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36 pages
M13/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX
Tuesday 7 May 2013 (afternoon)
PhysicssTANDARD 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 [40 marks].
1 hour
© International Baccalaureate Organization 2013
Examination code
2 2 1 3 – 6 5 1 2
Candidate session number
0 0
0136
22136512
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0236
Option A — Sight and wave phenomena
A1. Thisquestionisabouttheeyeandsight.
(a) Outlinewhatismeantbyadditivecolourmixing. [1]
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0336
(Question A1 continued)
(b) Thegraphshowsthevariationwithwavelengthoflightabsorptionforthered-sensitiveconecellsofanormaleye.
lightabsorption/arbitraryunits200
150
100
50
0 350 400 450 500 550 600 650 700
wavelength/nm
Aibhehascolourblindnesswithreducedquantitiesofpigmentinherred-sensitivecones.
(i) Sketchonthegraphthelightabsorptioncurveofthered-sensitiveconesforAibhe. [2]
(ii) Stateandexplainthedifferenceintheperceivedcolour,betweenAibheandapersonwithnormalcolourvision,whenobservingamagenta(purple)objectinwhitelight. [3]
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0436
A2. Thisquestionisaboutradiotelescopes.
A distant galaxy emits radio waves of frequency 6.0×109Hz and is moving with speed6.0×106ms–1directlyawayfromanobserveronEarth.
(a) DeterminethewavelengthoftheradiowaveasmeasuredbytheobserveronEarth. [3]
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(b) TheradiosignalsfromtwostarsonoppositesidesofthegalaxyaredetectedonEarthusingaradiotelescope.Thetelescopehasacircularreceivingdish.
(i) StatetheRayleighcriterionfortheimagesoftwopointsourcestobejustresolved. [2]
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(ii) Thegalaxy is 2.0×1021m fromEarth and the stars are separatedby5.0×1019m.Determinetheminimumsizeofthetelescopedishrequiredtoresolvetheimagesofthetwostarsatawavelengthof5.1×10–2m. [2]
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0536
A3. Thisquestionisaboutstandingwavesinavibratingstring.
Aguitarstringvibratesat330Hzinitsfundamentalmode.
(a) Describetheformationofstandingwavesinastringfixedatbothends. [2]
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(b) Thelengthofthestringis0.64m.Calculatethevelocityofthewaveinthestring. [2]
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A4. Thisquestionisaboutpolarization.
Outlinehowpolarizationmaybeusedinstressanalysis. [3]
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0636
Option B — Quantum physics and nuclear physics
B1. Thisquestionisaboutatomicenergylevels.
(a) Explainhowatomicspectraprovideevidenceforthequantizationofenergyinatoms. [3]
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(b) Outline how the de Broglie hypothesis explains the existence of a discrete set ofwavefunctionsforelectronsconfinedinaboxoflengthL. [3]
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0736
(Question B1 continued)
(c) The diagrambelow shows the shape of two allowedwavefunctionsѱA andѱB for anelectronconfinedinaone-dimensionalboxoflengthL.
amplitudeofwavefunction
2L
ѱA ѱB
00position
L
(i) With reference to the de Broglie hypothesis, suggest which wavefunctioncorrespondstothelargerelectronenergy. [3]
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0836
(Question B1 continued)
(ii) Predictandexplainwhichwavefunctionindicatesalargerprobabilityoffindingthe
electronneartheposition2L inthebox. [2]
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(iii) Onthegraphin(c)onpage7,sketchapossiblewavefunctionforthelowestenergystateoftheelectron. [1]
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0936
B2. Thisquestionisaboutradioactivedecay.
Sodium-22undergoes β + decay.
(a) Identifythemissingentriesinthefollowingnuclearreaction. [3]
22 22 0 011 0Na Ne +e… …→ + …
(b) Definehalf-life. [1]
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(c) Sodium-22hasadecayconstantof0.27yr–1.
(i) Calculate,inyears,thehalf-lifeofsodium-22. [2]
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(ii) A sample of sodium-22 has initially 5.0×1023 atoms. Calculate the number ofsodium-22atomsremaininginthesampleafter5.0years. [2]
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1036
Option C — Digital technology
C1. Thisquestionisabouttheoperationalamplifier(op-amp).
(a) Statetwopropertiesofanidealoperationalamplifier(op-amp). [2]
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2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) An operational amplifier circuit is designed to switch on awarning buzzerwhen thepotentialdifference(pd)atpointAdropsbelowavoltageV.Pisconnectedtothesupplyrailsviaresistancesof50kΩand100kΩ.Thewarningbuzzersoundswhenthepdacrossitis30V.
+–
A Q
PR
50kΩ
100kΩ
+15V
–15V
buzzer
(i) ShowthatthevoltageatPis+5V. [2]
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(Question C1 continued)
(ii) StatethevalueofV. [1]
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(iii) ExplainwhythebuzzerwillswitchonwhenpointAdropsbelowvoltageV. [3]
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C2. Thisquestionisabouttheuseofmobilephones.
Statetwoenvironmentalissuesthatarisefromtheincreaseduseofmobilephones. [2]
1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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C3. Thisquestionisaboutacharge-coupleddevice(CCD)inadigitalcamera.
(a) MonochromaticlightisincidentonapixelintheCCDofadigitalcamera.Usingthedata,calculatethefrequencyofthemonochromaticlightincidentonthepixel.
Intensityoflight =1.8×10–5Wmm–2
Durationofexposure =2.5msAreaofpixel =1.9×10–5mm2
Quantumefficiencyofthepixel =80%Chargestoredonpixel =2.7×10–13C
[3]
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(Question C3 continued)
(b) Explain,withreferencetothechargecarriersinthepixel,howapotentialdifference(pd)isproducedinthepixel. [4]
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(c) ThedigitalinformationfromtheCCDisstoredonaDigitalVersatileDisc(DVD)thatisreadusinglaserlight.
Outline,withreferencetothepropertiesofthelaserlight,howtheDVDisread. [3]
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Option D — Relativity and particle physics
D1. Thisquestionisaboutrelativistickinematics.
SpeedyisinaspacecraftbeingchasedbyPoliceOfficerSylvester.InOfficerSylvester’sframeofreference,SpeedyismovingdirectlytowardsOfficerSylvesterat0.25c.
PoliceOfficerSylvester’sspacecraft
Speedy’sspacecraft
(a) Describewhatismeantbyaframeofreference. [2]
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(Question D1 continued)
(b) AtalatertimethepolicespacecraftisalongsideSpeedy’sspacecraft.ThepolicespacecraftisovertakingSpeedy’sspacecraftataconstantvelocity.
Officer Sylvester is at a pointmidway between the flashing lamps, both ofwhich hecan see. At the instant when Officer Sylvester and Speedy are opposite each other,Speedyobservesthatthebluelampsflashsimultaneously.
backlamp frontlamp
Speedy
PoliceOfficerSylvester
StateandexplainwhichlampisobservedtoflashfirstbyOfficerSylvester. [4]
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(Question D1 continued)
(c) Thepolicespacecraftistravellingataconstantspeedof0.5crelativetoSpeedy’sframeofreference.Thelightfromaflashofoneofthelampstravelsacrossthepolicespacecraftandisreflectedbacktothelightsource.OfficerSylvestermeasuresthetimetakenforthelighttoreturntothesourceas1.2×10–8s.
(i) Outline why the time interval measured by Officer Sylvester is a propertimeinterval. [1]
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(ii) Determine,asobservedbySpeedy,thetimetakenforthelighttotravelacrossthepolicespacecraftandbacktoitssource. [3]
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D2. Thisquestionisaboutelementaryparticles.
Thequarkissaidtobeanelementaryparticle.
(a) Statewhatismeantbythetermelementaryparticle. [1]
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(b) Thestronginteractionbetweentwonucleonshasarangeofabout10–15m.
(i) Identifythebosonthatmediatesthestronginteraction. [1]
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(ii) Determinetheapproximatemassofthebosonin(b)(i). [2]
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D3. ThisquestionisabouttheΩ–particle.
TheΩ–particleisabaryonwhichcontainsonlystrangequarks.
(a) DeducethestrangenessoftheΩ–particle. [1]
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(b) TheFeynmandiagramshowsaquarkchangethatgivesrisetoapossibledecayoftheΩ–particle.
s u
dπ–XY
(i) IdentifyX. [1]
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(ii) IdentifyY. [1]
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(Question D3 continued)
(c) Explain,withreferencetothestructureoftheΩ–particle,whytheconceptofquarkcolourwasintroduced. [3]
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2036
Option E — Astrophysics
E1. Thisquestionisaboutasteroids.
(a) Statethenatureofanasteroid. [1]
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(b) Statethepositionoftheasteroidbeltinthesolarsystem. [1]
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E2. Thisquestionisaboutthepropertiesofastar.
(a) ThepeakintheradiationspectrumofastarXisatawavelengthof300nm.
ShowthatthesurfacetemperatureofstarXisabout10000K. [2]
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2136
(Question E2 continued)
(b) TheradiusofstarXis4.5RSwhereRSistheradiusoftheSun.ThesurfacetemperatureoftheSunis5.7×103K.
Determinetheratio luminosityofstarXluminosityoftheSun
. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(c) OntheHertzsprung–Russelldiagram,labelthepositionofstarXwiththeletterX. [1]
relativeluminosity(Sun=1)
1000
100
10
1
0.1
0.01 40000 20000 10000 5000 2500
surfacetemperature/K
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2236
E3. Thisquestionisaboutvariablestarsandsupernovae.
Cepheidvariablestarsareusedas“standardcandles”byastronomers.
(a) (i) Statewhatismeantbyastandardcandle. [1]
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(ii) OutlinethepropertiesofaCepheidstarthatallowittobeusedasastandardcandle. [2]
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(iii) ExplainhowastronomersusetheirobservationsofaCepheidstartodeterminethedistancefromthestartoEarth. [3]
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2336
(Question E3 continued)
(b) Astronomerscanalsodeterminedistancebyobservingsupernovae.
AsupernovawasobservedfromEarth.Atthepeakofitsemissions,thesupernovahadanabsolutemagnitudeof–20andanapparentmagnitudeof13.
Determine,inparsec,thedistancefromEarthtothesupernova. [3]
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E4. ThisquestionisaboutNewton’smodeloftheuniverse.
Newtonsuggestedthattheuniverseisinfinite,uniformandstatic.
ForeachofNewton’sthreesuggestions,outlineonepieceofcurrentastronomicalevidencethatcontradictsthesuggestion. [3]
Infinite: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Uniform: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Static: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2436
Option F — Communications
F1. Thisquestionisaboutamplitudemodulation.
Thegraphshowsthepowerspectrumofacarrierwavethathasbeenamplitudemodulatedbyasingle-frequencyinformationsignal.
intensity
149.999 150.000 150.001 frequency/MHz
(a) Statethe
(i) frequencyoftheinformationsignal. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) bandwidthofthemodulatedsignal. [1]
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2536
(Question F1 continued)
(b) Frequencymodulated(FM)radiotransmissionispreferredtoamplitudemodulated(AM)radiotransmissionwhenhighaudioqualityisrequired.Explain,withreferencetotheamplitudeofthefrequencymodulatedsignal,whythisistrue. [3]
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(c) OutlinetwodisadvantagesintheuseofFMtransmissioncomparedtoAMtransmission. [2]
1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2636
F2. Thisquestionisaboutanalogue-to-digitalconversion.
A3-bitdigitalsystemfortheconversionofananaloguesignalintoadigitalsignalisshown.
B C
A
sampleandhold
inputsignal
(a) IdentifytheblocksA,BandC. [2]
A: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2736
(Question F2 continued)
(b) Thegraphshowsthevariationwithtimeofanaudiosignalvoltagethatisbeingconvertedtodigitalformina3-bitsystem.Thescaleontheleft-handy-axisshowstheanalogueinput to the converter. The scale on the right-hand y-axis shows the digital outputequivalent to the analogue input. The signal is sampled every1.0ms, beginning at asamplingtimet=0.0ms.
analogueinputvoltage/V
5
0
–5
–10
0 1 2 3 4 5 6
111
110
101
100
011
010
001
000
digitaloutputequivalent
time/ms
Theconversionprocessroundsthesignaldowntothelowerdigitalvalue.Forexample,whent=2.0msthedigitaloutputvalueis101.
The system is modified so that conversions are carried out at twice the originalsamplingrate.
(i) Asampleistakenat3.0ms.Deducethenexttwosamplingtimesandthedigitaloutputequivalentvaluesatthesetimes.Recordyouranswersinthetablebelow. [2]
Time / ms Digital output equivalent
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(Question F2 continued)
(ii) Outline why an increase in the number of bits per sample will improve thereproductionofthetransmittedsignal. [1]
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2936
F3. Thisquestionisaboutanopticfibre.
Monochromaticlightentersanopticfibre,fromair,alongdirectionAthatisatanangleθtotheaxisofthefibre.
A
θ
cladding
core
Therefractiveindexofthecoreis1.62andtherefractiveindexofthecladdingis1.52.Thecriticalangleatthecore-claddingboundaryis70.
(a) Calculatethegreatestangleofincidenceθthatcanbeusedwiththisfibre. [3]
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(b) Sketchthepathofthelightinthecoreonthediagramabove. [2]
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3036
(Question F3 continued)
(c) Informationistransmittedalongthefibreintheformofpulsedlight.Tworaysofthislightenterthecoreatthesameinstantasshowninthediagrambelow.
ray1
ray2
cladding
core
Discusstheeffectofmodaldispersiononthesubsequenttransmissionoftheinformationalongthefibre. [3]
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Option G — Electromagnetic waves
G1. Thisquestionisaboutlightandopticalinstruments.
Athinconvergingglasslenshasfocallengthf =0.20m.
(a) Anobjectisplaced0.10minfrontofthelens.
(i) Onthediagram,constructraystolocatetheimageoftheobject,O.ThefocalpointsofthelensarelabelledF. [3]
F FO
converginglens
(ii) Explainwhethertheimagein(a)(i)isrealorvirtual. [1]
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3236
(Question G1 continued)
(b) Theobjectin(a)isnowmovedsothatitislocated0.40mfromthelens.Calculate
(i) thedistanceoftheimagefromthelens. [2]
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(ii) thelinearmagnification. [2]
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(c) Statetypicalwavelengthsinavacuumfor
(i) bluelight. [1]
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(ii) redlight. [1]
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(Question G1 continued)
(d) The refractive index of the glass in the lens is greater for bluewavelengths than forredwavelengths.
Thediagramshowstworaysofbluelightincidentonthelens.
Onthediagram,sketchthepathsoftheraysifredlightisusedinsteadofbluelight. [1]
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G2. Thisquestionisaboutlaserlight.
(a) Laserlightismonochromaticandcoherent.Explainwhatismeantby
(i) monochromatic. [1]
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(ii) coherent. [2]
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(Question G2 continued)
(b) Abeamoflaserlightisincidentnormallyonadiffractiongratingwhichhas600linespermillimetre.Afringepatternisformedonascreen2.0mfromthediffractiongrating.
screen
laserlight
diffractiongrating
2.0m
centreofpattern
Thefringepatternformedonthescreenisshownbelow.
–0.65 0 0.65distancefromcentreofpattern/m
Determinethewavelengthofthelaserlight. [4]
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(Question G2 continued)
(c) The number of lines per millimetre in the diffraction grating in (b) is reduced.Describetheeffectsofthischangeonthefringepatternin(b). [2]
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