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34 pages
M12/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX
Friday 11 May 2012 (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.•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 2012
Examination code
2 2 1 2 – 6 5 1 2
Candidate session number
0 0
0136
22126512
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–2– M12/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX
0236
Option A — Sight and wave phenomena
A1. Thisquestionisaboutcolourvision.
(a) Statewhichtypeofreceptorcellintheeyeisresponsiblefordetectionofcolour. [1]
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(b) Thegraphbelowshowshowabsorptionvarieswithwavelength for the three typesofcolourreceptor.
ReceptorA ReceptorB ReceptorC
relativeabsorption/%
100
80
60
40
20
0400 450 500 550 600 650
wavelength/nm
(i) Identifythecoloursthatthereceptorsaresensitiveto. [1]
ReceptorA: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ReceptorB: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
ReceptorC: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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0336
(Question A1 continued)
(ii) Red-green colour blindness is more common than red-blue colour blindness.Usingtheinformationonthegraphsuggestwhythisisthecase. [2]
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(iii) Statewhichofthereceptorsabsorbyellowlight. [1]
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0436
A2. Thisquestionisaboutstandingwavesonstrings.
(a) Astringisfixedatoneendandtheotherfreeendismovedupanddown.Explainhowastandingwavecanbeformedonthestring. [3]
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(b) Thediagramshowsastringvibratinginitsfundamental(firstharmonic)mode.Bothendsofthestringarefixed.
(i) Labelanantinodeonthediagram. [1]
(ii) Thelengthofthestringis0.85manditsfundamentalfrequencyis73Hz.Calculatethespeedofthewavesonthestring. [2]
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0536
(Question A2 continued)
(iii) Sketchhowthestringwillappearifitisvibratedatafrequencythreetimesthatofthefundamentalfrequency. [1]
(iv) Statethespeedofthewavewhenthestringisvibratedatafrequencythreetimesthatofthefundamentalfrequency. [1]
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0636
A3. ThisquestionisabouttheDopplereffect.
(a) DescribetheDopplereffect. [3]
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(b) AspectrallinefromasourceonEarthhasafrequencyof4.672×1014Hz.Whenthissamelineisobservedfromadistantgalaxyitisfoundtohaveshiftedto4.669×1014Hz.
(i) StatethedirectionofthemotionofthegalaxyrelativetoEarth. [1]
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(ii) DeducethespeedofthegalaxyrelativetoEarth. [3]
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0736
Option B — Quantum physics and nuclear physics
B1. Thisquestionisaboutplutoniumasapowersource.
Plutonium ( )23894Pu decays by alpha emission. The energy of the alpha particle emitted is8.8×10–13J.Thedecayconstantofplutonium-238is8.1×10–3yr–1.
(a) Definedecay constant. [1]
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(b) Plutonium-238istobeusedasapowersourceinaspaceprobe.
(i) Determinetheinitialactivityofplutoniumsuchthatthepowerreleasedbyplutoniumis6.0W. [2]
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(ii) Thepowersourcebecomesuselesswhen thepowerreleaseddecreases to4.0W.Determinethetime,inyears,forwhichthepowersourcecanbeusedinthespaceprobe. [4]
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B2. Thisquestionisaboutthephotoelectriceffect.
Thediagramshowsapparatususedtoinvestigatethephotoelectriceffect.
V
μA
M C
evacuatedtube
metallicsurface collectingplate
(a) WhenredlightisincidentonthemetallicsurfaceMthemicroammeterregistersacurrent.Explainhowacurrent is established in this circuit even thoughnothing joinsM toCinsidethetube. [2]
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(b) ThegraphshowsthevariationwithvoltageVofthecurrentIinthecircuit.
I
–1.42 0 V /V
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0936
(Question B2 continued)
TheworkfunctionofthemetallicsurfaceMis0.48eV.
(i) Definework function. [1]
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(ii) State themaximum kinetic energy of an electron immediately after it has beenemittedfromM. [1]
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(iii) CalculatetheenergyofaphotonincidentonM. [1]
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(iv) TheredlightincidentonMisnowreplacedbybluelight.ThenumberofphotonsincidentonMpersecondisthesameasin(b).
Ontheaxesopposite,sketchagraphtoshowthevariationwithV ofthecurrentI. [2]
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1036
B3. Thisquestionisaboutelectrondiffraction.
(a) A beam of electrons is accelerated from rest by a potential difference of 750V.CalculatethedeBrogliewavelengthoftheacceleratedelectrons. [3]
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(b) Thebeamofelectronsisincidentoncrystallinematerial.Thediagramshowstheelectronintensitypatternafterscatteringfromthematerial.
(i) Statethereasonwhyitisnecessaryforthematerialtobecrystalline. [1]
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1136
(Question B3 continued)
(ii) Darkregionsdenotelargenumbersofincidentelectrons.Describehowthediagramoppositeprovidesevidenceforthewavenatureofelectrons. [2]
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1236
Option C — Digital technology
C1. Thisquestionisaboutmobilephones.
(a) Thediagramshowsthecellnetworkusedinamobilephonesystem.
C
(i) AmobilephoneisincellC.Statehowthestrengthofthesignalfromthetransmitterinthiscellcompareswiththesignalsfromsurroundingcells. [1]
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(ii) Explainwhymobilephonecompaniesmustuseaspecifiedrangeoffrequencieswithineachcell. [2]
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1336
(Question C1 continued)
(iii) Therangeoffrequenciesusedallowsapproximately800signalstobetransmittedsimultaneously.However,amaximumof400connectionscanbemade.Statewhythisisthecase. [1]
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(b) Suggesttworeasonswhythegeneralpublicmaybeconcernedabouttheuseofmobilephones. [2]
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–14– M12/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX
1436
C2. Thisquestionisaboutoperationalamplifiers.
(a) Statethepropertiesofanidealoperationalamplifierbyusingthewords“zero”or“infinite”inthetablebelow. [2]
inputimpedance(resistance)
outputimpedance(resistance)
(openloop)gain
(b) Thecircuitbelowshowsanon-invertingamplifier.
RF
R
VINVOUT
Showthatthegainofthisamplifierisgivenby F1 .RGR
= + [3]
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(Question C2 continued)
(c) Thecircuitbelowshowsaninvertingamplifier.
3.0kΩ
1.2kΩ3.0V VOUT
CalculatetheoutputvoltageVOUT. [2]
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C3. Thisquestionisaboutcompactdiscs(CDs).
(a) ACDconsistsofasinglespiraltrackofpitsofdigitaldata.Eachpitis1.25×10–7mdeep.
(i) Explain why the wavelength of electromagnetic waves used to read the CD is5.00×10–7m. [3]
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(ii) The inner radius of the playing area is 25mm and the outer radius is 58mm.Theeffectivewidthofthetrackisapproximately1.6µm.DeterminethelengthofthetrackontheCD. [3]
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(b) StateonenegativeenvironmentalimpactoftheincreaseduseofCDs. [1]
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Option D — Relativity and particle physics
D1. Thisquestionisaboutrelativistickinematics.
In a thought experiment, a train is moving at a speed of 0.950c relative to the ground.Apendulumattachedtotheceilingofthetrainissetintooscillation.
T
G
0.950c
diagramfromG’spointofview
AnobserverTonthetrainandanobserverGonthegroundmeasuretheperiodofoscillationofthependulum.
(a) StateandexplainwhetherthependulumperiodisapropertimeintervalforobserverT,observerGorbothTandG. [2]
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(b) ObserverTmeasurestheperiodofoscillationsofthependulumtobe0.850s.CalculatetheperiodofoscillationsaccordingtoobserverG. [2]
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(Question D1 continued)
(c) ObserverTisstandinginthemiddleofthetrain.Twolightningstrikeshittheendsofthetrain.Thestrikesaresimultaneousaccording to observer T.
T
G0.950c
endX endY
diagramfromT’spointofview
Lightfromthestrikesreachesbothobservers.
(i) Explainwhy,accordingtoobserverG,lightfromthetwostrikesreachesobserverTatthesametime. [2]
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(ii) Usingyouranswerto(i),explainwhy,accordingtoobserverG,endXofthetrainwashitbylightningfirst. [2]
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1936
(Question D1 continued)
(d) Thelightningstrikes in(c)makemarksonboththetrainandtheground. Theproperlengthofthetrainis160m.
Determine,accordingtoobserverG,thedistancebetweenthemarksmadeontheground. [2]
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D2. Thisquestionisaboutquarksandinteractions.
(a) Outlinehowinteractionsinparticlephysicsareunderstoodintermsofexchangeparticles. [2]
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(b) Thesigma( uus)+∑ = decaysintoapositivepion( ud)+π = andaneutronaccordingtothefollowingreaction.
n++ +∑ → π
Thecolourofeachofthequarksin +∑ isindicatedinthediagrambelow.
+∑
blueu
reds
greenu
uddd
u
+π
n
Deduce
(i) thecolourofthe d in +π . [1]
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(ii) theelectricchargeoftheparticlerepresentedbythedottedline. [1]
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2136
(Question D2 continued)
(c) Determinewhetherornotstrangenessisconservedinthisdecay. [2]
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(d) Thetotalenergyoftheparticlerepresentedbythedottedlineis1.2GeVmorethanwhatisallowedbyenergyconservation.Determinethetimeintervalfromtheemissionoftheparticlefromthesquarktoitsconversionintothed d pair. [2]
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(e) The pion is unstable and decays through theweak interaction into a neutrino and ananti-muon.
DrawaFeynmandiagramforthedecayofthepion,labellingallparticlesinthediagram. [2]
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2236
Option E — Astrophysics
E1. ThisquestionisaboutthestarNaos(ZetaPuppis).
ThefollowingdataareavailableforthestarNaos.
Surfacetemperature = 4.24×104K Radius = 7.70×109m Apparentmagnitude = +2.21 Parallaxangle = 3.36×10–3arcseconds
(a) StatethespectralclassofNaos. [1]
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(b) Statewhatismeantbyapparentmagnitude. [1]
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(c) Determine,forNaos,its
(i) distancefromEarth,inparsec. [1]
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(ii) absolutemagnitude. [2]
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2336
(Question E1 continued)
(d) ThedistancetoNaosmaybedeterminedbythemethodofstellarparallax.ThediagramshowsthestarNaosandtheEarthinitsorbitaroundtheSun.
Earth
Sun Naos
(not to scale)
(i) DrawlinesonthediagramaboveinordertoindicatetheparallaxangleofNaos. [1]
(ii) OutlinehowtheparallaxangleofNaosmaybemeasured. [2]
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2436
(Question E1 continued)
(e) Determine,usingthedatagiven,
(i) theluminosityofNaos. [2]
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(ii) thewavelengthatwhichNaosemitsmostofitsenergy. [1]
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(f) ThestarMizarhasthesameapparentbrightnessasNaosandamuchlowertemperature.Tothenaked eyeNaosdoesnotappearasbrightasMizar.
Byreferencetoyouranswerto(e)(ii),suggestanexplanationofthisfact. [2]
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E2. ThisquestionisaboutOlbers’paradox.
(a) StatetwopostulatesoftheNewtonianmodeloftheuniverse. [2]
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(b) Describe quantitatively how Olbers’ paradox arises in the Newtonian model oftheuniverse. [3]
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(c) SuggesthowtheparadoxisresolvedinthestandardBigBangmodeloftheuniverse. [2]
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–26– M12/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX
2636
Option F — Communications
F1. Thisquestionisaboutradiotransmissionandreception.
(a) Thediagramshowsapowerspectrumforanamplitudemodulated(AM)radiosignal.relativepower/dB
2.0
1.5
454 456 458 frequency/kHz
(i) Statethefrequencyofthecarrierwave. [1]
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(ii) Calculatethefrequencyofthesignal. [1]
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(iii) Calculatethebandwidthofthesignal. [1]
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2736
(Question F1 continued)
(b) ThediagrambelowshowsanincompleteblockdiagramforanAMradioreceiver.
aerial RFamplifier demodulator
speaker
X Y
(i) IdentifycomponentsXandY. [2]
X: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Y: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) ExplainthefunctionofcomponentsXandY. [2]
X: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Y: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(c) Discussanadvantageandadisadvantageofusingamplitudemodulationcomparedwithfrequencymodulationwhentransmittingandreceivingaradiosignal. [3]
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F2. Thisquestionisaboutthesamplingofanaloguesignals.
(a) In a sound recording system a microphone is plugged into a computer sound card.Twopossiblesamplingfrequenciesare44.1kHzand8.0kHz.
(i) Explain the advantage of using 44.1kHz rather than 8.0kHz as the samplingfrequency. [2]
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(ii) Suggest the implication for storing the sampled data when using a samplingfrequencyof44.1kHz. [1]
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(Question F2 continued)
(b) Thegraphshowsananaloguesignalwhichistobesampled.Thevoltagesofthesampledvaluesarethenrecordedasbinarynumberswith0000representingtherangefrom0.00to0.99mV,0001representingfrom1.00mVto1.99mV,etc.
signalvoltage/mV
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9
time/ms
(i) Thefirst sample takesplaceat0.0msand the sampling rate is5.0kHz. On thegraphabove,drawthepointswherethenexttwosamplesoccur. Label theseasS1andS2. [2]
(ii) Statethebinarynumbersrepresentingthesetwosamples. [2]
S1:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
S2:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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3036
(Question F2 continued)
(c) Explainhowtime-divisionmultiplexingallowstransmissionofdifferentsignalsonthesameline. [3]
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Option G — Electromagnetic waves
G1. Thisquestionisaboutamagnifyingglass.
(a) (i) Definetheangular magnificationofamagnifyingglass. [1]
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(ii) Deriveanequationfor theangularmagnificationofamagnifyingglasswith theimageatinfinity. [3]
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3236
(Question G1 continued)
(b) Anobjectispositioned8.00cmfromamagnifyingglassoffocallength15.0cm.
(i) Calculatethepositionoftheimage. [2]
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(ii) Calculatethelinearmagnification. [1]
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(iii) Theimageisuprightandmagnified.Stateafurtherpropertyoftheimage. [1]
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G2. Thisquestionisaboutlasersanddiffractiongratings.
(a) (i) Statetwowaysthatlaserlightdiffersfromlightemittedbyanordinaryfilamentlamp. [2]
1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(ii) Outlinethemainmechanismsintheproductionoflaserlight. [4]
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3436
(Question G2 continued)
(b) (i) Describe the pattern produced on a screen by a red laser beam incident on adiffractiongrating. [2]
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(ii) Laser light of wavelength 632nm is incident on a diffraction grating having600linespermm.Determinetheangularseparationbetweenthefirstandsecondordermaxima. [4]
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