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47 pages

N12/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ0/XX

Wednesday 14 November 2012 (morning)

Physicshigher levelPaPer 3

INSTRUCTIONS TO CANDIDATES

• Write your session number in the boxes above.• Do not open this examination paper until instructed to do so.• Answer all of the questions from two of the Options.• Write your answers in the boxes provided.• A calculator is required for this paper.• A clean copy of the Physics Data Booklet is required for this paper.• The maximum mark for this examination paper is [60 marks].

1 hour 15 minutes

© International Baccalaureate Organization 2012

Candidate session number

0 0

Examination code

8 8 1 2 – 6 5 0 3

0148

88126503

–2– N12/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ0/XX

0248

Option E — Astrophysics

E1. Thisquestionisaboutstars.

TheHertzsprung–Russell(HR)diagramshowstheSun,astarlabelledAandthemainsequence.

absolutemagnitude

–10

–5

0

5

10

15

mainsequence

starA

Sun

O B A F G K Mspectralclass

(a) (i) Defineabsolute magnitude. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) Stateonephysicalpropertyofastarthatisdeterminedbyitsspectralclass. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(This question continues on the following page)

–3–

Turn over


(Question E1 continued)

(iii) SuggestwhystarAhasagreaterradiusthantheSun. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) StarAispartofabinarystarsystem. ThediagramshowstheorbitofstarAandtheorbitof itscompanion,starB.

starB starA toEarth

ThetemperatureofstarAis AT ,thetemperatureofstarBis BT and A

B

TT

=0.60.Theradius

ofstarAis AR ,theradiusofstarBis BR and A

B

RR

=270.

(i) ShowthattheluminosityofstarAis9.4×103timesgreaterthantheluminosityofstarB. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) DrawtheapproximatepositionofstarBontotheHRdiagramonpage2. [1]


0348



(c) ThediagrambelowshowsthespectrumofthestarsasobservedfromEarth.ThespectrumshowsonelinefromstarAandonelinefromstarB,whenthestarsareinthepositionshowninthediagram(b).

linefromstarB linefromstarA

increasingwavelength

On the spectrumdraw lines to show the approximatepositionsof these spectral linesafterthestarshavecompletedonequarterofarevolution. [2]

0448

–5–

Turn over


E2. ThisquestionisaboutCepheidstars.

(a) ThestarηAquilaeisaCepheidstar.Itsapparentmagnitudevariesfrom3.6to4.4withaperiodof7.2days.

(i) StatethereasonforthevariationoftheCepheid’sbrightness. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) TheaverageabsolutemagnitudeMofaCepheidstarandtheperiodT indaysofthevariationofitsbrightnessarerelatedbytheequationbelow.

102.83log 1.81M T= − −

DeterminethedistancetoηAquilae. [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) A Cepheid star and non-Cepheid star both belong to the same distant galaxy.Explain, stating the quantities that need to be measured, how the luminosity of thenon-Cepheidstarmaybedetermined. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

0548


E3. Thisquestionisaboutcosmology.

(a) Theoreticalstudiesindicatethattheuniversemaybeopen,closedorflat.

(i) State,byreferencetocriticaldensity, theconditionthatmustbesatisfiedfor theuniversetobeflat. [1]

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(ii) Inaflatuniverse,therateofexpansionwouldbeslowingdown.Suggestareasonforthis. [1]

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(iii) Outlinewhyithasbeendifficulttodeterminewhethertheuniverseisopen,closedorflat. [2]

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0648

–7–

Turn over



(b) Outline one piece of experimental evidence that supports the fact that the universeisexpanding. [2]

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0748


E4. Thisquestionisaboutstellarevolution.

(a) Amainsequencestarhasamassof2.2M�whereM =� 1solarmass. Thelifetimeof

a star on themain sequence is proportional to MLwhereM is themass andL is the

luminosityofthestar.

Usingthemass–luminosityrelationL ∝ M 3.5showthatthe

(i) luminosityofthestaris16L�whereL =� 1solarluminosity. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) lifetimeofthisstaronthemainsequencewillbeapproximately17ofthelifetimeof

theSun. [2]

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0848

–9–

Turn over



(b) Thestarin(a)willevolvetobecomeawhitedwarf.Thediagramrepresentsthestagesintheevolutionofthestar.

main white sequence dwarf

(i) Onthediagram,labelthetwointermediatestages. [2]

(ii) State what may be deduced about the mass of this star when it is in thewhitedwarf stage. [1]

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0948


E5. ThisquestionisaboutHubble’slaw.

(a) ThefractionalchangeinthewavelengthλoflightfromthegalaxyHydraisλλ∆

=0.204.ThedistancetoHydrais820Mpc.

Estimateinkms–1Mpc–1avaluefortheHubbleconstant. [2]

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(b) Anestimateoftheageoftheuniverseis1HwhereHistheHubbleconstant.Suggestwhy

1Hoverestimatestheageoftheuniverse. [2]

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1048

–11–

Turn over


Pleasedo notwriteonthispage.

Answerswrittenonthispagewillnotbemarked.

1148


Option F — Communications

F1. Thisquestionisaboutmodulation. ThediagramshowsthevariationwithtimetofthevoltagesignalVofanamplitudemodulated

carrierwave.

V/V 4

3

2

1

0

–1

– 2

– 3

– 4

10 2 3 4 5 6t/μs

(a) Determinethe

(i) frequencyofthecarrierwave. [1]

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(ii) frequencyofthesignal(information)wave. [1]

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1248

–13–

Turn over


(Question F1 continued)

(iii) amplitudeofthesignalwave. [1]

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(b) On the axes below, draw the spectrumof themodulatedwave, i.e. the variationwithfrequency f oftheamplitudeof thevoltageV. [2]

amplitudeofV/arbitraryunits

3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 f/MHz

1348


F2. Thisquestionisaboutdigitaltransmission.

(a) Thediagrambelowisablockdiagramforthedigitaltransmissionofananaloguesignal.

inputanaloguesignal

X Yserial-to- parallelconverter

DACoutputanaloguesignal

(i) StatethenamesofblocksXandY. [2]

X: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Y: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) Describethefunctionoftheserial-to-parallelconverter. [2]

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1448

–15–

Turn over



(b) The diagrams show the variation with time of the input and output analogue signalvoltages.

inputvoltage

time

outputvoltage

time

State and explain two ways inwhich the output signal could bemade to be amoreaccurate reproductionof the inputsignal. [4]

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1548


F3. Thisquestionisaboutopticfibres.

(a) State one advantage of the use of an optic fibre rather than a coaxial cable for thetransmissionof information. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) Suggest why, in transmitting information in an optic fibre, infrared electromagneticradiationratherthanvisiblelightisused. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(c) AsignalisfedintoanopticfibreoflengthL.

L

opticfibre input receiver

Thenoisepoweratthereceiveris noiseP ==4.2µW.Thesignaltonoiseratio signal

noise

. .10 logP

i eP

atthereceivermustexceed25dB.

(i) Showthattheminimumsignalpoweratthereceiveris1.3mW. [1]

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1648

–17–

Turn over



(ii) A signal of power 25mW is input to the optic fibre. The attenuation per unitlengthoftheopticfibreis0.30dBkm–1.DeterminethemaximumlengthLoftheopticfibre. [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

F4. Thisquestionisabouttheoperationalamplifier(op-amp).

(a) Statetwopropertiesofanidealoperationalamplifier(op-amp). [2]

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


1748



(b) Thediagramshowsacircuitthatincludesanop-amp.

INV OUTV

R

4.0kΩ

(zerovoltline)

Theoverallgainofthiscircuitis OUT

IN

26VV

= .CalculatetheresistanceofresistorR. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(c) Theop-ampoperateswitha±9.0Vsupply.DeterminethevalueoftheoutputvoltageOUTV forinputvoltages INV of

(i) − 0.30V. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) + 3.0V. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1848

–19–

Turn over


F5. Thisquestionisaboutthemobilephonesystem.

The diagram shows a few of the cells in a mobile phone system. Each cell has its ownbasestation. Thebasestationsareconnected toacellularexchange.

(a) Suggestwhythesizeofeachcellisusuallylimitedtonomorethanafewkilometres. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) Describehow,atanyoneinstant,manymobilephonesmaybecommunicatingwiththesamebasestation. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1948


Option G — Electromagnetic waves

G1. Thisquestionisaboutinterferenceoflightattwoparallelslits.

(a) Statetheconditionnecessarytoobserveinterferencebetweentwolightsources. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) Thediagrambelowshowsanarrangementforobservingadoubleslitinterferencepattern.A parallel beam of coherent light of wavelength 410nm is incident on two parallelnarrowslitsseparatedby0.30mm.Ascreenisplaced1.60mbeyondtheslits.

incidentlight0.30mm

1.60m

doubleslit screen (nottoscale)

Calculatethefringespacingonthescreen. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


2048

–21–

Turn over


(Question G1 continued)

(c) Theslitsin(b)arereplacedbyalargenumberofslitsofthesamewidthandseparationasthedoubleslit.Describetheeffectsthatthischangewillhaveontheappearanceofthefringesonthescreen. [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2148


G2. Thisquestionisaboutthesimplemagnifyingglassandthecompoundmicroscope.

(a) Define,fortheunaidedeye,thetermnear point. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) Aconverginglensisusedasamagnifyingglass.Onthediagramdrawraystoconstructtheimageoftheobject,o. [3]

o

f f

converginglens


2248

–23–

Turn over



(c) Thelenshasafocallengthf.Whentheimageisformedatthenearpoint,thedistanceuoftheobjectfromthelensisgivenby

f DuD f

=+

whereDisthenearpointdistance.

DeducethattheangularmagnificationMisgivenby

1 DMf

= + . [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


2348



(d) A compound microscope consists of an eyepiece lens of focal length 6.0cm and anobjectivelensoffocallength2.8cm.Anobjectisplaced3.4cmfromtheobjectivelensandthefinalimageoftheobjectisformedbythemicroscopeatthenearpoint.

Determinethe

(i) angularmagnificationoftheeyepiece.Takethenearpointdistancetobe25cm. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) distancefromtheobjectivelensoftheintermediateimageformedbythislens. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(iii) overallmagnificationofthecompoundmicroscope. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2448

–25–

Turn over


G3. Thisquestionisaboutthescatteringoflight.

Explain,withreferencetothescatteringoflight,whytheskyappearsredatsunset. [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2548


G4. ThisquestionisaboutX-rays.

(a) X-raysareproducedinanX-raytube.

(i) StateandexplainhowthecontinuousandcharacteristicX-rayspectraareproduced. [4]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) OutlinehowtheintensityoftheX-raysproducediscontrolled. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


2648

–27–

Turn over



(b) (i) SomeX-raysareproducedbyanacceleratingpotentialof25kV. Showthat theminimumwavelengthoftheseX-raysis5.0×10–11m. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) X-raysofwavelength5.0×10–11mareincidentonacrystal.Anintensescatteredbeamisobservedatanangleof19�toasetoflatticeplanesinthecrystal.

incidentX-rays

scattered X-rays

19� 19�

d

d

Calculatethelatticespacingdoftheseplanes. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2748


Option H — Relativity

H1. Thisquestionisaboutrelativistickinematics.

AsourceoflightSandadetectoroflightDareplacedonoppositewallsofaboxasshowninthediagram.

L=6.0m

S D v=0.80c

ground

AccordingtoanobserverintheboxthedistanceLbetweenSandDis6.0m.Theboxmoveswithspeedv=0.80crelativetotheground.

Considerthefollowingevents.

Event1:aphotonisemittedbyStowardsDEvent2:thephotonarrivesatD

(a) Inthecontextofthetheoryofrelativity,statewhatismeantbyanevent. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


2848

–29–

Turn over


(Question H1 continued)

(b) (i) Calculatethetimeintervaltbetweenevent1andevent2accordingtoanobserverinthebox. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) According to an observer on the ground the time interval between event 1 and

event2isT.Onestudentclaimsthat2

21

tTvc

=

−

andanotherthat2

21 vT tc

= − .

Explainwhybothstudentsarewrong. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


2948



(c) Relativetoanobserverontheground,

(i) calculatethedistancebetweenSandD. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) statethespeedofthephotonleavingS. [1]

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(iii) stateanexpressionforthedistancetravelledbydetectorDinthetimeintervalT(Tistheintervalin(b)(ii)). [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(iv) determineT,usingyouranswersto(c)(i),(ii)and(iii). [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


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(d) Describe how the Hafele–Keating experiment provides evidence in support of thespecialtheoryofrelativity. [3]

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3148


H2. Thisquestionisaboutrestmassandrelativisticenergy.

(a) (i) Definetherest massofaparticle. [1]

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(ii) Therestmassofaparticleissaidtobeaninvariantquantity.State,withreferencetospecialrelativity,whatismeantbytheterminvariant. [1]

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(b) In a thought experiment, two particles X andY, each of rest mass 380MeVc–2, areapproachingeachotherheadon.

X Y

0.60c 0.60c

ThespeedofXandofYis0.60crelativetoalaboratory.

(i) CalculatethemomentumofXintheframeofreferenceinwhichYisatrest. [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


3248

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Turn over



(ii) AsaresultofthecollisionasingleparticleZisformed.DeterminetherestmassofZ.Thegammafactorforaspeedof0.60cis1.25. [2]

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H3. Thisquestionaboutgeneralrelativity.

(a) Statetheprincipleofequivalence. [1]

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3348



(b) Agamma-rayphotonisemittedfromthebaseofatowertowardsthetopofthetower.

tower

photon

(i) Explain,using theprincipleofequivalence,why the frequencyof thephotonasmeasuredatthetopofthetowerislessthanthatmeasuredatthebaseofthetower. [3]

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(ii) Thefrequencyofthephotonatthebaseis3.5×1018Hzandthetoweris23mhigh.Determinetheshift∆ finthefrequencyofthephotonatthetopofthetower. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(iii) Suggest,usingyouranswerto(b)(ii),whythephotonfrequencymustbemeasuredverypreciselyforthisexperimenttobesuccessful. [1]

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3448

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H4. Thisquestionisaboutblackholes.

Thediagramshowsthepathofalightrayinthespacearoundablackhole.

blackhole

RS

(nottoscale)

TheradiusofthedottedcircleistheSchwarzschildradiusoftheblackhole.

(a) DefinetheSchwarzschild radiusofablackhole. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) Explain, using the concept of spacetime, why the path of the light ray is straight atdistancesfarfromtheblackholeandcurvedwhenneartheblackhole. [3]

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3548


Option I — Medical physics

I1. Thisquestionisabouttheearandhearing.

Thediagramshowstheprincipalfeaturesofthehumanear.

(a) Onthediagram,identify

(i) thecochleausingtheletterC. [1]

(ii) theossiclesusingtheletterO. [1]

(iii) theauditorynervesusingtheletterA. [1]

(b) Forapersonwithnormalhearing

(i) statetherangeoffrequenciesthatcanbeheard. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


3648

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(Question I1 continued)

(ii) describetheeffectofincreasingageonyouranswerto(b)(i). [2]

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(c) Explainwhatismeantbythefactthattheearhasalogarithmicresponsetochangesinsoundintensity. [2]

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(d) The intensityof soundat the earof aperson is 10–6Wm–2. Determinebyhowmuchthe intensityof thesoundmustbe increasedfor thesoundintensity levelat theear tobedoubled. [3]

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3748


I2. ThisquestionisaboutX-rays.

(a) Define the attenuation coefficient as applied to a beam of X-rays travelling througha medium. [2]

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(b) Derive the relationship between the attenuation coefficient µ and the half-valuethickness 1

2x . [2]

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3848

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Turn over



(c) Aluminium is often used to filter out the low energy X-rays in a beam of X-rays.Thefollowingdataareavailable foraparticularX-raybeam.

X-ray energy / keV half-value thickness of aluminium / mm

15 0.70

30 3.5

Assumingequalinitialintensities,determine,aftertheX-raybeamhaspassedthroughanaluminiumsheet6.0mmthick,thefollowingratio.

intensityof15keVX-raysintensityof30keVX-rays

[3]

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(d) OutlinewhyX-raysarenotsuitabletoimageanorgansuchastheliver. [2]

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3948


I3. Thisquestionisabouttheuseofradioactiveisotopesinmedicine.

(a) Distinguishbetweenthebiologicalhalf-lifeandeffectivehalf-lifeofaradioactiveisotope. [2]

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(b) Theradioactiveisotopeiodine-131undergoesbetadecaytothestableisotopexenon-131with a physical half-life of 8.0 days. Gamma radiation is also emitted in this decay.Iodine-131isreadilyabsorbedbythethyroidgland.Thebiologicalhalf-lifeis21days.

(i) Calculatetheeffectivehalf-lifeofiodine-131. [2]

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(ii) Suggestwhyiodine-131isoftenchosentotreatcancerofthethyroidgland. [3]

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4048

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Turn over



(c) Iodine-131canbeusedtoestimatethetotalbloodvolumeofapatient.

A small amount of the isotope is dissolved in 8.0cm3 of a solution. 4.0cm3 of thissolutionisinjectedintothepatient.Afterafewminutesa5.0cm3bloodsampleistaken.Theactivityofthissampleismeasuredtobe96Bq.

Theremaining4.0cm3ofthesolutionismixedwith1000cm3ofwater.Theactivityof5.0cm3ofthissolutionismeasuredtobe510Bq.

Estimatethetotalvolumeofbloodinthepatient. [3]

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4148


Option J — Particle physics

J1. Thisquestionisaboutquarks.

(a) Statethenameofaparticlethatisitsownantiparticle. [1]

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(b) Themeson 0K consistsofadquarkandanantisquark.The 0K decaysintotwopionsasshownintheFeynmandiagram.

0K

s

d

du

ud

π +

π −

(i) Stateareasonwhythekaon 0K cannotbeitsownantiparticle. [1]

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(ii) Explainhowitmaybededucedthatthisdecayisaweakinteractionprocess. [2]

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4248

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Turn over


(Question J1 continued)

(iii) Statethenameoftheparticledenotedbythedottedlineinthediagram. [1]

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(iv) Themassoftheparticlein(b)(iii)isapproximately1.6×10–25kg. Determinetherangeoftheweakinteraction. [2]

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(c) (i) Explainwhythemeson 0K doesnothaveanycolourquantumnumber. [2]

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(ii) Thedecay 0K p π+ −→ + isnotobserved.Stateoneconservationlawthatwouldbeviolatedifthisdecayweretooccur. [1]

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4348


J2. Thisquestionisaboutthecyclotronandthewirechamber.

(a) Thediagramshowsthe“dees”ofacyclotron.

source S

x x x x

x x x x

x x x x

x x x x

dees

vacuum

ProtonsareinjectedintothecyclotronfromasourceS.Thearrowindicatesthedirectionofaprotonafterithasleftthesource.Themagneticfieldisdirectedintotheplaneofthepage.

(i) Describehowtheprotonsareacceleratedinthecyclotron. [3]

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(ii) OnthediagramdrawthepathofaprotonafteritleavesS. [1]


4448

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Turn over


(Question J2 continued)

(b) Themaximumkineticenergyoftheacceleratedprotonsis8.0MeV.Oneoftheacceleratedprotonscollideswithastationaryproton.Determinetheavailableenergyinthecollision. [2]

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(c) Modernparticledetectorsusewirechambers.

(i) Statethefunctionofawirechamber. [1]

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(ii) Outlinetheoperationofawirechamber. [3]

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J3. Thisquestionisaboutdeepinelasticscattering.

(a) A student states that “the strong interaction is the strongest of the four fundamentalinteractions”.Explainwhythisstatementisnotcorrect. [2]

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(b) Describehowdeepinelasticscatteringexperimentssupportyouranswerto(a). [2]

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(c) Statetwootherconclusionsthatmaybereachedfromdeepinelasticscatteringexperiments. [2]

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J4. Thisquestionisabouttheearlyuniverse.

(a) The Large Hadron Collider (LHC) at CERN is designed to collide protons of totalenergy7TeVwithprotonsof the same total energymoving in theoppositedirection.In thisway it is hoped to recreate conditions of the very early universe. Predict thetemperatureoftheuniversethattheLHCwillberecreating. [2]

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(b) The very early universe contained almost equal quantities of matter and antimatter.Explainwhytheuniversenowpredominantlycontainsmatter. [2]

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