Physics Candidate session number higher level PaPer 3 PAST PAPERS - SUBJECT...The wavelengths of...

48 pages

M13/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX

Tuesday 7 May 2013 (afternoon)

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 2013

Examination code

2 2 1 3 – 6 5 0 9

Candidate session number

0 0

0148

22136509

–2– M13/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX

0248

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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(This question continues on the following page)

–3–

Turn over


0348

(Question E2 continued)

(b) (i) The radius of star X is 4.5RS whereRS is the radius of the Sun. The surfacetemperatureoftheSunis5.7×103K.

Determinetheratio luminosityofstarXluminosityoftheSun

. [3]

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(ii) Calculate, assuming that the power in the mass–luminosity relationship is 3.5,

theratio mass of star Xmass of Sun

. [3]

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0448

(Question E2 continued)

(c) OntheHertzsprung–Russelldiagram,label

(i) thepositionofstarXwiththeletterX. [1]

(ii) thepositionoftheSunwiththeletterS. [1]

relativeluminosity(Sun=1)

1000

100

10

1

0.1

0.01 40000 20000 10000 5000 2500

surfacetemperature/K

(d) Explain,withreferencetotheChandrasekharlimit,whetherornotstarXwillbecomeawhitedwarf. [2]

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–5–

Turn over


0548

E3. Thisquestionisaboutvariablestars.

Cepheidvariablestarsareusedas“standardcandles”byastronomers.

(a) (i) Statewhatismeantbyastandardcandle. [1]

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(ii) OutlinethepropertiesofaCepheidstarthatallowittobeusedasastandardcandle. [2]

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(b) ExplainhowastronomersusetheirobservationsofaCepheidstartodeterminethedistancefromthestartoEarth. [3]

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0648

E4. ThisquestionisaboutNewton’smodeloftheuniverse.

Newtonsuggestedthattheuniverseisinfinite,uniformandstatic.

ForeachofNewton’sthreesuggestions,outlineonepieceofcurrentastronomicalevidencethatcontradictsthesuggestion. [3]

Infinite: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Uniform: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Static: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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–7–

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0748

E5. Thisquestionisaboutred-shift.

ThewavelengthsofradiosignalsfromgalaxyAarefoundtobered-shiftedfromthewavelengthsthatwouldbeobservedfromsourcesatrestrelativetoEarth.

(a) ThefractionalchangeinwavelengthoftheradiosignalsfromgalaxyAis9.4×10–3.

Calculate,inkms–1,theaveragevelocityofgalaxyArelativetoEarth. [2]

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(b) AsupernovawasobservedwithingalaxyA.Atthepeakofitsemissions,thesupernovahadanabsolutemagnitudeof–20andanapparentmagnitudeof13.

ShowthatthedistancefromEarthtothesupernovaisabout40Mpc. [3]

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(c) Estimate,usingyouranswerto(a)andtheresultfor(b),theageoftheuniverse.(1pc=3.1×1013km) [2]

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0848

Pleasedo notwriteonthispage.

Answerswrittenonthispagewillnotbemarked.

–9–

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0948

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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1048

(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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–11–

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1148

F2. Thisquestionisaboutanalogue-to-digitalconversion.

A3-bitdigitalsystemfortheconversionofananaloguesignalintoadigitalsignalisshown.

B C

A

sampleandhold

inputsignal

(a) IdentifytheblocksA,BandC. [2]

A: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

C: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .



1248


(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


–13–

Turn over


1348


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

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1448

F3. Thisquestionisaboutanopticfibre.

Monochromaticlightentersanopticfibre,fromair,alongdirectionAthatisatanangleθtotheaxisofthefibre.

A

θ

cladding

core

Therefractiveindexofthecoreis1.62andtherefractiveindexofthecladdingis1.52.Thecriticalangleatthecore-claddingboundaryis70�.

(a) Calculatethegreatestangleofincidenceθthatcanbeusedwiththisfibre. [3]

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(b) Sketchthepathofthelightinthecoreonthediagramabove. [2]


–15–

Turn over


1548


(c) Informationistransmittedalongthefibreintheformofpulsedlight.Tworaysofthislightenterthecoreatthesameinstantasshowninthediagrambelow.

ray1

ray2

cladding

core

Discusstheeffectofmodaldispersiononthesubsequenttransmissionoftheinformationalongthefibre. [3]

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(d) Outline two advantages in the use of optic fibres over coaxial metal cables for thetransmissionofdatabetweencontinents. [2]

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

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2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1648

F4. 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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1748


(ii) StatethevalueofV. [1]

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(iii) ExplainwhythebuzzerwillswitchonwhenpointAdropsbelowvoltageV. [3]

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1848

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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1948

(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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2048


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

Thediagramshowstworaysofbluelightincidentonthelens.

Onthediagram,sketchthepathsoftheraysifredlightisusedinsteadofbluelight. [1]

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2148

G2. Thisquestionisaboutlaserlight.

(a) Laserlightismonochromaticandcoherent.Explainwhatismeantby

(i) monochromatic. [1]

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(ii) coherent. [2]

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2248


(b) Abeamoflaserlightisincidentnormallyonadiffractiongratingwhichhas600linespermillimetre.Afringepatternisformedonascreen2.0mfromthediffractiongrating.

screen

laserlight

diffractiongrating

2.0m

centreofpattern

Thefringepatternformedonthescreenisshownbelow.

–0.65 0 0.65distancefromcentreofpattern/m

Determinethewavelengthofthelaserlight. [4]

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2348

G3. ThisquestionisaboutX-rayproductionanddiffraction.

(a) OutlinehowX-raysareusedtodeterminetheatomicspacinginacrystal. [3]

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(b) ElectronsareincidentonthetargetofanX-raytubeafteraccelerationthroughapotentialdifference of 15kV. Calculate the minimum wavelength of X-rays produced by theX-raytube. [2]

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(c) X-raysareincidentonacrystalwhichisthoughttohaveanatomicspacingof2.8×10–10m.CalculatethemaximumwavelengthofX-raysthatcanbeusedtoverifythisvalue. [3]

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2448

G4. Thisquestionisaboutthin-filminterference.

Theanti-reflectivecoatingofalensconsistsofathinlayerofasuitablematerialplacedbetweentheairandtheglassofthelens.

θ

air

coating

glass

Thefollowingdataareavailable.

Refractiveindexofair =1.0Refractiveindexofcoating =1.2Refractiveindexofglass =1.5

(a) State what phase change occurs on reflection at the air-coating boundary and at thecoating-glassboundary. [1]

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(b) Thethicknessdofthecoatinglayeris110nm.

Determinethewavelengthforwhichthereisnoresultantreflectionfromthesurfaceofthelensforlightatnormalincidence( 0θ = �). [3]

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2548

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2648

Option H — Relativity

H1. Thisquestionisaboutrelativistickinematics.

SpeedyisinaspacecraftbeingchasedbyPoliceOfficerSylvester.InOfficerSylvester’sframeofreference,SpeedyismovingdirectlytowardsOfficerSylvesterat0.25c.

PoliceOfficerSylvester’sspacecraft

Speedy’sspacecraft

(a) Describewhatismeantbyaframeofreference. [2]

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(b) OfficerSylvesterswitchesontheblueflashinglampsonhispolicespacecraft.

(i) Calculate, assuming that a Galilean transformation applies to this situation, thevalueofthespeedofthelightthatSpeedywouldmeasureusingtheflashinglamps. [1]

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2748

(Question H1 continued)

(ii) Speedy measures the speed of the light emitted by the flashing lamps.Deduce, using the relativistic addition of velocities, that Speedy will obtain avalueforthespeedoflightequaltoc. [3]

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2848


(c) 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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2948


(d) 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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3048

H2. Thisquestionisaboutrelativisticdynamics.

A proton is accelerated from rest by a potential difference V and reaches a speedof2.5×108ms–1.CalculateV. [3]

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3148

H3. Thisquestionisaboutgravitationalred-shift.

Anobserverisinaspacecapsulemovingataconstantspeedintheabsenceofgravitationalfields.

sourceofgammarays

observer

constantspeed

Amonochromaticsourceofgammaraysisfixedtotherearwallofthecapsule.Anobserverattheotherendofthecapsulemeasuresthefrequencyofthegammarays.

Thecapsulenowstartstodecelerate.

(a) Deduce thechange in the frequencyof thegammarays,asmeasuredby theobserver,whenthedecelerationbegins. [3]

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(b) Outline,withreferencetotheprincipleofequivalence,howthesituationin(a)relatestotheconceptofgravitationalred-shift. [2]

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3248

H4. Thisquestionisaboutspacetime.

Explain, with reference to the warping of spacetime, the gravitational attraction betweenEarthandtheSun. [3]

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H5. ThisquestionisabouttheMichelson–Morleyexperiment.

Outline the implications of theMichelson–Morley experiment for our understanding of thepropagationoflight. [3]

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3348

H6. Thisquestionisaboutblackholes.

SiriusBhasamassof2.0×1030kg.

CalculatetheminimumdensityrequiredforSiriusBtobecomeablackholeinthefuture. [2]

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3448

Option I — Medical physics

I1. Thisquestionisaboutthehumanear.

(a) Thediagrambelowisaschematicofamodeltorepresenttheear.

AB

pivot

ossicles

(i) IdentifythepartsoftheearrepresentedbyAandB. [1]

A: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

B: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) Outline,withreferencetothediagram,themechanismbywhichamplificationiscarriedoutinthemiddleear. [2]

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3548

(Question I1 continued)

(b) Explain,with reference to theacousticpropertiesof themediaconcerned,whysoundcannotbetransmitteddirectlyfromairtotheinnerearefficiently. [2]

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(c) Distinguishbetweenloudnessandintensity. [2]

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(d) Asaresultofexposuretonoise,apersonhassufferedahearinglossof15dBat10kHz.Atlowfrequencies,theperson’shearingremainsnormal.

Thegraphshowsthevariationswithfrequencyofthethresholdofhearingforthisperson.

80

70

60

50

40

30

20

10

0

–10 10 100 1000 104 105

frequency/Hz

Draw a line on the graph to show the threshold of hearing for a personwith normalhearing. [2]

intensitylevel/dB

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3748

I2. ThisquestionisabouttheuseofX-raysandultrasoundinmedicalimaging.

(a) ThediagrambelowshowsX-raysbeingusedtoscanasampleofboneandmuscle.

X-raytube

X-rays

bonemuscle

photographicplate

x

(i) Outlinehowthearrangementdifferentiatesbetweenboneandmuscle. [2]

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3848


(ii) Usethedatabelowtodeterminetheratio bm

II

whereIbandImaretheintensityofX-raysreachingthephotographicplatethroughtheboneandthemuscle,respectively.

Thicknessxofsample =10.0cmLinearattenuationcoefficientofboneμb =0.53cm

–1

Linearattenuationcoefficientofmuscleμm =0.30cm–1

[3]

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(iii) The half-value thickness of a material increases as the energy of the radiationincreases.

Discuss,withreferencetopenetrationandeffectontissue,whyusinglowenergyX-raysinmedicalimagingishighlydesirablebutisrareinpractice. [2]

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3948


(b) ThesamesampleisnowinvestigatedwithanultrasoundA-scanfromthesideasshown.

ultrasoundtransducer

gel

muscle bone

y

(i) StateoneadvantageofultrasoundoverX-rayimaging. [1]

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(ii) Statewhygelisneededatthetransducer-muscleboundary. [1]

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4048


(iii) A short pulse is directed from the transducer into the sample at time t=0.Thegraphshowshowthe intensityof thereflectedsignal fromthemuscle-boneboundaryvariesasafunctionoftime.Thespeedofsoundinmuscleis1.6×103ms–1.

0 5 10 15

intensity/arbitraryunits

timet/10–5s

Calculatethethicknessyofthesampleofmuscle. [2]

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4148

I3. Thisquestionisabouttheeffectsofradiationonlivingorganisms.

(a) Statewhatismeantbyabsorbeddose. [1]

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(b) AnX-rayCTscandeliversadoseequivalentof500μSvtoa70kgpatient.Thequalityfactorofthisradiationis1.Determinetheenergythatwillberequiredtobeabsorbedfrom alpha particles of quality factor 20 to produce the same biological effect in thesamepatient. [3]

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4248


(c) Anisotopeoftechnetiumusedinmedicinehasaphysicalhalf-lifeof6hours.

(i) Defineeffective half-life. [2]

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(ii) Apatient ingestssometechnetium. Thebiologicalhalf-lifeof the technetiumis12hours.Determinethetimerequiredfortheactivityoftheingesteddosetodropto25%ofitsvalueatthemomentofingestion. [3]

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(d) Statethepropertyofradiationthatenablesittobeusedasacancertreatment. [1]

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4348

Option J — Particle physics

J1. Thisquestionisaboutelementaryparticles.

Thequarkissaidtobeanelementaryparticle.

(a) (i) Statewhatismeantbythetermelementaryparticle. [1]

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(ii) Identifyanotherelementaryparticleotherthanthequark. [1]

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(b) Thestronginteractionbetweentwonucleonshasarangeofabout10–15m.

(i) Identifythebosonthatmediatesthestronginteraction. [1]

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

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4448

J2. ThisquestionisabouttheΩ–particle.

TheΩ–particleisabaryonwhichcontainsonlystrangequarks.

(a) DeducethestrangenessandspinoftheΩ–particle. [2]

Strangeness: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Spin: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) TheFeynmandiagramshowsaquarkchangethatgivesrisetoapossibledecayoftheΩ–particle.

s u

dπ–}XY

(i) IdentifyX. [1]

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(ii) IdentifyY. [1]

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4548

(Question J2 continued)

(c) Explain,withreferencetothestructureoftheΩ–particle,whytheconceptofquarkcolourwasintroduced. [3]

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(d) TheΩ–particlewasdiscoveredinabubblechamber.

(i) Outlinehowabubblechamberisusedtodetectparticles. [3]

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(ii) Explainhowtwopropertiesofaparticlecanbeestimatedfromdatacollectedduringbubblechamberexperiments. [2]

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4648

J3. Thisquestionisabouthadrons.

(a) Anelectronandapositroncanundergoanelectromagnetic interactionresultingin thecreationofaquark-antiquarkpairaccordingto

e e q q− ++ → +

whereqand q arequarkandantiquark.

Outline,withreference toquarkconfinement,whyhadronsareeventuallyobserved inthisreaction. [3]

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(b) Statewhatismeantbyaneutralcurrent. [1]

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4748

(c) Theinteractionin(a)canalsooccurviatheweakinteractionwithneutralcurrentmediationproducinganupandanti-upquarkpair.

(i) Draw a labelled Feynman diagram for this interaction. Time on your diagramshouldgofromlefttoright. [2]

(ii) Outlinehowanotherneutralcurrentcanallowtheexchangeparticleintheinteractiontobedetected. [2]

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4848

J4. Thisquestionisabouttheearlyuniverse.

Determinethethresholdtemperatureoftheearlyuniversebelowwhichelectron–positronpairproductionbecomesunlikely. [3]

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J5. Thisquestionisaboutstringtheory.

Suggest the features of string theory that make it a more fundamental theory than thestandardmodel. [2]

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Physics Candidate session number higher level PaPer 3 PAST PAPERS - SUBJECT...The wavelengths of...

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