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2210-6512 23 pages
M10/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX+
Tuesday 11 May 2010 (morning)
PhysicssTANDARD 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 in the spaces provided.• At the end of the examination, indicate the letters of the Options answered in the
candidate box on your cover sheet.
1 hour
Candidate session number
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© International Baccalaureate Organization 2010
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2210-6512
–2– M10/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX+
Option A — Sight and wave phenomena
A1. Thisquestionisabouttheeyeandsight.
(a) State,byreferencetohumanvision,whatismeantbyaccommodation.
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(b) Explainhowaccommodationisachievedinthehumaneye.
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(c) The light output from two particular lamps is described as “warm-white” and as“cold-white”. Both lamps emit the full spectrum of colours. State how the visualimpressionoftemperaturedifferencemaybeachieved.
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A2. ThisquestionisabouttheDopplereffect.
Atonepointinanartery,bloodcellsflowalongtheaxisofthearterywithspeedv,asshown.
artery wall
blood cell
v
ultrasound beamfrequency 4.5 MHz
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(Question A2 continued)
A parallel beam of ultrasound of frequency 4.5MHz is incident on the artery at an angleof 40.
Thespeedofultrasoundinthebodytissuesis c = × −1 5 103 1. ms . TheultrasounddetectedafterreflectionfromthebloodcellsisfoundtobeDoppler-shiftedin
frequencyby740Hz. The expression for theDoppler shift ∆f of the ultrasound of frequency f may be assumed
tobe
∆ =f fvc
( cos ) .2 θ
(a) Forthisstatedexpression,explaintheinclusionof
(i) thefactorof2.
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(ii) thefactor cosθ.
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(b) Determineavalueforthespeedofthebloodcellsintheartery.
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A3. Thisquestionisaboutpolarization.
(a) Statewhatismeantbypolarizedlight.
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(b) Describeandexplainhowpolarizationmaybeusedinstressanalysis.Youmaydrawa diagramifyouwish.
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Option B — Quantum physics and nuclear physics
B1. Thisquestionisaboutthewavenatureofmatter.
(a) DescribethedeBrogliehypothesis.
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(b) OutlineanexperimenttoverifythedeBrogliehypothesis.
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(c) ShowthatthedeBrogliewavelengthofelectronsacceleratedfromrestthroughapotentialdifferenceof150Vis1 0 10 10. × − m.
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B2. Thisquestionisaboutalpha(α )particlescattering.
Anexperimentiscarriedoutinwhichalpha( )α particlesofinitialkineticenergy5.0MeVarefiredatapieceofgoldfoil.Theprotonnumberofgoldis79.
Determinethedistanceofclosestapproachofanalpha( )α particletoagoldnucleus.
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B3. Thisquestionisaboutβ +(positron)decay.
(a) In a β + decay, a positron is emitted along with a neutrino, and a γ -ray photon.Althoughtheenergyspectrumfor γ -rays involvedisdiscrete,theenergyspectrumforthepositronsiscontinuous.
(i) State the difference between a discrete energy spectrum and a continuousenergyspectrum.
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(ii) Explainhowtheexistenceoftheneutrinoaccountsforthecontinuousnatureofthepositronenergyspectrum.
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(Question B3 continued)
(b) Sodium-22isaradioisotopeusedinnuclearmedicinethatundergoesβ +decay. Thehalf-lifeofsodium-22is2.6years. Asampleofsodium-22hasaninitialactivityof6 2 109. × Bq.
(i) Definedecay constant.
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(ii) Calculatethedecayconstantofsodium-22.
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(iii) Calculatetheactivityofthesampleofsodium-22after8.0years.
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Option C — Digital technology
C1. Thisquestionisaboutstoringinformation.
Informationmaybestoredeitherinanalogueformorindigitalform.
(a) Distinguishbetweenanalogueinformationanddigital information. [2]
Analogue: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Digital: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) Stateonemethodbywhichinformationmaybestoredin
(i) analogueform.
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(ii) digitalform.
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(c) Stateandexplaintworeasonswhy,formanypurposes,digitalstorageofinformationisreplacinganaloguestorage.
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2:.....................................................................
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(d) Suggest two possible implications for society of the ever-increasing capability ofdatastorage.
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C2. Thisquestionisaboutanamplifiercircuit.
The diagram below shows an amplifier circuit incorporating an ideal operationalamplifier(op-amp).
+
–
–9 V
+9 V
10 k
2 k
VoutVin
Theoperationalamplifierusesa+9V/0/–9Vsupply.
(a) Calculatethegainoftheamplifiercircuit.
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(b) DeterminetheoutputpotentialVoutforvaluesofinputpotentialVinequalto
(i) –0.9V.
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(ii) +2.0V.
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C3. Thisquestionisaboutamobilephonenetwork.
Describetheroleofbasestationsandacellularexchangewhenamobilephoneisswitchedonandbeforeacallismade.
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Option D — Relativity and particle physics
D1. Thisquestionisaboutrelativistickinematics.
(a) Defineinertial frame of reference.
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(b) AnnandSuearetwins.SueremainsonEarth.AnntravelstothestarSiriusinaspaceshipmovingataspeedof0.80c,asmeasuredbySue.ThedistancebetweenEarthandSiriusis8.8ly,asmeasuredbySue.
(i) Calculate thetimeelapsed,asmeasuredbySue,betweenAnnleavingEarthandreachingSirius.
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(ii) State and explain whether Ann or Sue measures the proper time between AnnleavingEarthandarrivingatSirius.
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(iii) CalculatethetimetakenforthespaceshiptoreachSirius,asmeasuredbyAnn.
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(iv) AsAnnapproachesSirius,shesendsaradiomessagebacktoSue.ThedistancebetweenSiriusandEarth,asmeasuredbyAnn,is5.28ly.Determinethetime,asmeasuredbyAnn,thatittakesforthesignaltoreachSue.
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D2. Thisquestionisaboutfundamentalinteractions.
(a) Stateanexchangeparticlefor
(i) theweakinteraction.
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[1]
(ii) theelectromagneticinteraction.
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[1]
(b) Comment,withreferencetothemassoftheexchangeparticles,ontherangeoftheweakandelectromagneticinteractions.
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(c) DescribetheprocessrepresentedbytheFeynmandiagrambelow.
virtual photon
eˉ eˉ
eˉeˉ
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(d) Statewhatismeantbyavirtualparticle.
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(Question D2 continued)
(e) Explain how theHeisenberg uncertainty principle for energy and time applies to theinteractionin(c).
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(f) Theuncertainty in the time for the electromagnetic interactionbetween two electronsis1.6 10 s16× − .Determinetheuncertaintyintheenergyofthevirtualphoton.
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Option E — Astrophysics
E1. ThisquestionisaboutdeterminingsomepropertiesofthestarWolf359.
(a) ThestarWolf359hasaparallaxangleof0.419arcseconds.
(i) Describehowthisparallaxangleismeasured.
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(ii) Calculatethedistanceinlight-yearsfromEarthtoWolf359.
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(iii) StatewhythemethodofparallaxcanonlybeusedforstarsatadistanceoflessthanafewhundredparsecsfromEarth.
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M10/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX+
(Question E1 continued)
(b) Theratio
apparentbrightnessofWolf359apparentbrightnessoftheSSun
3 7 10 15. .× −
Showthattheratio
luminosityofWolf359luminosityoftheSun
is8 9 10 4. × − .( . ).1 6 3 104ly AU= ×
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[4]
(c) The surface temperature of Wolf 359 is 2800K and its luminosity is 3.5 10 W23× .CalculatetheradiusofWolf359.
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[2]
(d) By reference to thedata in (c), suggestwhyWolf 359 is neither awhite dwarf nor aredgiant.
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E2. Thisquestionisaboutthedensityoftheuniverse.
(a) Definecritical density.
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(b) Explainhow the futureof theuniversemaybepredictedby comparing the estimateddensityoftheuniversetothecriticaldensity.
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(c) Explainwhy the existenceofdarkmattermakes it difficult tomeasure thedensityoftheuniverse.
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Option F — Communications
F1. Thisquestionisaboutmodulation.
(a) Acarrierwavemaybeamplitudemodulatedorfrequencymodulated.
State
(i) whatismeantbymodulation.
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(ii) whycarrierwavesaremodulated.
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[1]
(b) A sinusoidal carrier wave has a frequency of 500kHz and an amplitude of 8.0V.The carrier wave is frequency modulated by a sinusoidal information signal offrequency 2.5kHz and amplitude 1.2V. The frequency deviation of the carrierwaveis15 1kHz V− .Describequantitativelythevariationwithtimeofthecarrierwave.
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F2. Thisquestionisaboutopticfibretransmission.
The variation with time t of the input power to an optic fibre is shown in Diagram 1.Thevariationwithtimet oftheoutputpowerfromtheopticfibreisshowninDiagram2.
00 00 tt
input power
output power
Diagram1 Diagram2
Thescalesarethesameonbothdiagrams.
(a) Stateandexplainthefeatureofthegraphsthatshowsthatthereis
(i) attenuationofthesignal.
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(ii) signalnoise.
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(b) Theduration(timewidth)ofthesignalincreasesasittravelsalongtheopticfibre.
(i) Statetworeasonsforthisincreasedtimeduration.
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2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(ii) Suggestwhythisincreaseinthewidthofthepulsesetsalimitonthefrequencyofpulsesthatcanbetransmittedalonganuninterruptedlengthofopticfibre.
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F3. Thisquestionisabouttheuseofsatellitesforcommunication.
(a) (i) Statewhatismeantbyageostationarysatellite.
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(ii) Explaintheadvantagesoftheuseofgeostationarysatellitesforcommunication.
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(b) Explaintheadvantagesoftheuseofpolar-orbitingsatellitesforcommunication.
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Option G — Electromagnetic waves
G1. Thisquestionisaboutacompoundmicroscope,sphericalaberrationandchromaticaberration.
(a) An object O is placed in front of the objective lens of a compound microscope asshownbelow.
eye lensobjective lens
F FO
ThefocalpointsoftheobjectivelensareatF.Themicroscopeisinnormaladjustment.Withoutdrawingaraydiagram,labeltheapproximatepositions,ontheprincipalaxis,of
(i) theimageproducedbytheobjectivelens(labelthispositionX). [1]
(ii) thefocalpointsoftheeyelens(labelthesepointsE). [1]
(iii) thefinalimage(labelthisimageY). [1]
(b) Anobjectisviewedthroughaconvexlensthathasbeencorrectedforsphericalaberration.Foraparticularobjectdistance,theimageoftheobjectisasshownbelow.
(This question continues on the following page)
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(Question G1 continued)
Anotherconvexlensofthesamefocallength,butnotcorrectedforsphericalaberration,isnowusedtoviewtheobject.Theobjectdistanceisunchanged.
Inthespacebelow,drawtheimageasitwouldbeseenthroughthissecondlens. Theimageasseenthroughthecorrectedlensisshownasabrokenline. [2]
(c) Explainhowchromaticaberrationariseswhenanobjectisviewedthroughasinglelens.
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G2. Thisquestionisaboutthescatteringoflight.
(a) Stateanapproximatewavelengthfor
(i) redlight.
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(ii) bluelight.
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(b) With reference to your answers in (a), discuss why the setting Sun appears reddishincolour.
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G3. Thisquestionisabouttwo-sourceinterference.
Adoubleslitisarrangedsothatitsplaneisnormaltoabeamoflaserlight,asshownbelow.
2.4 m
0.85 mm
double slit screen
laser lightwavelength
640 nm
Thewavelength of the light is 640nm. The slit separation in the double slit arrangementis0.85mm.Coherentlightemergesfromtheslitsandaninterferencepatternisobservedonascreen.Thescreenisparalleltotheplaneofthedoubleslits.Thedistancebetweentheslitsandthescreenis2.4m.
(a) (i) Statewhatismeantbycoherentlight.
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(ii) Explainhowaninterferencepatternisformedonthescreen.
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(b) Calculatetheseparationofthefringesintheinterferencepatternonthescreen.
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(This question continues on the following page)
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–23– M10/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX+
(Question G3 continued)
(c) The interference pattern in (b) consists of a series of alternate light and dark fringes.Theintensityofthelightfromoneslitisnowreduced.Suggesttheeffectontheappearanceofthefringes.
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