physics candidate session number higher level paper 3

48 pages

M13/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ2/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 1 5

Candidate session number

0 0

0148

22136515

– 2– M13/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ2/XX

0248

Option E — Astrophysics

E1. Thisquestionisaboutstars.

(a) Defineabsolute magnitude. [1]

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(b) Thetableshowsdatafortwostars,XandY.

Apparent brightness / W m–2 Absolute magnitude

StarX 2.5×10–8 – 5.4

StarY 8.1×10–9 – 6.3

Usethedatatoexplainwhichstar

(i) appearsbrighterfromEarth. [1]

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(ii) isclosertoEarth. [1]

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(This question continues on the following page)

–3–

Turn over


(Question E1 continued)

(c) TheluminosityofstarXis4.9×1030WanditsspectralclassisM.

(i) DeterminethedistanceofstarXfromEarth. [2]

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(ii) EstimatetheradiusofstarX. [3]

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(iii) SuggestthetypeofstarX. [2]

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0348

–4– M13/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ2/XX


(d) Outline how a study of the spectrum of star X gives information about its chemicalcomposition. [2]

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E2. Thisquestionisaboutcosmology.

(a) Cosmic microwave background radiation was discovered by Penzias and Wilsonin1964.Statetwocharacteristicsofthecosmicmicrowavebackgroundradiation. [2]

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


0448

–5–

Turn over



(b) (i) Using the axes below, sketch a graph to show thevariationwithwavelengthoftheintensityofthecosmicbackgroundradiation. [2]

intensity

00 wavelength

(ii) Explain how the graph may be used to determine the temperature of thecosmicbackgroundradiation. [2]

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(iii) DiscusshowthediscoveryofthecosmicbackgroundradiationprovidesevidencefortheBigBang. [2]

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0548


E3. Thisquestionisaboutstellarevolution.

(a) TheHertzsprung–Russell(HR)diagramshowstheSun,astarAandthemainsequence.

L / LSun

100

10

1.0

0.1

0.01

starA

mainsequence Sun

T

Usingthemass–luminosityrelation 3.5L M∝ ,determinetheratioofthemassofstarAto themassof theSun. [2]

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0648

–7–

Turn over



(b) StarAwillleavethemainsequenceandwillevolvetobecomeaneutronstar.Statethe

(i) changeinstarAthatmarksitsdeparturefromthemainsequence. [1]

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(ii) rangeofmassofaneutronstar. [1]

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0748


E4. ThisquestionisaboutHubble’slaw.

(a) StateHubble’slaw. [1]

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(b) Light from the galaxyM31 received on Earth shows a blue-shift corresponding to afractionalwavelengthshift

λλ∆

=of0.001.

(i) CalculatethevelocityofM31relativetoEarth. [2]

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(ii) ThedistancetoM31fromEarthis0.77Mpc.Estimate,usingtheanswerto(b)(i),avalueoftheHubbleconstant. [1]

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(iii) Commentonyouranswerto(b)(ii). [2]

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0848

–9–

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0948


Option F — Communications

F1. Thisquestionisaboutmodulation.

(a) Thediagramshows thevariationwith timeof thevoltageof anamplitudemodulated(AM)carrierwave.

V/mV 15

10

5

0

–5

–10

–15

20 40 60 80 100 120 1400t/µs

Determinethe

(i) frequencyofthecarrierwave. [2]

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(ii) frequencyofthesignal(information)wave. [2]

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1048

–11–

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(Question F1 continued)

(iii) bandwidthofthesignal. [1]

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(iv) amplitudeofthesignalwave. [2]

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(b) Usingtheaxesbelow,drawthepowerspectrumofthemodulatedcarrierwavein(a). [2]

amplitude

60 70 80 90 100 110 120 130 frequency/kHz

1148


F2. Thisquestionisaboutdigitaltransmission.

Thesamplingfrequencyinananalogue-to-digitalconverter(ADC)is44kHz.

(a) Byreferencetothereconstructionofananaloguesignal,stateandexplainthemaximumfrequencythatcanbeusedbythissystem. [2]

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(b) TheADCproducesa32bitparalleloutput.Calculatethe

(i) bitrateofthetransmission. [1]

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(ii) durationofonebit. [1]

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1248

–13–

Turn over




1348


F3. Thisquestionisaboutattenuation.

(a) Foracoppercable,state

(i) whatismeantbyattenuation. [1]

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(ii) onecauseofattenuationinthecoppercable. [1]

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1448

–15–

Turn over



(b) A copper cable of length 120km is used to transmit a signal. The attenuation perunit length of the cable is 15dBkm–1. Amplifiers, each of gain 52dB, are placed atequalintervalsalongthecable.

120km

cable

input amplifier output (receiver)

The power of the input signal is 240mW. The output signal power must not fallbelow12mW.

(i) Estimatethetotalnumberofamplifiersneeded. [4]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) Stateoneadvantageinreplacingthecablewithanopticfibre. [1]

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1548


F4. Thisquestionisabouttheoperationalamplifier(op-amp).

(a) Thediagramshowsthecircuitofaninvertingamplifier.

R2

V IN

R1

0VV OUT

(i) Statewhatismeantbyaninvertingamplifier. [1]

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(ii) Onthediagramabove,label,withtheletterV,thepointinthecircuitthatisreferredtoasvirtualearth. [1]

(iii) ShowthatthegainGoftheamplifierisgivenbytheexpression 2

1

RG

R= − . [3]

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1648

–17–

Turn over



(b) In the circuit in (a) the resistance ofR1 is 6.0k and the resistance ofR2 is 60k.Theamplifieroperateswitha 12±12Vsupply. Calculate thevalueof theoutputvoltageV OUTforaninputvoltageV INof

(i) 0.30V. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) 3.0V. [1]

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F5. Thisquestionisaboutthemobilephonesystem.

Apersonmakesaphonecallusingamobilephone.Explainthefunctionofthebasestationsandthecellularexchangeduringthephonecall. [3]

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1748


Option G — Electromagnetic waves

G1. Thisquestionisaboutlight.

(a) Thediagramisarepresentationoftheoscillatingelectric(E)andmagnetic(B)fieldsinanelectromagneticwaveinvacuum.Thefieldsareperpendiculartoeachother.

E

B

directionofpropagation

(i) State the change, if any, in the anglebetweenE andBwhen thewave enters atransparentmediumfromvacuum. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) On the diagram, label a distance that is equal to one wavelength of thiselectromagneticwave. [1]

(b) Stateonecommonpropertyofallelectromagneticwaves. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

1848

–19–

Turn over


G2. Thisquestionisaboutanastronomicaltelescope.

(a) Thediagramisapartiallycompletedraydiagramforanastronomicaltelescope.

objectivelens eyepiecelens

d

I

The image I of a star is formed by the objective lens at a distance d from theobjective lens. Thefinal imageof thestar is formedat infinity.

(i) Showthatthedistancedisequaltothefocallengthoftheobjectivelens. [2]

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(ii) On the diagram, label the two focal points of the eyepiece lenswith the lettersF1andF2respectively. [1]

(iii) Onthediagram,constructlinestoshowhowthefinalimageofthestarisformedatinfinity. [3]

(iv) Theangularmagnificationofthetelescopeisdefinedas 2

1

M θθ

= .Onthediagram,labeltheangles 1and 2. [1]


1948


(Question G2 continued)

(b) In a particular astronomical telescope in normal adjustment, the focal length of theobjectivelensis26cmandthefocallengthoftheeyepiecelensis4.0cm.Thetelescopeisusedtoviewadistantweatherballoonwhoseangulardiameterwithanakedeyeis2.2�.Determine the angular diameter of the image of the weather balloon formed bythe telescope. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2048

–21–

Turn over


G3. Thisquestionisaboutinterference.

(a) Coherentmonochromatic light is incident normally on two very narrow, parallel slitswhosewidth issmallcompared to theirseparation. After the lightpasses throughtheslitsitisincidentonascreen.Themid-pointofthescreenisatM.

d M

D=1.20m slits screen

ThedistanceDbetweentheslitsandthescreenis1.20m.Theslitseparationdis0.150mm.

(i) ExplainwhytheintensityofthelightatMisamaximum. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) Point P is the closest point to M on the screen where the light intensity isaminimum. ThedistanceMPis2.62mm. Calculate thewavelengthof light. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


2148



(b) Using the axes below, sketch a graph to show the variation with distance along thescreenof the light intensity. [2]

intensity

M distance

(c) The number of slits is greatly increased, each with the same separation as in (a).Describe the differences, if any, intheintensity distribution in (b). [2]

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2248

–23–

Turn over


G4. ThisquestionisaboutX-rays.

(a) (i) An X-ray tube operates at an accelerating voltage of 28kV. Show that theminimumwavelength minλ of theX-raysproduced is4.4×10–11m. [2]

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(ii) StatewhynoX-raysofwavelengthlessthan minλ areproducedinthisX-raytube. [1]

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(b) X-raysofwavelengthλ=4.4×10–11mareincidentonacrystalplane.Astrongfirst-orderreflected X-ray beam is observed when the X-rays make an angle of 11� with thecrystalplane.Calculatetheseparationofthecrystalplanes. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2348


G5. Thisquestionisaboutthin-filminterference.

(a) Arayofmonochromaticlightisincidentonathinfilmofsoapwaterthatissuspendedinair.Thediagramshowsthereflectionofthisrayfromthetopandbottomsurfacesofthefilm.

air

top

soap d film

bottom air

Onthediagram,label,withtheletterP,thepointatwhichaphasedifferenceofπoccurs. [1]


2448

–25–

Turn over



(b) White light is incidentnormallyonthesoapfilm. Thethicknessdof thesoapfilmis225nmand its refractive index is1.34.

(i) Show that the longestwavelength of lightλ in air forwhich the reflected raysdestructivelyinterfereis603nm. [2]

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(ii) Explainwhythesoapfilmwillappearcoloured. [2]

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2548


Option H — Relativity

H1. Thisquestionisaboutrelativistickinematics.

(a) Defineproper length. [1]

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(b) Albertisatrestinatrainapproachingatunnel.Milevaisinthetunnelmid-waybetweentheentranceandexitlampsattheendsofthetunnel.

Albert

train

entrancelamp exitlamp

Mileva

viewaccordingtothetunnelobserver

The proper length of the train is 120m and the proper length of the tunnel is 72m.Thetrainmoveswithspeed0.80crelativetothetunnel.Calculatethe

(i) gammafactorforaspeedof0.80c. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) lengthofthetrainaccordingtoMileva. [1]

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2648

–27–

Turn over


(Question H1 continued)

(iii) lengthofthetunnelaccordingtoAlbert. [1]

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(c) The lamps in the tunnel are switched on. According to Mileva the lamps switchon simultaneously. Explainwhy, according toAlbert, the entrance lamp switches onaftertheexitlamp. [3]

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2748



(d) The diagrams below show two events. In event 1 the train in (b) is about to exitthe tunneland inevent2 the trainhas justexited the tunnel.Theproperlengthofthetrainis120mandtheproperlengthofthetunnelis72m.

0.80c 0.80c

Event1 Event2

Determinethetimebetweenthesetwoeventsaccordingto

(i) Mileva. [1]

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(ii) Albert. [2]

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2848

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Turn over


H2. Thisquestionisaboutmuondecayexperiments.

Muons created high in the atmospheremove vertically down towards the surface ofEarth.AmuondetectorTisplacedontopofamountainandanother,detectorS,isplacedatsealevel.

detectorT muons

detectorS sealevel

DetectorTdetects570muonsperhour.Intherestframeofthemuonstheirhalf-lifeis1.5 µs.According to an observer, at rest on the mountain, the muons take 6.0 µs to travel fromdetectorTtodetectorS.

(a) Showthat,ifthemuonsmoveatnon-relativisticspeed,thenumberofmuonsdetectedatsealevelwouldbeapproximately36perhour. [2]

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2948



(b) Themuonsin(a)movetowardthesurfaceofEarthwitharelativisticspeedof0.968c.

(i) Determine the half-life of the muons according to the observer at rest on themountain. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) ThenumberofmuonsobservedatdetectorSis285perhour.Explain,usingyouranswersto(a)and(b)(i),howthisobservationprovidesevidencefortimedilation. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3048

–31–

Turn over


H3. Thisquestionisaboutrelativisticmechanics.

A proton, after acceleration from rest through a potential difference V, has momentum1600 MeVc–1.

(a) CalculatethevalueofV. [3]

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(b) Calculatethespeedoftheprotonafteracceleration. [2]

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3148


H4. Thisquestionisaboutgeneralrelativity.

(a) Statetheequivalenceprinciple. [1]

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(b) Aheliumfilledballoonisfloatinginairinsideaspacecraftinouterspace.Thespacecraftbeginstoacceleratetotheright.

acceleration

He

air

outerspace

Explain, with reference to the equivalence principle, the motion, if any, of theheliumballoonrelative to thespacecraft. [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


3248

–33–

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(c) Inanexperiment,toverifythebendingoflightasitpassesclosetotheSun,thepositionofastarwasmeasuredduringatotalsolareclipse.

star

SunMoon

Earth

(nottoscale)

(i) Explain why the measurement of the star’s position was made during a totalsolar eclipse. [1]

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(ii) Onthediagramabove,drawlinestodeterminetheapparentpositionofthestarasseenfromEarth. [1]

(iii) Statewhatothermeasurementmustbemade inorder todetermine theanglebywhichraysfromthestararebentbytheSun. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


3348



(iv) TheangleofbendingofalightrayfromthestarthatjustgrazestheSun’ssurfaceis. Stateandexplaintheeffect,ifany,on iftheSunweretobereplacedbyanotherstarofequalradiusbutlargermass. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3448

–35–

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Option I — Medical physics

I1. Thisquestionisabouthearing.

(a) Definesound intensity level. [1]

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(b) Astudentstandsatadistanceof12mfromarockbandinaconcert.Thesoundintensitylevelatthestudent’searis105dB.Theareaofthestudent’seardrumis58mm2.

(i) Showthatthepowerincidentonthestudent’seardrumis1.8μW. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) Calculatethedistancefromthebandatwhichthestudentmuststandsothat thesoundintensitylevelisreducedto90dB. [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3548


I2. ThisquestionisaboutX-rays.

(a) Defineattenuationcoefficient. [1]

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(b) The graph shows how the attenuation coefficient of muscle varies withphoton energy E.

/cm–1

40

30

20

10

00 10 20 30 40 50 60 70 E/keV

InX-rayimaging,photonsofenergylessthan20keVarefilteredoutofthebeam.


3648

–37–

Turn over


(Question I2 continued)

(i) Explain, with reference to the graph, why this does not significantly affect thequalityoftheX-rayimageproduced. [2]

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(ii) State the advantage to the patient of filtering out the low energy photons fromtheX-raybeam. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(iii) Calculate the fractionof the intensity transmitted through3.0mmofmuscle forX-raysofenergy50keV. [2]

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3748


I3. Thisquestionisaboutnuclearmagneticresonance(NMR)imaging.

(a) OutlinethephysicalprinciplesofNMRimaging. [5]

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(b) StatetwoadvantagesofNMRimagingovercomputedtomography(CT)imaging. [2]

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3848

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3948


I4. Thisquestionisaboutradiationanddosimetry.

(a) Suggestwhyitisdesirableforaradio-isotopetobeagammaemitterifitistobeusedfordiagnosticpurposes. [2]

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(b) Twomethods of radiation therapy involve gamma rays. In method 1 the tumour isirradiated with many fine beams from many different directions. In method 2 thetumourisirradiatedbyasinglebeamofthesametotalenergyasthebeamsinmethod1.

tumour tumour

method1 method2

Suggestandexplainanadvantagetothepatientofmethod1overmethod2. [2]

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4048

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(Question I4 continued)

(c) A patient is injected with a quantity of technetium-99m. Technetium decays bygamma photon emission. The physical half-life of technetium is 6.0 hours and itsbiologicalhalf-lifeis60hours.

(i) Distinguishbetweenphysicalandbiologicalhalf-life. [2]

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(ii) Showthattheeffectivehalf-lifeoftechnetiumis5.5hours. [1]

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(iii) Thefollowingdataareavailableforapatientinjectedwithtechnetium.

Massofpatient =72kg Averageactivityoftechnetium =350MBq Energyofeachofthephotonsemitted=140keV Qualityfactorforgammaradiation =1

Determinethedoseequivalentreceivedbythepatientin5.5hours. [4]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4148


Option J — Particle physics

J1. Thisquestionisaboutquarksandinteractions.

(a) Distinguishbetweenthequarkstructureofabaryonandameson. [1]

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(b) Calculatethemagnitudeofthesmallestnon-zerospinthataparticlecanhave. [1]

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(c) (i) StatethePauliexclusionprinciple. [1]

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(ii) Thehadron ++∆ consistsofthreeuquarksandhasspin32.

Explainhowitispossibleforthequarksin ++∆ nottoviolatethePauliprinciple. [2]

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4248

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(Question J1 continued)

(d) The Feynman diagram represents the electromagnetic scattering of an electron anda positron.

photon

time

(i) Identifyapositrononthediagrambylabellingitwithe+. [1]

(ii) Stateandexplaintherangeoftheinteraction. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(e) The following reactions have never been observed. For each reaction state oneconservationlawthatwouldbeviolatedifthereactionsweretooccur. [2]

e e p p+ + + ++ → + . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

e eν ν− ++ → + . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

4348


J2. Thisquestionisaboutparticleproduction.

(a) In a particular experiment, moving kaon mesons collide with stationary protons.Thefollowingreaction takesplace

0 Xp K K K− ++ → + +

whereXisanunknownparticle.Thisprocessinvolvesthestronginteraction.ThequarkstructureofthekaonsisK us− = , 0K d s= ,andK us+ = .

(i) StatethestrangenessoftheunknownparticleX. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) ParticleXisahadron.StateandexplainwhetherXisamesonorabaryon. [2]

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4448

–45–

Turn over



(b) Themassesoftheparticlesinvolvedinthereactionareasfollows.

p =938MeVc–2

K − =494MeVc–2

0K =498MeVc–2

K + =494MeVc–2

Forthereactiontotakeplace,theK −mustbeacceleratedtoaminimumtotalenergyEofapproximately3170MeV.DeterminethemassofparticleX. [4]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(c) Particlesproducedbycollisionssuchasthatin(a)maybedetectedusingawirechamber.Outlinetheoperationofawirechamber. [3]

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4548


J3. Thisquestionisaboutthestandardmodelofparticles.

(a) Outlinewhatismeantbyasymptoticfreedom. [2]

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(b) Describetheexperimentalevidenceforasymptoticfreedom. [2]

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4648

–47–

Turn over



(c) ThefollowingtwodiagramsrepresentweakinteractionverticesinvolvingthepostulatedHiggsboson.

W Higgs

electron neutrino W W

TheHiggsandWbosonsareunstableparticles.UsetheinteractionverticestoconstructaFeynmandiagramforthedecayofaHiggsbosonintostableparticles. [2]

Higgs

4748


J4. Thisquestionisabouttheearlyuniverse.

(a) Determinethetemperatureatwhichthermalfluctuationscouldcreateanelectron-positronpairoutofavacuum. [2]

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(b) Electron-positronpairsareproducedattemperatureslessthanthatintheanswerto(a).Explainthisobservation. [2]

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physics candidate session number higher level paper 3

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