st leonard's college - physics candidate session number ......a distant galaxy emits radio...

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

–2– M13/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX

0236

Option A — Sight and wave phenomena

A1. Thisquestionisabouttheeyeandsight.

(a) Outlinewhatismeantbyadditivecolourmixing. [1]

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(This question continues on the following page)

–3–

Turn over


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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–5–

Turn over


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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–7–

Turn over


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]

–9–

Turn over


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]

1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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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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–11–

Turn over


1136

(Question C1 continued)

(ii) StatethevalueofV. [1]

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(iii) ExplainwhythebuzzerwillswitchonwhenpointAdropsbelowvoltageV. [3]

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1236

C2. Thisquestionisabouttheuseofmobilephones.

Statetwoenvironmentalissuesthatarisefromtheincreaseduseofmobilephones. [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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1336

(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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1436

Option D — Relativity and particle physics

D1. Thisquestionisaboutrelativistickinematics.

SpeedyisinaspacecraftbeingchasedbyPoliceOfficerSylvester.InOfficerSylvester’sframeofreference,SpeedyismovingdirectlytowardsOfficerSylvesterat0.25c.

PoliceOfficerSylvester’sspacecraft

Speedy’sspacecraft

(a) Describewhatismeantbyaframeofreference. [2]

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1536

(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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1636


(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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1736

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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1836

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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1936


(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


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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–23–

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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]

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(ii) bandwidthofthemodulatedsignal. [1]

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–25–

Turn over


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: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


–27–

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2736


(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



2836


(ii) Outline why an increase in the number of bits per sample will improve thereproductionofthetransmittedsignal. [1]

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–29–

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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]



3036


(c) Informationistransmittedalongthefibreintheformofpulsedlight.Tworaysofthislightenterthecoreatthesameinstantasshowninthediagrambelow.

ray1

ray2

cladding

core

Discusstheeffectofmodaldispersiononthesubsequenttransmissionoftheinformationalongthefibre. [3]

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–31–

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3136

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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–33–

Turn over


3336


(d) The refractive index of the glass in the lens is greater for bluewavelengths than forredwavelengths.

Thediagramshowstworaysofbluelightincidentonthelens.

Onthediagram,sketchthepathsoftheraysifredlightisusedinsteadofbluelight. [1]


3436

G2. Thisquestionisaboutlaserlight.

(a) Laserlightismonochromaticandcoherent.Explainwhatismeantby

(i) monochromatic. [1]

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(ii) coherent. [2]

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–35–

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3536


(b) Abeamoflaserlightisincidentnormallyonadiffractiongratingwhichhas600linespermillimetre.Afringepatternisformedonascreen2.0mfromthediffractiongrating.

screen

laserlight

diffractiongrating

2.0m

centreofpattern

Thefringepatternformedonthescreenisshownbelow.

–0.65 0 0.65distancefromcentreofpattern/m

Determinethewavelengthofthelaserlight. [4]

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3636


(c) The number of lines per millimetre in the diffraction grating in (b) is reduced.Describetheeffectsofthischangeonthefringepatternin(b). [2]

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