PHYSICS Candidate session number STANDARD LEVEL PAPER 3 · This question is about operational...
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38 pages
M14/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX
Thursday 8 May 2014 (afternoon)
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.
• 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].
Option Questions
Option A — Sight and wave phenomena 1 – 3
Option B — Quantum physics and nuclear physics 4 – 6
Option C — Digital technology 7 – 9
Option D — Relativity and particle physics 10 – 11
Option E — Astrophysics 12 – 14
Option F — Communications 15 – 17
Option G — Electromagnetic waves 18 – 19
1 hour
© International Baccalaureate Organization 2014
Examination code
2 2 1 4 – 6 5 1 8
Candidate session number
40EP01
22146518
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40EP02
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40EP03
Option A — Sight and wave phenomena
1. This question is about the eye and sight.
(a) Greenlightisshoneontoayellowfilter.Statethecolourofthelightthatistransmittedthroughthefilter. [1]
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(b) (i) Awhite object is illuminatedwith equal intensities of red light and green lightat thesame time.State thecolour that theobjectwillappear toanobserver. [1]
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(ii) Anotherwhite object is viewed in bright sunlight. Outline, with reference tothe light-sensitive cells on the retina,why theobject is seenmore clearlywhenvieweddirectly rather thanfromthecornerof theeye. [2]
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40EP04
(Option A continued)
2. ThisquestionisabouttheDopplereffect.
(a) DescribewhatismeantbytheDopplereffect. [2]
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(b) Achildonacarousel(merry-go-round)moveswithaspeedof6.5ms–1 along a horizontal
circularpathABCDA.Astationaryobserverisatalargedistancefromthecarousel.
B
to stationary
observer
child 6.5ms–1
A C
D
ThechildblowsawhistlewhilemovingfrompositionBtopositionD.Thewhistleemitssoundoffrequency850Hz.Thespeedofsoundinairis330ms–1.
(i) Determinetheminimumfrequencyofthesoundheardbytheobserver. [2]
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40EP05
(Option A, question 2 continued)
(ii) Describethevariationofthefrequencyofthesoundheardbytheobserver. [2]
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3. This question is about resolution and polarization.
(a) StatetheRayleighcriterion. [2]
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40EP06
(Option A, question 3 continued)
(b) A ship sails towards two stone towers built on land.
stone towers
ship
(nottoscale)
Emlyn,whoisontheship,viewsthetowers. ThepupilsofEmlyn’seyesareeachof diameter 2.0 mm. The average wavelength of the sunlight is 550 nm.
(i) CalculatetheangularseparationofthetwotowerswhentheimagesofthetowersarejustresolvedbyEmlyn. [1]
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(ii) Emlyncanjustresolvetheimagesofthetwotowerswhenhisdistancefromthetowersis11km.Determinethedistancebetweenthetwotowers. [2]
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40EP07
(Option A, question 3 continued)
(c) The intensity of the sunlight suddenly increases. As a result, there is a change in the distance between Emlyn and the towers at which their images are just resolved. Stateandexplain,withreferencetotheresponseoftheeye,howthisdistancechanges. [3]
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(d) Emlynputsonapairofpolarizingsunglasses.Explainhowthesesunglassesreducetheintensityof the light, reflectedfromthesea,thatentersEmlyn’seyes. [2]
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End of Option A
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40EP08
Option B — Quantum physics and nuclear physics
4. Thisquestionisaboutwave–particleduality.
(a) DescribewhatismeantbythedeBrogliehypothesis. [2]
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(b) Aparticleofmass6.4×10–27kgandcharge3.2×10–19Cisacceleratedfromrestthroughapotentialdifferenceof25kV.
(i) Calculatethekineticenergyoftheparticle. [1]
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(ii) DeterminethedeBrogliewavelengthoftheparticle. [3]
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40EP09
(Option B continued)
5. Thisquestionisaboutatomicspectra.
(a) Explainhowatomiclinespectraprovideevidencefortheexistenceofdiscreteelectronenergylevelsinatoms. [3]
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40EP10
(Option B, question 5 continued)
(b) Thediagramshowssomeoftheenergylevelsofahydrogenatom.
energy/eV
– 0.85– 1.51
– 3.40
– 13.6 ground state
(i) Calculate the wavelength of the photon that will be emitted when an electronmovesfromthe– 3.40eVenergyleveltothe– 13.6eVenergylevel. [3]
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(ii) State and explain if it is possible for a hydrogen atom in the ground state toabsorbaphotonwithanenergyof12.5eV. [2]
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40EP11
(Option B continued)
6. Thisquestionisaboutradioactivedecay.
(a) Definethedecay constantofaradioactiveisotope. [1]
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(b) Showthatthedecayconstantλisrelatedtothehalf-life 12
T bytheexpression
12
ln 2Tλ = . [2]
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(c) Strontium-90isaradioactiveisotopewithahalf-lifeof28years.Calculatethetimetakenfor65%ofthestrontium-90nucleiinasampleoftheisotopetodecay. [3]
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End of Option B
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– 12 – M14/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX
40EP12
Option C — Digital technology
7. Thisquestionisaboutdigitaldevices.
(a) A22Vanaloguesignalisconvertedintoadigitalsignal.
(i) Determinethebinarynumberthatcorrespondsto22. [1]
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(ii) Outlinehowthisdigitalsignalisstoredonthecompactdisc(CD). [2]
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(iii) DescribehowtheinformationstoredontheCDisrecovered. [2]
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40EP13
(Option C, question 7 continued)
(b) Digitalinformationcanalsobestoredonacharge-coupleddevice(CCD).
(i) Light incident on a pixel results in a potential difference being developedacross the pixel. State the property of the incident light that is proportional to potentialdifference. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) PhotonsincidentonthepixelofaparticularCCDdeliveranenergyof4.5×10–16 J
tothepixel.Thefrequencyofthephotonsis6.2×1014Hz.Thequantumefficiencyof a pixel is 84% and the capacitance of the pixel is 25pF. Determine the potentialdifferencedevelopedacross thepixel. [4]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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– 14 – M14/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX
40EP14
(Option C continued)
8. Thisquestionisaboutoperationalamplifiers(op-amps).
(a) Thediagramshowsaninvertingamplifier.
RF
VIN
R
(zerovoltline) VOUT
Theop-ampoperateswithapowersupplyof±6.0V.TheresistanceofRFis75kΩandtheresistanceofRis15kΩ.
(i) Stateonepropertyofanidealop-amp. [1]
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(ii) Determinetheclosedloopgainoftheinvertingamplifier. [1]
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(iii) Calculatetheinputvoltageatwhichpositivesaturationisachieved. [1]
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40EP15
(Option C, question 8 continued)
(b) The input voltageV to the inverting amplifier in (a) varies with time t according to the graph.
V/V 6
4
2
0
– 2
– 4
–6
10 2 3 4t / ms
Ontheaxes,sketchagraphtoshowhowtheoutputvoltagevarieswithtime. [3]
9. This question is about the mobile phone system.
AtrainpassengerinFrancehasa10minuteconversationonhermobilephonewithafriendinCanada. Outline the roleofbasestations, thecellularexchangeand thepublic switchedtelephonenetwork(PSTN)inthisphonecall. [4]
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End of Option C
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40EP16
Option D — Relativity and particle physics
10. Thisquestionisaboutrelativistickinematics.
ThediagramshowsaspaceshipasitmovespastEarthonitswaytoaplanetP.TheplanetisatrestrelativetoEarth.
0.60c
spaceship
Earth
12 ly
planet P
The distance between the Earth and planet P is 12ly as measured by observers on Earth. Thespaceshipmoveswithspeed0.60crelative toEarth.
Considertwoevents: Event1: whenthespaceshipisaboveEarth Event2:whenthespaceshipisaboveplanetP
JudyisinthespaceshipandPeterisatrestonEarth.
(a) State the reasonwhy the time interval between event 1 and event 2 is a proper timeintervalasmeasuredbyJudy. [1]
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(b) (i) Calculatethetimeintervalbetweenevent1andevent2accordingtoPeter. [1]
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40EP17
(Option D, question 10 continued)
(ii) Calculatethetimeintervalbetweenevent1andevent2accordingtoJudy. [2]
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(c) Judyconsidersherselftobeatrest.AccordingtoJudy,theEarthandplanetParemovingtotheleft.
(i) Calculate,accordingtoJudy,thedistanceseparatingtheEarthandplanetP. [1]
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(ii) Usingyouranswersto(b)(ii)and(c)(i),determinethespeedofplanetPrelativetothespaceship. [1]
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(iii) Commentonyouranswerto(c)(ii). [1]
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40EP18
(Option D, question 10 continued)
(d) At a point half-way between the Earth and planet P, the spaceship passes a space station that is at rest relative to theEarth and planet P. At that instant, radio signalsare sent towards the spaceship from theEarth and planet P. The signals are emittedsimultaneouslyaccordingtoanobserverSatrestonthespacestation.
0.60c
Earth
spaceship
observerS
planet P
spacestation
Determine,accordingtoJudyinthespaceship,whichsignalisemittedfirst. [3]
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– 19 –
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40EP19
(Option D continued)
11. Thisquestionisaboutfundamentalinteractions.
(a) ThekaonisahadronwhosequarkstructureisK us+ = .
(i) StateandexplainwhetherthePauliexclusionprincipleappliestokaons. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(ii) Energy is supplied to the kaon in order to break up the particle into its constituent quarks. Predict, by reference to quark colour, what will happen as moreandmoreenergyisprovidedtotheK+. [3]
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–20– M14/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX
40EP20
(Option D, question 11 continued)
(b) The kaon (K us )+ = decays into an antimuon and a neutrino as shown by the Feynmandiagram.
u
s
+µ
µν
(i) ExplainwhythevirtualparticleinthisFeynmandiagrammustbeaweakinteractionexchangeparticle. [2]
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(ii) Themassofthevirtualparticlein(b)(i)isapproximately80GeVc–2. Estimate the
rangeoftheweakinteraction. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(c) A student claims that theK+ is produced in neutron decays according to the reactionn K e+ −→ + .Stateonereasonwhythisclaimisfalse. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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End of Option D
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40EP22
Option E — Astrophysics
12. Thisquestionisaboutobjectsintheuniverse.
(a) Stateonedifferencebetween
(i) amainsequencestarandaplanet. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(ii) astellarclusterandaconstellation. [1]
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(Option E, question 12 continued)
(b) Statehow
(i) itisknownthatmainsequencestarsaremadepredominantlyofhydrogen. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(ii) amainsequencestarremainsinequilibriumdespiteithavingagreatmass. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(c) Thegraphshowsthevariationwithwavelengthoftheintensityofamainsequencestar.
intensity
100 200 300 400 500 600 700 800 wavelength/nm
Calculatethesurfacetemperatureofthisstar. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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40EP24
(Option E continued)
13. ThisquestionisaboutaCepheidstar.
(a) ThegraphshowsthevariationwithtimetoftheapparentmagnitudemofaparticularCepheidstar.
m
15.2
15.3
15.4
15.5
15.6
15.7
15.8
15.90 2 4 6 8 t / days
State
(i) whatapparentmagnitudeisameasureof. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) thereasonforthevariationofthestar’sapparentmagnitude. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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40EP25
(Option E, question 13 continued)
(b) The period T, in days, of variation of the apparent magnitude is related to the averageabsolutemagnitudeMof thestarin(a) through theequationbelow.
(2.81 lg ) 1.43M T= − × −
Determinethedistancetothestar. [5]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(c) The apparent brightness of the Cepheid star is 14 21.5 10 Wmb − −= × . Determine the
luminosityofthestar. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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40EP26
(Option E continued)
14. Thisquestionisaboutthecosmicmicrowavebackground(CMB)radiation.
(a) Statetwocharacteristicsofthecosmicmicrowavebackground(CMB)radiation. [2]
1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) ExplainhowCMBradiationisevidencefortheBigBangmodelofanexpandinguniverse. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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End of Option E
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40EP27
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40EP28
Option F — Communications
15. This question is about modulation.
(a) (i) Explainwhatismeantbyfrequencymodulation(FM). [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(ii) The graph shows the variation with time t of the voltage V of a frequencymodulatedcarrierwave.Theamplitudeofthesignalwaveis1.0V.
V/V 1.5
1.0
0.5
0.0
–0.5
–1.0
–1.5
1.0 2.0 2.51.50.50.0 t/μs
Ontheaxes,drawasketchgraphtoshowthevariationwithtimetofthevoltageofthesignalwave. [2]
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(Option F, question 15 continued)
(b) Usingthegraphin(a)(ii),determinethefrequencyofthe
(i) carrierwave. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(ii) signalwave. [2]
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(c) State one advantage and one disadvantage of FM modulation compared to amplitudemodulation(AM). [2]
Advantage:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Disadvantage:
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–30– M14/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX
40EP30
(Option F continued)
16. This question is about sampling.
Ananaloguesignal issampled. Thegraphshowsthevariationwithtime tof thevoltageV
ofeachsample.
V/V
12
10
8
6
4
2
00 0.5 1.0 1.5 2.0 t / ms
Thevoltageineachsampleisroundedtothenearestinteger.
(a) Determinethesamplingfrequency. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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– 31 –
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40EP31
(Option F, question 16 continued)
(b) Thehighestvoltage inasample is12V. Determine theminimumnumberofbits thatare required inorder to representeachsample. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(c) Calculatethebinaryequivalentoftheseventhsample. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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– 32 – M14/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX
40EP32
(Option F continued)
17. Thisquestionisaboutdigitaltransmissionandopticalfibres.
(a) Statewhatismeantbyattenuation. [1]
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– 33 –
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M14/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX
40EP33
(Option F, question 17 continued)
(b) A digital signal is to be transmitted along an optic fibre. The signal to noise ratiosignal
noise
that is 10lgP
P
inthefibremustnotfallbelow35dB.
Thefollowingdataareavailable.
Attenuationperunitlengthoftheopticfibre= 2.6dBkm–1
Poweroftheinputsignalis signalP = = 88mW
NoisepowerinthefibreisconstantatnoiseP = = 52pW
(i) Determine, using the data, the greatest distance the signal can travel before itmust be amplified. [3]
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(ii) Theopticfibrehasatotallengthof5600km.Thetotaltransmissiontimealongthelengthofthefibreis28ms.Estimatetherefractiveindexofthecoreofthefibre. [2]
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End of Option F
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40EP34
Option G — Electromagnetic waves
18. Thisquestionisaboutamagnifyingglassandatelescope.
(a) A thin converging (convex) lens is used as a magnifying glass. Object O is placedbetweenafocalpointofthelensandthecentreofthelens.Thefocalpointsofthelensareshown,labelledF.
O
F F
convexlens
(i) Definethetermfocal point. [2]
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(ii) On thediagram,construct rays to locate thepositionof the imageof theobject.Label the image I. [3]
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–35–
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40EP35
(Option G, question 18 continued)
(b) Thepositionofthelensin(a)ischangedsothatavirtualimageoftheobjectisformedatthenearpointoftheeye.Theeyeisveryclosetothelens.
(i) Definethetermnear point. [1]
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(ii) Outlinetheadvantageofhavingtheimagepositionedatthenearpointoftheeye. [1]
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(c) The lens in (a) has a focal length of 6.0cm and is now used as the eyepiece of anastronomicaltelescope.Theobjectivelensofthetelescopehasafocallengthof90cm.Thetelescopeisusedinnormaladjustment.
(i) Statetheseparationoftheobjectivelensandtheeyepiecelens. [1]
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(ii) Determinetheangularmagnificationofthetelescope. [2]
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40EP36
(Option G continued)
19. Thisquestionisaboutinterference.
Lightfromalaserisincidentontwoidenticalparallelslits.Thelightfromthetwoslitsproducesafringepatternonascreen.
light
Abrightfringe
Bdarkfringe
Cbrightfringe
twoslits screen (nottoscale)
AcentralbrightfringeisproducedatC.ThenextbrightfringeisproducedatA.Thereisa darkfringeatB.
(a) The light from the laser is coherent andmonochromatic. Outline what is meant by the term
(i) coherent. [1]
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(ii) monochromatic. [1]
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40EP37
(Option G, question 19 continued)
(b) StatethephasedifferencebetweenthelightwavesfromthetwoslitsthatmeetatB. [1]
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(c) Thedistancefromthetwoslitstothescreenis1.5m.ThedistanceBCis1.8mmandthedistancebetween theslits is0.30mm.
(i) Showthatthelaserproduceslightofwavelengthequalto720nm. [3]
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(ii) Statethepathdifference,inmetres,betweenthewavesthatmeetatB. [1]
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–38– M14/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX
40EP38
(Option G, question 19 continued)
(d) The light from the laser isnow incidentnormallyonadiffractiongrating. Theanglebetweenthethird-orderintensitymaximais78.
light,λ = 720nm 78
third-order,n = 3
third-order,n = 3
diffractiongrating
Determinethenumberoflinespermetreofthediffractiongrating. [3]
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End of Option G
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