丝 melts or a circuit breaker trips on excess current — the breaker is faster and resettable; double-insulated appliances need no earth.

The motor effect (P)

A current-carrying wire across a magnetic field feels a force (zero if parallel to it). Force grows with stronger field, bigger current and more wire in the field; reverse either to reverse the force — Fleming's left-hand rule 左手定则 predicts the direction.

A current-carrying coil in a field rotates — the electric motor.

Transferring electrical energy (P)

Appliance labels give power; compute the current to choose a fuse, and the energy in kilowatt-hours for billing (E = Pt; cost = kWh × price per unit, read from meter readings).

Worked check. A 2.0 kW heater for 3 h uses 6.0 kWh; at 0.9 per kWh that costs 5.4. A 230 V, 1.1 kW kettle draws I = 1100/230 ≈ 4.8 A — fit a 5 A or 13 A fuse (next rating above).

Check yourself

1. State two ways to induce a p.d. in a conductor.
2. Give three factors that increase the size of an induced p.d.
3. Sketch the p.d.–time graphs of an alternator and a dynamo.
4. Why does the grid transmit at high voltage?
5. A transformer has 200 primary and 3000 secondary turns on 12 V a.c. Calculate the secondary p.d.
6. State the turns-ratio and power equations for a 100 % efficient transformer.
7. Explain how earthing and a fuse protect a user together.
8. State Fleming's left-hand rule.
9. Calculate the current of a 230 V, 2.3 kW heater, and a sensible fuse.
10. Calculate the energy in kWh used by a 1.5 kW kettle in 20 minutes.

Answers: 1 move the conductor through a field; place it in a changing magnetic field; 2 faster motion; stronger field; more turns (also larger coil area); 3 alternator — a sine wave about zero; dynamo — humps all above (or all below) the axis; 4 for the same power the current is smaller, so I²R heating losses in the cables are far lower; 5 $V_s = 12 \times 3000/200 = 180$ V; 6 $V_p/V_s = n_p/n_s$ and $V_p I_p = V_s I_s$; 7 the earth wire gives the fault current a path to earth, and the surge blows the fuse, disconnecting the live wire; 8 first finger Field, second finger Current, thumb Motion — mutually at right angles; 9 I = 2300/230 = 10 A — use a 13 A fuse; 10 t = 1/3 h, so E = 1.5 × 1/3 = 0.5 kWh.

Nuclear physics

The nucleus is a millionth of the atom yet holds nearly all its mass — and unstable nuclei pour out energy as radiation, fission fragments, or the fusion that lights the stars. OxfordAQA's seventh topic covers the nuclear model, the three radiations, half-life, contamination versus irradiation, reactors and (P) fusion.

OxfordAQA International GCSE Physics 9203, topic 3.7 (Version 5.1). Statements marked (P) are Paper-2-only.

Atomic structure

An atom is about 10⁻¹⁰ m across: a tiny positive nucleus (protons and neutrons, nearly all the mass) with electrons around it — Rutherford's alpha-scattering evidence for the concentrated nucleus. Proton mass 1 charge +1; neutron mass 1 charge 0; electron charge −1, negligible mass. A neutral atom has equal protons and electrons; atoms lose or gain electrons to become ions.

${}^{A}_{Z}X$: A = mass number (protons + neutrons), Z = proton number; isotopes share Z and differ in neutrons.

Ionising radiation from the nucleus

Unstable nuclei decay randomly, unaffected by chemistry or physics, emitting:

Nuclear equations conserve mass number and charge: ${}^{238}_{92}U \rightarrow\, {}^{234}_{90}Th +\, {}^{4}_{2}He$ (alpha); ${}^{14}_{6}C \rightarrow\, {}^{14}_{7}N +\, {}^{0}_{-1}e$ (beta). Background radiation comes from rocks, space, food and medical devices. (P) The half-life 半衰期 is the time for half the nuclei (or half the count rate) to decay — most unstable nuclei have short half-lives; the least unstable last millennia. Contamination 沾污 (radioactive atoms on you) is a lasting hazard; irradiation 照射 exposes without making you radioactive. Dangers: mutations, cell and tissue damage.

Nuclear fission and (P) fusion

Fission 裂变 splits a large unstable nucleus: U-235 or Pu-239 absorbs a neutron, splits into two smaller nuclei with 2–3 neutrons and far more energy than any chemical reaction. Neutrons striking further nuclei give a chain reaction; in a reactor control rods absorb neutrons to hold one fission per neutron.

Radioactive waste stays dangerous for times set by its half-life — a managed-disposal cost of nuclear power. (P) Fusion 聚变 joins two light nuclei into a heavier one, converting mass to energy: it powers the stars, but positive nuclei repel, so it needs extreme temperature and pressure.

Check yourself

1. Give the relative masses and charges of the proton, neutron and electron.
2. In ${}^{19}_{9}F$, how many protons and neutrons?
3. What did alpha scattering reveal about the atom?
4. Name the three radiations and their natures.
5. Which radiation is stopped by paper, and which penetrates aluminium?
6. Balance the alpha decay of ${}^{226}_{88}Ra$.
7. (P) Define half-life.
8. (P) Explain the difference between contamination and irradiation.
9. What do control rods do in a reactor?
10. (P) Why does fusion need extreme temperatures?

Answers: 1 proton 1/+1; neutron 1/0; electron negligible/−1; 2 9 protons, 10 neutrons; 3 mass and positive charge concentrate in a tiny nucleus — most alphas pass, a few bounce; 4 alpha — helium nucleus; beta — fast electron; gamma — EM wave; 5 alpha; gamma (needs thick lead); 6 ${}^{226}_{88}Ra \rightarrow\, {}^{222}_{86}Rn +\, {}^{4}_{2}He$; 7 (P) the time for half the nuclei (or the count rate) to halve; 8 (P) contamination — radioactive material on you, a hazard until removed; irradiation — exposure to radiation, ending when the source leaves; 9 absorb neutrons, holding the chain to one fission per neutron — steady; 10 (P) positive nuclei repel; they must collide at enormous speed to fuse.

Física espacial

La gravedad agrupa polvo en estrellas, las estrellas fusionan elementos, y el corrimiento al rojo de galaxias lejanas nos dice que todo el universo se expande desde un inicio hace 14 mil millones de años. El tema final de OxfordAQA cierra el curso con ciclos estelares, órbitas y evidencia del Big Bang.

Física OxfordAQA International GCSE 9203, tema 3.8 (Versión 5.1). Las afirmaciones marcadas con (P) son solo para Examen-2-.

Ciclo de vida de una estrella

Las estrellas se forman cuando la gravedad atrae polvo y gas (principalmente hidrógeno y helio) hacia un punto — los grumos más pequeños dan origen a planetas. Durante la larga fase de secuencia principal, el hidrógeno se fusiona para formar helio en el núcleo, equilibrando la gravedad con las fuerzas externas. Cuanto más masiva es una estrella, más caliente es su núcleo y más pesados son los núcleos que puede sintetizar mediante fusión.

Cuando se agota el hidrógeno, la masa determina el final. Una estrella similar al Sol se expande hasta convertirse en una gigante roja, expulsa sus capas externas y su núcleo expuesto se enfría de enana blanca a enana negra. Una estrella masiva se expande hasta convertirse en una supergigante roja, fusiona elementos cada vez más pesados (carbono, nitrógeno, oxígeno) y luego explota como una supernova — dispersando los elementos (los más pesados que el hierro se crean durante la propia explosión) — dejando tras de sí una estrella de neutrones o un agujero negro. La fusión en estrellas y supernovas produjo todos los elementos existentes naturalmente: el universo temprano solo contenía hidrógeno.

Sistema solar y movimiento orbital

El sistema solar: ocho planetas orbitando alrededor del Sol, además de lunas, asteroides, planetas enanos y cometas. La Vía Láctea es una de miles de millones de galaxias, cada una con miles de millones de estrellas. Los satélites artificiales orbitan la Tierra en órbitas geostacionarias u órbitas polares bajas.

La gravedad proporciona la fuerza centrípeta: actúa hacia el centro, cambiando la dirección del movimiento (velocidad) sin alterar la rapidez. A mayor distancia, menor es la gravedad, por lo que la velocidad orbital es menor: para mantenerse en un radio determinado, un satélite debe moverse a la velocidad correspondiente — si cambia la velocidad, el radio de la órbita también cambia.

Desplazamiento al rojo y el universo en expansión (P)

Una fuente de ondas en movimiento cambia la longitud de onda observada (efecto Doppler): las fuentes que se alejan estiran las ondas — mayor longitud de onda, menor frecuencia. Cuanto más lejos está una galaxia, más rápido se aleja y mayor es el desplazamiento al rojo — el propio espacio se está expandiendo, lo que indica un origen muy pequeño: el Big Bang. El fondo de microondas cósmico — radiación que llena el universo poco después de ese inicio — es el segundo pilar; la teoría del Big Bang es actualmente la única que la explica.

Compruébalo tú mismo

1. ¿Qué atrae el polvo y el gas para formar estrellas?
2. ¿Qué ocurre en el núcleo de una estrella de secuencia principal?
3. Enumere las tres etapas que atraviesa una estrella similar al Sol después de su secuencia principal.
4. ¿Qué estrellas se convierten en supernovas?
5. ¿Dónde se forman los elementos más pesados que el hierro?
6. Nombren los dos tipos de órbita de satélites artificiales.
7. ¿Por qué se mueve más lentamente un satélite en una órbita más alta?
8. (P) ¿Qué sucede con la longitud de onda de una onda cuando su fuente se aleja?
9. (P) Indica las dos pruebas del Big Bang.
10. (P) ¿Qué es el FMC?

Respuestas: 1 atracción gravitatoria; 2 los núcleos de hidrógeno se fusionan en helio, liberando energía, con gravedad equilibrada; 3 gigante roja, enana blanca, enana negra (tres etapas después de la secuencia principal); 4 estrellas mucho más masivas que el Sol; 5 en explosiones de supernova; 6 geoestacionaria y polar baja; 7 la gravedad disminuye con la separación, por lo que la fuerza centrípeta —y la velocidad que requiere— es menor; 8 (P) aumenta (corrimiento al rojo), y la frecuencia observada disminuye; 9 (P) corrimiento al rojo galáctico aumentando con la distancia, y la radiación cósmica de fondo; 10 (P) radiación electromagnética que llena el universo, restante de poco después del Big Bang.