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8808-6530 33 páginas
N08/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX+
Miércoles 5 de noviembre de 2008 (mañana)
físicaNivel medioPrueba 3
INSTruccIoNeS PArA loS AluMNoS
• escriba su número de convocatoria en las casillas de arriba.• No abra esta prueba hasta que se lo autoricen.• conteste todas las preguntas de dos de las opciones en los espacios provistos.• cuando termine el examen, indique en las casillas correspondientes de la portada de su
examen las letras de las opciones que ha contestado.
1 hora
Número de convocatoria del alumno
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© International Baccalaureate organization 2008
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–2– N08/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX+
Opción A — Ampliación de mecánica
A1. Estapreguntatratadelaintensidaddelcampogravitatorioydelavelocidaddeescape.
(a) Definaintensidad de campo gravitatorio.
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(b) ApartirdelaleydelagravitaciónuniversaldeNewton,deduzcaquelaintensidaddecampogravitatoriogenlasuperficiedeunplanetademasaMyradioR,esproporcionalaM
R2.
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(c) La intensidad de campo gravitatorio en la superficie deVenusgV se relaciona con laintensidaddecampogravitatorioenlasuperficiedelaTierragTporlaecuación
gV =0,87× gT .
ElradiodeVenus RVserelacionaconelradiodelaTierraRTpor
RV =0,96× RT .
CalculelamasadeVenusMVentérminosdelamasadelaTierraMT .
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(Pregunta A1: continuación)
(d) (i) DeduzcaquelavelocidaddeescapevdesdelasuperficiedeVenuses
v g R= 2 V V .
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(ii) Indiquesi lavelocidaddeescapedesdelasuperficiedeVenusesigual,mayoromenorquelavelocidaddeescapedesdelasuperficiedelaTierra.
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A2. Estapreguntatratadelrozamientoydelequilibrioderotación.
Unbloqueuniformedemasa5,0kgestáenrepososobreunasuperficiehorizontal.SeaplicaunafuerzaFalbloque,talcomoseindica.
masa = 5,0kg F
superficie
SeaumentagradualmenteelmódulodeFhastaqueelbloquecomienzaamoverse,despuésdelocualFsemantieneconstanteyelbloquecontinúaganandorapidez.LavariaciónconeltiempotdelafuerzaFsemuestraacontinuación.
F/N 20
15
10
5
00 1 2 3 4 5 t/s
(a) Indique y explique el valor de la fuerza de rozamiento máxima entre el objeto ylasuperficie.
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(Pregunta A2: continuación)
(b) Elvalordelafuerzaderozamientomáximapuedeutilizarseparacalcularelcoeficientede rozamiento entre el bloque y la superficie. Explique si el valor calculado sería elcoeficientederozamientoestáticooelcoeficientederozamientodinámico.
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(c) Ent = 4,0s,laaceleracióndelbloquees0,60ms–2.Calculeelcoeficientederozamientoqueactúaeneseinstanteentreelbloqueylasuperficie.
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(d) SellevaelbloquealreposoysehacequelafuerzaFactúeverticalmentesobreelbloque,talcomosemuestra.SeaumentagradualmenteelmódulodeF,perosudireccióncontinuasiendovertical.Cuandoelbloquecomienzaamoverse,giraalrededordelaaristaP.
F
masa = 5,0kg
superficie P
(i) CalculeelvalormínimodeFqueharájustamentequeelbloquecomienceagirar.
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(ii) IndiqueelvalordeFparaelcualelbloquepierdecompletamenteelcontactoconlasuperficie.
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Opción B — Física cuántica y física nuclear
B1. Estapreguntatratadelaspruebassobrelacuantizacióndelaenergíaenlosátomos.
(a) Indiquequesignificalafrasecuantización de la energía en los átomos.
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(b) Ayudándosedeundiagramarotulado, resumaunmontajeexperimentalpormediodelcualpuedanemitirserayosXapartirdeunamuestradewolframio.
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(Pregunta B1: continuación)
(c) ElgráficosiguientemuestraelespectroderayosXdeunamuestradewolframio.
Intensidad
0 Longituddeonda
Explique qué características de ese espectro de rayos X proporcionan pruebas de lacuantizacióndelosnivelesdeenergíaenlosátomosdewolframio.
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(d) Unadelaslíneasdelespectrodeemisióndelhidrógenoatómicotieneunalongituddeondade410nm. Apartirdeestevalordelongituddeonda,determinequéinformacióncuantitativa puede deducirse sobre algunos de los niveles de energía en el átomodehidrógeno.
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B2. Estapreguntatratadeladesintegraciónβ+ -.
Un núcleo de nitrógeno-13, 713 N, experimenta desintegración β+ - produciendo un isótopo
delcarbono.
(a) Determine las tres partículas que resultan de la desintegración de un núcleo denitrógeno-13.Indiqueelnúmeromásicoyelnúmeroatómicodecadapartícula.
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(b) Identifiquequépartículadelasquehayaindicadoen(a)contienequarks.
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(c) Lasemividadelnitrógeno-13esde10minutos.Determinelaconstantededesintegracióndelnitrógeno-13.
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(d) Unamuestracontieneinicialmente0,13mgdenitrógeno-13.
Calcule
(i) elritmoinicialdeemisióndepartículasβ+ -desdelamuestra.
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(ii) lamasadenitrógeno-13quequedadespuésde15minutos.
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Opción C — Ampliación de energía
C1. Estapreguntatratasobrelatermodinámicadeungasideal.
Eldiagramasiguientemuestralarelaciónpresión-volumen(p-V)correspondienteaunamasafijadegasidealquedescribeunciclotermodinámico.
p/×105Pa
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
A
B C
D
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 V /×10–3m3
(a) DuranteelprocesoA→B,expliquesi
(i) laenergíainternadelgasaumenta,disminuyeopermanecesincambio.
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(ii) setransfiereenergíatérmicaentreelgasysusalrededores.
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(b) DuranteelprocesoB→C,expliquesielgasrealizatrabajosobrelosalrededoresolosalrededoressobreelgas.
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(Pregunta C1: continuación)
(c) Calculelaenergíatotaltransferidaduranteunciclo.
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(d) Expliquesi,despuésdeunciclocompleto,laenergíainternadelgasglobalmenteaumenta,disminuyeopermanecesincambio.
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C2. Estapreguntatratasobrelageneracióndeenergíaeléctrica.
Para lageneracióndeenergíaeléctricapuedenutilizarsecentralesdecombustibles fósilesocentralessolares.
(a) Indiqueyexpliquesilasfuentesdeenergíaencadaunadeesascentralesseclasificancomorenovablesonorenovables.
Energíadeloscombustiblesfósiles:
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Energíasolar:
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(b) Discutalasprincipalestransformacionesdeenergíaqueestáninvolucradasenelusodecombustiblesfósilesparagenerarenergíaeléctrica.
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(c) Las células fotovoltaicasy los calentadores solares activos sonambosdispositivosdeenergíasolar.Resumaladiferenciaentreestosdosdispositivos.
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(Pregunta C2: continuación)
(d) Indique un inconveniente de la generación de energía por combustibles fósiles yuninconvenientedelosdispositivosdeenergíasolar.
Generacióndeenergíaporcombustiblesfósiles:
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Dispositivosdeenergíasolar:
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Opción D — Física biomédica
D1. Estapreguntatratasobreelescalamiento.
Dosmamíferos,XeY, tienencuerposdeformassimilares. LamasadelmamíferoXesde40kg,mientrasquelamasadelmamíferoYesde10kg.
(a) (i) DeduzcaqueelcocientelongituddelmamíferoXlongituddelmamíferoY
tieneunvalorde1,6.
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(ii) Indiqueunasuposiciónhechaenelcálculode(a)(i).
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(b) LosmamíferosXeYseencuentranexpuestosaunentornomuyfrío.Expliqueporquéla temperatura corporal delmamíferoX debería disminuirmás lentamente que la delmamíferoY.
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D2. Estapreguntatratasobreeloído.
Elgráficosiguientemuestra lavariacióncon la frecuenciadelumbraldeaudiciónparadoshermanosgemelos,FrankyAlbert.
Niveldeintensidadsonora/dB
100
80
60
40
20
0
–20
–40
Clave: Frank Albert
101 102 103 104
Frecuencia/Hz
FrankyAlberthantrabajadoenpuestosdistintosdurantemuchosaños.Unpuestodetrabajoeramuytranquiloyelotromuyruidoso.
(a) Haciendoreferenciaalgráfico,sugieracuáldeloshermanosparecehabertrabajadoenelpuestoruidoso.
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(b) Paraunafrecuenciade10000Hz,calculeelcociente
umbraldeintensidadsonorajustamentedetectableporFrankkumbraldeintensidadsonorajustamentedetectableporAlbbert
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(Pregunta D2: continuación)
(c) Indiqueuna característica del gráfico que sugiera que uno de los hermanos sufre depérdidadeaudiciónsensorial.
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(d) Una persona con la cóclea dañada tendrá pérdida de audición en estrechos rangos defrecuencias determinados. Explique cómo este fenómeno conduce a una pérdida dediscriminacióndelhabla.
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D3. EstapreguntatratasobreimágenesderayosX.
(a) ResumacómoseproduceunaimagenderayosXporTC(TomografíaComputerizada)eindiquelanaturalezadelaimagen.
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(b) DescribaelusodelbarioenimágenesderayosX.
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Opción E — Historia y desarrollo de la física
E1. Estapreguntatratadelmovimientodeestrellasyplanetas.
Tresobservacionesquepuedenhacerse,concernientesalmovimientorelativoaparentedelosplanetasylasestrellasson:
• lasestrellasnotienenmovimientorelativounasrespectoaotras • losplanetassemuevenrespectoalasestrellasfijas • losplanetascambianelsentidodesumovimiento.
(a) Conlaayudadeundiagrama,expliquecómoelmodelodeAristótelesoelmodelodePtolomeodacuentadeesastresobservaciones.
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(b) Discuta las diferencias entre el modelo del sistema solar de Ptolomeo y el modelodeKepler.
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Véase al dorso
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E2. Estapreguntatratasobrelateoríadelcalórico.
(a) Describacómolateoríadelcalóricodabacuentadelaconduccióntérmica.
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(b) DiscutalasobservacionesydeduccionesllevadasacaboporelCondeRumford,en1798,querefutaronlateoríadelcalórico.
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E3. Estapreguntatratasobreteoríasacercadelacargaeléctrica.
(a) Cuandountrozodeplásticosefrotaconunpaño,secargaeléctricamente.Resumacómoexplicaestefenómeno
(i) elmodelodelosdosfluidosdeDuFay.
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(ii) elmodeloatómicomodernodelamateria.
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(b) A finales del siglo XIX, J J Thomson midió la relación carga-masa de un electrón.Resumacómosellevóacaboesamedida.
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Véase al dorso
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Opción F — Astrofísica
F1. Estapreguntatratasobrelamedidadedistanciasestelares.
(a) Describaquéseentiendepor
(i) brilloaparente.
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(ii) magnitudaparente.
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(iii) magnitudabsoluta.
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(b) Indique qué propiedad de una estrella está más íntimamente relacionada con sumagnitudabsoluta.
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(c) LaestrellaRoss128tieneunamagnitudaparentequeesmenorquesumagnitudabsoluta.Haciendoreferenciaalaanteriorafirmación,expliqueporquéelmétododelaparalajeestelarpuedeutilizarseparamedirladistanciadeRoss128alaTierra.
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(Pregunta F1: continuación)
(d) Describa cómo puede utilizarse el espectro observado de estrellas muy lejanas paraestimarsumagnitudabsoluta.
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(e) El brillo aparente de Ross 128 es 7,9×10–15Wm–2 y su luminosidad es 1,1×1021W.DetermineladistanciaenparsecsdeRoss128alaTierra.
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F2. EstapreguntatratasobreeldesplazamientoDopplerylaexpansióndeluniverso.
Cuandoseanalizalaluzprocedentedegalaxiaslejanas,seobservaquelaslíneasespectralespresentanundesplazamientoDoppler.
(a) IndiquelarazóndeestedesplazamientoDoppler.
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(b) PenziasyWilsondescubrieronquehabíaunafuenteuniformederadiacióndemicroondasprocedentede todas lasdireccionesdeluniverso. Expliquecómoestedescubrimientoapoyalateoríadeluniversoenexpansión.
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(c) SesugierequeelritmodeexpansióndeluniversohapodidoiraumentandogradualmentedesdeelBigBang.Indiqueydescribaelefecto,silohay,queestateoríapredeciríasobreeldesplazamientoDopplerobservadodelaluzprocedentedegalaxiaslejanas.
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Opción G — Relatividad
G1. EstapreguntatratasobrelaRelatividadEspecial.
Dosobservadoresinerciales,AliceyBob,seestánmoviendounohaciaelotroalolargodelamismalínearecta,conunarapidezrelativaconstantev.AambosladosdeAlice,yaigualdistanciadeella,haydosbombillas,XeY,queestánenreposoenelsistemadereferenciadeAlice.
EldiagramasiguienterepresentalasituaciónsegúnelsistemadereferenciadeBob.
v
bombillaX Alice bombillaY Bob
Alice tiene un interruptor que controla cada bombilla. Las bombillas están inicialmenteapagadas.
(a) Describaqueseentiendeporsistemainercialdereferencia.
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(b) Alice conecta el interruptor produciendo una señal electromagnética que viaja desdeellaalasbombillas.Cuandocualquieradelasbombillasrecibelaseñalelectromagnética,se enciende. Indique y explique el orden en el que la señal llega a las bombillas(primeroX,primeroYo simultáneamente)
(i) segúnAlice.
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(ii) segúnBob.
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(Pregunta G1: continuación)
(c) Explique en términos del camino seguido por las ondas electromagnéticas desdeel interruptorhastaBob, porquéBob recibe la luzde la bombillaYantesque la luzprocedentedelabombillaX.
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(d) Dossucesosestándefinidoscomosigue:sucesoP:secierraelinterruptordelabombillaX•sucesoQ:laluzdelabombillaXllegaaAlice.•
AlicemideuntiempotAyBobmideuntiempotB entreesosdossucesos.
(i) Haciendoreferenciaaltiempopropio,discutaladiferenciaentrelosvalorestAytB.
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(ii) Indiqueyexpliquesisurespuestaa(d)(i)seríadiferenteparalasituaciónenlaqueAliceestuvieraalejándosedeBobconunarapidezv,talcomoesmedidaporBob.
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(Pregunta G1: continuación)
(e) LadistanciaqueAlicemideentrelasbombillasesde30,0m.Larapidezves0,90c.
(i) Explique si la longitud propia entre las dos bombillas esmayor, igualomenorque30,0m.
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(ii) Calculeladistanciaentrelasbombillas,talcomolamideBob.
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G2. Estapreguntatratasobrelasumarelativistadevelocidadesysobremasarelativista.
Unapartícula,P,seestámoviendoalolargodelejexconunavelocidadconstantede0,950c,respectoalsistemainercialdereferenciadellaboratorio.Eldiagramademásabajorepresentaestasituaciónsegúnelsistemadereferenciadellaboratorio.
0,950c
P
Lapartícula sedesintegra. Unode losproductosde ladesintegraciónesunapartículamaspequeña,Q,demasaenreposo940MeVc–2queesexpulsadaavelocidad0,900calolargodelejex,respectoalsistemadereferenciadeP.
EldiagramasiguienterepresentalasituaciónsegúnelsistemadereferenciadeP.Nosemuestranlosdemásproductosdeladesintegración.
0,900c
P Q
(a) CalculelavelocidaddelaparticularQ talcomoesmedidaenelsistemadereferenciadellaboratorio.
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(b) CalculeladiferenciaentrelamasadelapartículaQenelsistemadereferenciadePyenelsistemadereferenciadellaboratorio.
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Opción H — Óptica
H1. Estapreguntatratadeladispersión.
Diagrama1muestra dos prismas idénticosAyB. El prismaB está invertido respecto delprismaA.
Diagrama 1
A B
SehaceincidirsobreelprismadevidrioAunestrechohazdeluzblanca,talycomosemuestraendiagrama2.
Diagrama 2
AA
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(Pregunta H1: continuación)
TodalaluzincidentesobreelprismaAatraviesaelprismaB.
(a) (i) Sobrediagrama 2delapáginaanterior,dibujelíneasquemuestrenelcaminodeunrayodeluzrojayeldeunrayodeluzazulatravesandoelprismaAyemergiendodeél.RotulelastrayectoriasconRparaelrojoyBparaelazul. [2]
(ii) Sobrediagrama 2delapáginaanterior,dibujeelprismaBenelcaminodelaluzquehapasadoatravésdelprismaA.Dibujelaslíneas,trazadasen(a),paraquemuestrenlatrayectoriadelrayodeluzrojaydelrayodeluzazulatravesandoelprismaByemergiendodeél. [2]
(b) SesitúaunapantallaenelcaminodelaluzemergentedelprismaB.Describaelaspectoquepresentalaluzsobrelapantalla.
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H2. Estapreguntatratasobrelareflexiónylarefraccióndelaluzdeunláser.
(a) Definaíndice de refracción.
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(b) Unhazdeluzláserincidesobreunasuperficiedeseparaciónvidrio-aire.
aire
vidrio
(i) Sobreeldiagramaanterior,dibujerayosquemuestrenelrayoreflejado(rotúleloconL)yelrayorefractado(rotúleloconR). [1]
(ii) Seaumentagradualmenteelángulodeincidenciadelhaz.Deduzcacómocambiaráel trayectode la luz láserparaángulosde incidenciadehasta80. El índicederefraccióndelvidrioes1,5.
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(Opción H: continuación)
H3. Lapreguntasiguientetratasobreeltelescopioastronómico.
Untelescopio,ajustadonormalmente,seapuntahaciaunobjetodistante.Sobrelalenteobjetivoincidenrayosdeluzparalelos,comosemuestraenlafigura.
lenteobjetivo lenteocular
F
Sedisponenlaslentesdemodoquesuspuntosfocalescoincidanenlamismaposición,rotuladacomoFeneldiagrama.
(a) (i) Sobre el diagrama anterior, construya un diagrama de rayos para localizar laimagenfinal. [3]
(ii) Sobreeldiagramaanterior,rotuleconlaletraEellugardondesedebesituarelojoparavisualizarlaimagen. [1]
(iii) Indique,conunabreveexplicación,lalocalizacióndelaimagenfinal.
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(Esta pregunta continúa en la siguiente página)
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8808-6530
–33– N08/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX+
(Pregunta H3: continuación)
(b) Utilicesudiagramaparaexplicarporquélaimagenproducidaporeltelescopioestá
(i) ampliada.
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(ii) invertida.
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