physics standard level paper 3 - xtreme · option b — quantum physics and nuclear physics b1. ......

2209-6518 28 pages

M09/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX+

Wednesday 13 May 2009 (morning)

PHYSICS

STANDARD LEVEL

PAPER 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 in the spaces provided.

• At the end of the examination, indicate the letters of the Options answered in the

candidate box on your cover sheet.

1 hour

Candidate session number

0 0

© International Baccalaureate Organization 2009

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–2– M09/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX+

Option A — Sight and wave phenomena

A1. Thisquestionisabouttheeyeandsight.

(a) Awhiteobjectisilluminatedwithredlightandgreenlightatthesametime.Statethecolourthattheobjectwillappeartoanobserver.

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(b) The averagewavelengthof red light is 650nmand that ofblue light is 488nm. Therefractiveindexofwateris1.3.Jimarguesthatsincewavelengthsinwatercomparedwith those inair are reducedbya factorof1.3, a redcricketballplacedunderwatershouldappeartobebluetoapersonwithnormalsight. SuggestwhyJim’sreasoningisincorrect.

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A2. Thisquestionisaboutstandingwaves.

A string is attached between two rigid supports and is made to vibrate at its fundamentalfrequency(firstharmonic)f.

Thediagramshowsthedisplacementofthestringatt =0.

(a) Drawthedisplacementofthestringattime

(i) tf

= 1

4

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(ii) tf

= 1

2

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(b) Thedistancebetweenthesupportsis1.0m.Awaveinthestringtravelsataspeedof240ms–1. Calculate thefrequencyof thevibrationof thestring.

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(c) Anorganpipethatisopenatoneendhasthesamefundamentalfrequencyasthestringinpart(b).Thespeedofsoundinairis330ms–1.Determinethelengthofthepipe.

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A3. ThisquestionisabouttheDopplereffect.

A stationary loudspeaker emits sound of frequency of 1000Hz. Nadine attaches theloudspeakertoastring.Shemovestheloudspeakerinahorizontalcircleaboveherheadataspeedof30ms–1.Thespeedofsoundinairis330ms–1.

AnobserverisstandingwellawayfromNadine.

(a) Explainwhythesoundheardbytheobserverchangesregularly.

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(b) Determinethemaximumfrequencyofthesoundheardbytheobserver.

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A4. Thisquestionisaboutpolarization.

(a) Statewhatismeantbyunpolarizedlight.

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(b) Abeamofunpolarizedlightofintensity1.0Wm–2isincidentonanidealpolarizingfilter.Statethevalueoftheintensityofthetransmittedlight.Explainyouranswer.

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(c) Outline how polarized light may be used to measure the concentration of a sugarsolution.

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Option B — Quantum physics and nuclear physics

B1. Thisquestionisaboutthephotoelectriceffect.

(a) Acleanmetalsurfaceinavacuumisilluminatedwithmonochromaticlight,resultingintheemissionofelectronsfromthesurface.

light electrons

metal

(i) On theaxes, sketchagraph toshowhowthemaximumkineticenergyKof theelectronvarieswiththeintensityIofthelight. [1]

K

00 I

(ii) Explaintheshapeofthegraphyouhavedrawn.

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(This question continues on the following page)

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(Question B1 continued)

(b) Thewavelengthof the incident lightin(a) is400nm.Themaximumkineticenergyoftheemittedelectronsis2.1eV. Determinetheworkfunctionof themetal.

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B2. Thisquestionisaboutthewavenatureofmatterandquantumenergystates.

(a) DescribewhatismeantbythedeBrogliehypothesis.

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(b) Anelectronisconfinedtoonedimensionina“box”oflengthL.ThedeBrogliewavesassociatedwiththeparticleformstandingwavesintheboxwithwavelengthsgivenby2L

n wherenis=1,2,3,etc.

Show that the energy levelsEn for the particle are given by En h

mLn =

2 2

28( )

where h isPlanck’sconstant.

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(c) Theelectronmakesatransitionfromtheenergystategivenbyn =4ton =2.ThelengthL =1.3×10–9m.Calculatethe

(i) energyofthephotonemitted.

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(ii) wavelengthofthephotonemitted.

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B3. Thisquestionisaboutnuclearphysicsandradioactivedecay.

(a) Definethedecay constantofaradioactivenuclide.

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(b) (i) Plutonium-239 (Pu-239) has a half-life of 2.4×104 years. Show that the decayconstantofPu-239isapproximately3×10–5year–1.

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(ii) Calculatethetimetakenfortheactivityofafreshly-preparedsampleofPu-239tofallto0.1%ofitsinitialvalue.

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Option C — Digital technology

C1. Thisquestionisaboutdatastorage.

(a) With reference to binary numbers, define the term bit and explain what ismeant byleastsignificantbit.

Bit:

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Leastsignificantbit:

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(b) Anacousticsignalisconvertedintoananaloguevoltagesignal.Theanaloguesignalisthenconvertedtoadigitalsignal.Themaximumvalueofthevoltagesignalis20V.

(i) Statethevalueoftheleastsignificantbitofthebinarynumberthatrepresentsthenumber20.

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(ii) Outlinehowtheanaloguesignalafterconversiontoadigitalsignalmaybestoredonacompactdisc(CD).

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(c) SuggestoneimplicationthatthestorageofinformationindigitalformonaCDmayhaveinconnectionwithenvironmentalissues.

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C2. Thisquestionisaboutcapacitanceandcharge-coupleddevices(CCD).

(a) Definecapacitance.

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(b) Outline how light that is incident on a pixel on the surface of aCCD can produce apotentialdifferenceacrossthepixel.

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(c) The number of photons incident on one pixel of aCCD for a certain period of timeis1.2×104. Thecapacitanceofthepixelis22pFandthequantumefficiencyis75%.Determine thechange inpotentialdifferenceacross thepixel.

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C3. Thisquestionisaboutoperationalamplifiers.

(a) Thediagramshowsacircuitthatusesanoperationalamplifierasaninvertingamplifier.

Rf

Vin

Rin

P Vout

0V

ThepointPisavirtualearth,thatisatthesamepotential(0V)astheearthline.

(i) StatethetwopropertiesoftheoperationalamplifierwhichmakePavirtualearth.

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(ii) InthecircuitRf =100kΩandRin =10kΩ.Calculatethegainoftheamplifier.

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(Question C3 continued)

(b) The diagram shows a circuit that uses an operational amplifier as a non-invertingSchmitttrigger.

Vin

V =2.0V

X

Vout

R1=47kΩ R

2=150kΩ

In the situation shown, the potential at pointX is 2.0V and the output potentialVoutis at itsminimumvalue of –10V. Show that for the output potential to switch to itsmaximumvalueof+10V

(i) thecurrentintheresistorsR1andR

2is0.08mA.

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(ii) Vinmustriseto5.8V.

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Option D — Relativity and particle physics

D1. Thisquestionisaboutsimultaneityandlengthmeasurement.

(a) Oneofthetwopostulatesofspecialrelativitystatesthat“thelawsofphysicsarethesameforallinertialobservers”.Statetheotherpostulate.

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(b) TomandBarbaraaretwoobserverseachinaseparatereferenceframe.Thereferenceframesaremovingrelativetoeachotherinthesamestraightlinewithconstantvelocity.TwolampsL

1andL

2areoperatedbythesameswitch.Tomisatthemid-pointbetween

thelampsasmeasuredinhisframeofreference.

Tom Barbara

L1 L

2

directionofmotionofBarbara’s referenceframerelativeto Tom’sreferenceframe

ThelampsandtheswitchareatrestrelativetoTom.

Tomswitchesonthelampsandtohimtheylightsimultaneously.Explain,basedonyouranswerto(a),whythelampswillnotlightsimultaneously,accordingtoBarbara.

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(Question D1 continued)

(c) Tommeasures the separationofL1 andL

2 to be1.5mwhereasBarbarameasures the

separationtobe0.5m.

(i) StateandexplainwhichobservermeasurestheproperlengthbetweenL1andL

2.

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(ii) Calculate, intermsofthefreespacespeedoflightc, therelativespeedbetweenTomandBarbara.

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(iii) SketchagraphtoshowhowtherelativespeedvbetweenTomandBarbaravarieswiththelengthLbetweenL

1andL

2asmeasuredbyBarbara.Thedatapoint(1.5,0)

isshown.Onthevaxis,labelthepointv = c. [3]

v

0

0 1.5m L

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D2. Thisquestionisaboutfundamentalinteractionsandelementaryparticles. (a) In the table identify the exchange particle(s) associated with the two fundamental

interactionsgiven. [2]

Interaction Exchange particle(s)

Electro-weak

Strong

(b) Statewhytheexchangeparticlesareknownaselementaryparticles.

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(c) An exchange particle associated with the weak interaction has a mass of about90GeVc–2.Estimatethelife-timeoftheparticle.

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(Question D2 continued)

(d) The diagram is a Feynman diagram that represents the strong interaction betweenquarks.

blueantiquark greenquark

X

greenquark blueantiquark

(i) IdentifytheexchangeparticleX.

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(ii) Explainwhythequarkshaveacolourassociatedwiththem.

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Option E — Astrophysics

E1. ThisquestionisaboutthestarAntares.

ThestarAntaresisaredsupergiantstarintheconstellationScorpius.

(a) Describe three characteristics of a red supergiant star and state what is meant byaconstellation.

Redsupergiantstar:

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Constellation:

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(b) TheapparentmagnitudeofAntaresis+1.1anditsabsolutemagnitudeis–5.3.

(i) Distinguishbetweenapparentmagnitudeandabsolutemagnitude.

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(ii) ShowthatthedistanceofAntaresfromEarthis3.9×107AU.

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(iii) State the name of the method that is used to measure the distance of AntaresfromEarth.

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(Question E1 continued)

(c) The apparent brightness of Antares is 4.3×10–11 times the apparent brightness oftheSun.

(i) Defineapparent brightness.

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(ii) Using the answer to (b)(ii), show thatAntares is 6.5×104 timesmore luminousthan theSun.

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E2. Thisquestionisaboutmodelsoftheuniverse.

Observationsofthenightskyindicatethattherearemanyregionsoftheuniversethatdonotcontainanystars.

(a) ExplainwhythisobservationcontradictsNewton’smodeloftheuniverse.

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(b) OutlinehowtheBigBangmodeloftheuniverseisconsistentwiththisobservation.

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Option F — Communications

F1. Thisquestionisaboutradiocommunication.

(a) Statethedifferencebetween

(i) asignalwaveandacarrierwave.

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(ii) amplitudemodulationandfrequencymodulation.

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(Question F1 continued)

(b) GraphAshowsasketchofhowthesignalstrengthofacertainradiocarrierwavevarieswithtimeataparticularpointinspace.

Graph A signalstrength

time

Graph B shows how the signal strength of the wave is amplitude modulated by asignal wave.

Graph B signalstrength

time

Thetimescaleforbothgraphsisthesame.

Thefrequencyofthecarrierwaveisfcandthatofthesignalwavefs.Usebothgraphsto

estimatetheratiof

f

c

sandexplainhowyouarrivedatyouranswer.

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(c) OngraphBsketchthewaveformofthesignalwave. [1]


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Turn over



(d) Describeone advantageand stateone disadvantageofusingamplitudemodulation inradiotransmissionascomparedtotheuseoffrequencymodulation.

Advantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Disadvantage:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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F2. Thisquestionisabouttransmissionofsignals.

Inaparticulartransmissionsystemasinglepieceofanalogueinformationisconvertedintoa4-bitbinary“word”representedbythelettersABCD.Thewordistransmittedalonganopticfibretothereceiver.Theblockdiagramshowstheprinciplecomponentsforthetransmissionandreceptionof thisword.

ABC

D

opticfibre

visual display unit

X Y

(a) On the diagram label the components X and Y and outline the function of eachcomponent.

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

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

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(b) Thediagramisarepresentationofatwo-inputtimedivisionmultiplexer.

input1

input2 opticfibre

controlpulse

Outline,withreferencetothediagram,howthisdeviceenablestwosetsofdigitaldatatobe transmittedapparentlysimultaneouslyalong thesameopticfibre.

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Turn over



(c) Asasignalistransmittedalonganopticfibreitssignalstrengthisattenuated.Forthisreasonamplifiershavetobeplacedatpointsalongthefibre.

(i) Explainwhatismeantbyattenuation.

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(ii) In a particular fibre, the signal needs to be amplified when the signal poweris8.2×10–19W.Thefibrehasanattenuationlossof2.0dBkm–1. Determine,foraninputsignalofpower5.0mW,theseparationoftheamplifiersalongthefibre.

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Option G — Electromagnetic waves

G1. Thisquestionisaboutthenatureofelectromagneticwaves.

Explain why the daytime sky of the Earth is bluebut the daytime sky of the Moon isblack.

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G2. Thisquestionisaboutinterferenceandlasers.

(a) Two overlapping beams of light from two flashlights (torches) fall on a screen.Explainwhyno interference pattern is observed.

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(b) Lightfromalaserthatpassesthroughadoubleslitisincidentonascreenandproducesobservableinterference.

(i) Outlinehowthelaserproduceslight.

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(ii) State thenameof theproperty thatenables the laser light toproduceobservableinterference.

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(Question G2 continued)

(c) Outlinehowalasercanbeusedtoreadthebar-codeatthebottomofthispage.

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(d) A plane is flying at 100ms–1 in a direction parallel to the line joining two identicalradiotowersasshowninthediagram.

radiotowers 200m

100ms–1

(nottoscale)

Thetwotowerseachemitacoherentradiosignalofwavelengthof5.0m.Theseparationof the towers is 200m. To an observer on the plane the intensity of the receivedsignal goes through amaximum every 5.0s. Determine the distance from the planeto the line joining the radio towers.

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Turn over

M09/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX

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G3. Thisquestionisaboutopticalinstruments.

(a) Definelinear magnification.

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(b) Anobjectisplacedadistancexfromaconverging(convex)lensoffocallength10cm.An image of the object is formed on a screen at a distance 45cm from the lens.Calculate the

(i) distancex.

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(ii) magnitudeofthelinearmagnification.

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(c) State what is meant by spherical aberration for a lens and suggest how this may bereduced.

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