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2209-6509 40 pages

M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+

Wednesday 13 May 2009 (morning)

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 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 15 minutes

Candidate session number

0 0

© International Baccalaureate Organization 2009

22096509

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0 1 4 0

2209-6509

–2– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+

Option E — Astrophysics

E1. Thisquestionisaboutstars.

(a) Distinguishbetweenapparentmagnitudeandabsolutemagnitude.

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[2]

(b) Thetablegivesinformationonthreestars,Achernar,EG129andMira.

Absolute magnitude Apparent magnitude Spectral class

Achernar –3.0 +0.50 B

EG129 +13.0 +14.0 B

Mira –3.0 +5.0 M

(i) StatewhichoneofthethreestarsappearsbrightestfromEarth.

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

[1]

(ii) Estimate the ratioLLA

E

where LA is the luminosity ofAchernar and LE is the

luminosityofEG129.

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[3]

(iii) ShowthatthedistanceofthestarAchernarfromEarthisapproximately50pc.

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[2]

(This question continues on the following page)

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–3–

Turn over


(Question E1 continued)

(c) ThesurfacetemperatureofMirais5timeslowerthanthatofAchernar.EstimatetheratioRR

M

A

whereRM istheradiusofMiraandRA istheradiusofAchernar.

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[3]

(d) Stateandexplainwhichofthestarsinthetablein(b)isawhitedwarf.

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0 3 4 0

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E2. Thisquestionisaboutcosmicmicrowavebackgroundradiation.

Thegraphshowsthespectrumofthecosmicmicrowavebackgroundradiation.

0

01 2

/ mm

Intensity

3

The shape of the graph suggests a black body spectrum i.e. a spectrum towhich theWiendisplacementlawapplies.

(a) Usethegraphtoestimatetheblackbodytemperature.

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

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[2]

(b) Explainhowyouranswerto(a)isevidenceinsupportoftheBigBangmodel.

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[2]

(c) State and explain another piece of experimental evidence in support of theBigBangmodel.

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0 4 4 0

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–5–

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E3. Thisquestionisaboutstellarevolution.

(a) OutlinewhatismeantbytheOppenheimer-Volkofflimit.

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[1]

(b) EtaCarinaeisamainsequencestarwhosemassisabout100timeslargerthanthatoftheSun.Thestarwillevolvetobecomeaneutronstar.

(i) ByreferencetotheOppenheimer-Volkofflimit,outlinetheevolutionofEtaCarinaefromwhenitleavesthemainsequenceuntiltheneutronstarstage.

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[2]

(ii) StatethereasonwhyEtaCarinaewillnotundergofurthercollapsewhenitbecomesaneutronstar.

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[1]

(c) Themass-luminosityrelationshipforstarssuchasEtaCarinaeandtheSunisgivenbytheexpressionL kM= 3 5.

wherekisaconstantandMisthemassofthestar.ThemassofEtaCarinaeis100timeslargerthanthatoftheSun.

(i) Calculatetheratio

ll

EtaCarinae

Sun

,wherel L

M= istheluminosityperunitmass.

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[2]

(ii) A star will leave the main sequence after it has converted 12% of its massintoenergy.Byreferencetoyouranswerto(i)suggestwhyEtaCarinaewillspendlesstimeonthemainsequencethantheSun.

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E4. ThisquestionisaboutHubble’slaw.

(a) StateHubble’slaw.

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[2]

(b) Suggestwhy,inverifyingHubble’slaw,datafromnearbygalaxiescannotbeused.

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0 6 4 0

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Option F— Communications

F1. Thisquestionisaboutamplitudemodulation(AM).

ThegraphshowsthepowerspectrumofanAMcarrierwave.

Power

f / kHz 2880 2920 2960 3000 3040 3080 3120

(a) Usethegraphtodeterminethe

(i) frequencyofthecarrierwave.

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

[1]

(ii) frequencyofthesignalwave.

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

[1]

(iii) bandwidthofthetransmittedsignal.

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[1]

(b) Abroadcastingcompanyhasbeengivenpermissiontobroadcast inafrequencyrangeof320kHz.Thetransmissionshavethebandwidthfoundin(a)(iii).

Determinehowmanyradiostationsthecompanycanoperateinthisfrequencyrange.

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[1]

0 7 4 0

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F2. Thisquestionisabouttransmissionandsamplingofsignals.

(a) Theblockdiagramillustratestheprinciplesofthetransmissionandreceptionofdigitalsignals.

P Q R

S

analogue signal

sampling signal

ADC

clock

clock

DAC

communication link

DescribethefunctionofeachoftheblockslabeledP,Q,RandS.

P: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Q: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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R: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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S: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(This question continues on page 10)

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(Question F2 continued)

(b) Thegraphshowsthirteensampledvaluesofananaloguesignalasafunctionofthetimeatwhichthesamplingtookplace.

15.0

12.5

10.0

7.5

5.0

2.5

0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

Eachsampleisconvertedintoa4-bitbinarynumber,accordingtotheencodingscheme:

Signal / mV Sample / mV 4-bit binary number

2.000–2.999 2 0010

3.000–3.999 3 0011

4.000–4.999 4 0100


V/mV

t/ms

1 0 4 0

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Determinethe

(i) 4-bitbinarynumbercorrespondingtothesampleatt=0.07ms.

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[1]

(ii) bit-rateofthedigitaltransmission.

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[2]

(c) Stateoneadvantageandonedisadvantageofincreasingthesamplingfrequencyusedtosampleananaloguesignal.

Advantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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

Disadvantage:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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

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F3. Thisquestionisaboutopticalfibres.

(a) Stateonecauseofattenuationandone causeofdispersioninanopticalfibre.

Attenuation: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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

Dispersion: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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

[2]

(b) An optical fibre of length 5.4km has an attenuation per unit length of 2 8 1. dB km− .Thesignalpowerinputis80mW.

(i) Calculatetheoutputpowerofthesignal.

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[2]

(ii) Inorderforthepoweroftheoutputsignaltobeequaltotheinputpoweranamplifierisinstalledattheendofthefibre.

Statethegain,indecibels(dB),oftheamplifierattheendofthefibre.

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[1]

(c) Thesignaltonoiseratio(SNR),indB,isdefinedasSNR signal

noise

=10 logPP

wherePsignal andPnoise arethepowersofthesignalandnoiserespectively.

TheSNRofthesignalin(b)beforeamplificationwas20dB.CalculatetheSNRafteramplification.

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[2]

1 2 4 0

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–13–

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F4. Thisquestionisabouttheoperationalamplifier.

Diagram1showsanon-invertingamplifiercircuit.

Diagram 1

+

–

0V

90 k

10 k

VinVout

0V

(a) Suggestwhytheamplifierisreferredtoasnon-inverting.

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

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

[1]

(b) Theinputvoltagefortheamplifierin(a)isVin mV= 2 0. .

Calculatethe

(i) gainGoftheamplifier.

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

[1]

(ii) outputvoltageVout .

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

[1]


1 3 4 0

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(c) Diagram2showsaparticularnon-invertingamplifier.

Diagram 2

+

– Vout

0V 0V

Vin

Explain, in terms of the properties of an op-amp,why the gain of this non-invertingamplifierisequalto1.

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[3]


1 4 4 0

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–15–

Turn over



(d) Diagram3showsacircuitinwhichthebatteryhasanemfof6.0Vandnegligibleinternalresistance.Two2 0. MΩ resistorsareconnectedinseriestothebattery.

Diagram 3

A

B

6.0 V

2.0 MΩ

2.0 MΩ

(i) StatethevalueofthepotentialdifferencebetweenpointsAandB.

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

[1]

(ii) Avoltmeterofresistance100 kΩ isusedtomeasurethepotentialdifferenceacrosspointsAandB.

Statewhythereadingonthevoltmeterisnotequaltothevaluestatedin(d)(i).

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

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[1]

(iii) Thecircuitindiagram3ismodifiedtoincludethecircuitshownindiagram2.

Diagram 4

2.0 MΩ

2.0 MΩ

V

6.0 VA

B

+

100 k

Explainwhythevoltmeterreadsthevalueofthepotentialdifferenceasstatedin(d)(i).

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[2]

1 5 4 0

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Option G — Electromagnetic waves

G1. Thisquestionisaboutthecolourofthesky.

Outlinewhytheskyappearsblueduringthedayandredduringasunset.

Bluesky: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Redsky: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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[2]

[2]

G2. Thisquestionisaboutimageformationinaconvexlens.

(a) Definenear point.

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[1]

(b) A small object is placed in front of a converging lens that will act as a magnifier.ThefocalpointsofthelensarelabeledwiththeletterF.

converging lens

objectF F

Onthediagramconstructraystolocatetheimageoftheobject. [2]


1 6 4 0

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–17–

Turn over


(Question G2 continued)

(c) Aparticularlenshasafocallengthof9.0cmandtheimageisformedatthenearpointwhichis25cmfromthelens.

Assumingthattheeyeisveryclosetothelensdeterminethe

(i) distanceoftheobjectfromthelens.

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

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[2]

(ii) angularmagnificationofthelens.

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[1]

(d) Theangularmagnificationofthelensincreaseswithdecreasingfocallength.

Stateonedisadvantageofusingveryshortfocallengthlenses.

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

[1]

1 7 4 0

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G3. Thisquestionisaboutinterference.

Monochromatic,coherentlightisincidentontwonarrowparallelslitswhosewidthsaresmallcomparedtotheirseparation.Afterpassingthroughtheslitsthelightisbroughttoafocusonascreenproducinginterferencefringes.PointXisthemidpointoftheslits.

screen

light

X

slit

slit

Theangularpositionofapointonthescreenisdeterminedbytheangleθ .

(a) (i) Explainwhytheintensityoflightatθ = 0 willbeamaximum.

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

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[2]

(ii) The wavelength of light is 6 80 10 7. × − m and the separation of the slits is1 13 10 4. × − m .Showthatforthefirstordermaximumθ =6 02 10 3. × − rad .

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[1]


1 8 4 0

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–19–

Turn over



(iii) Ontheaxesbelowdrawagraphtoshowhowtheintensityoflightobservedonthescreenvarieswithangleθ .(Youdonothavetoputnumbersontheverticalaxis.) [3]

Intensity

0 θ /×10–3rad–20 –15 –10 –5 0 5 10 15 20

(b) Thetwoslitsarereplacedbyalargenumberofslitswhosewidthsandseparationarethesameasin(a).

Statethechanges,ifany,intheintensitypatternyoudrewin(a)(iii)withreferenceto

(i) thevalueoftheintensityatθ = 0 .

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

[1]

(ii) theangularpositionofthepointsofmaximumintensity.

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[1]

(iii) theangularwidthofthefringes.

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[1]

1 9 4 0

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G4. ThisquestionisaboutX-rayspectraandX-raydiffraction.

(a) Electronsareacceleratedfromrestbyapotentialdifference.TheystrikeametaltargetandtheresultingX-rayspectrumisshownbelow.

Intensity

0

0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0

λ/ 10 m-10×

(i) Stateandexplainwhatmaybededucedabouttheenergylevelsoftheatomsofthemetalfromthefactthatthisspectrumdoesnotcontainanycharacteristiclines.

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

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[2]

(ii) Outline the mechanism by which the photons of wavelength 2 0 10 10. × − mareproduced.

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[2]

(iii) Calculate the potential difference through which the electrons have beenaccelerated.

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[2]


2 0 4 0

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Turn over



(b) X-raysareincidentonacrystalsurfacemakinganangleθ1 withthesurface.ThescatteredX-raysmakeanangle θ2 with thesurface. In thediagrambelowthecircles, thatareseparatedbyadistanced,representlatticeionsofthecrystal.

d

12

incidentX-rays

scattered X-rays

d

Thepathdifferencebetweenthetwoscatteredraysis d (cos cos )θ θ1 2− .

(i) State and explain the condition for constructive interference between the twoscatteredraysshown.

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[2]

(ii) ThewavelengthoftheX-raysis 4 20 10 10. × − m.AmaximumintheintensityofthescatteredX-raysisfirstobservedatanangleθ = 34 5. °°.Determinetheseparationoftheatomicplanesthatgiverisetothismaximum.

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[2]

2 1 4 0

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Option H — Relativity

H1. ThisquestionisabouttheMichelson-Morleyexperiment.

The diagram shows the type of arrangement that was used in the Michelson-Morleyexperiment.

light source

telescope

orbital speed of earth

semi-transparentmirror S

v

mirror M2

mirror M1

ThespeedoflightinfreespaceiscandtheorbitalspeedofEarthisv.

(a) State

(i) thepurposeoftheMichelson-Morleyexperiment.

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[1]

(ii) usingaGalileantransformation,thespeedoflightalongthepathfromthemirrorM1tothesemi-transparentmirrorSintermsofcandv.

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2 2 4 0

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Turn over


(Question H1 continued)

(b) With theapparatus in thepositionshown,an interferencepatternwasobserved in thefieldofviewofthetelescope.Theapparatuswasthenrotatedby90º.

State

(i) whatwasexpectedtobeobserved.

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[1]

(ii) whatwasactuallyobserved.

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[1]

(iii) howtheresultoftheMichelson-Morleyexperimentisexplainedinthetheoryofspecialrelativity.

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[1]

2 3 4 0

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H2. Thisquestionisaboutsimultaneity.

(a) Definewhatismeantbyaproper time interval.

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[1]

(b) Albert is at restwith respect to theground. Hermann is in a carriage that ismovingwithspeedvrelativetoAlbertinthedirectionshown.Twoflashesoflightareemittedfromthebackandthefrontofthecarriage.AccordingtoHermann’sclocktheyarriveatHermann’spositionsimultaneously.

vHermann

Albert

Explainwithreferencetotheconceptofpropertime,whythearrivalofthelightpulsesatHermannwillalsobesimultaneoustoAlbert.

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2 4 4 0

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–25–

Turn over


H3. Thisquestionisaboutrelativistickinematics. AspacecraftleavesEarthataspeedof0.80casmeasuredbyanobserveronEarth.Itheads

towards,andcontinuesbeyond,adistantplanet.Theplanetis52lightyearsawayfromEarthasmeasuredbyanobserveronEarth.

0.80 c

Earth

52 ly

planet

(Diagram not to scale)

When the spacecraft leaves Earth,Amanda, one of the astronauts in the spacecraft, is 20yearsold.

TheLorentzgammafactorforaspeedof0.80cisγ = 53.

(a) Calculate

(i) thetimetakenforthejourneytotheplanetasmeasuredbyanobserveronEarth.

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[1]

(ii) thedistancebetweentheEarthandtheplanet,asmeasuredbyAmanda.

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[1]

(iii) Amanda’sageasthespacecraftgoespasttheplanet,accordingtoAmanda.

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[2]

(b) As the spacecraft goes past the planet Amanda sends a radio signal to Earth. Calculate, asmeasuredby the spacecraft observers, the time it takes for the signal to

arriveatEarth.

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2 5 4 0

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H4. Thisquestionisaboutrelativisticmechanics.

The graph shows the variation with speed v of the total energyE of a particle called thekaon,K–.TherestmassoftheK–is 490MeVc−2 anditselectricchargeisthesameasthatoftheelectron.

E/MeV

2000

1500

1000

500

00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

v/c

(a) SuggesthowthegraphmaybeusedinordertoobtaintherestmassoftheK–.

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[1]

(b) UsethegraphtodeterminethepotentialdifferencerequiredtoaccelerateaK–fromresttoaspeedof0.95c.

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[2]


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(Question H4 continued)

(c) TheK–isunstableanddecaysintoamuonandanantineutrinoaccordingtothereaction

K− −→ +µ v

The restmassof themuon is105MeVc–2. The restmassof theantineutrinomaybeassumedtobezero.

TheK–isatrestwhenitdecays.

(i) Showthattotalenergyisconservedifthemomentumofthemuonis234MeVc–1.

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[2]

(ii) Determinethekineticenergyofthemuon.

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[3]

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H5. Thisquestionisaboutblackholes

(a) DefinewhatismeantbytheSchwarzschild radiusofablackhole.

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[1]

(b) AprobeisatrestasmalldistancefromablackholeofSchwarzschildradius6 7 104. × m .Theprobeemitsmonochromaticlightpulsesthatarereceivedbyaspacecraftveryfarfromtheblackhole.

Schwarzschild radius

probe to spacecraft

Accordingtoaclockintheprobethepulseshaveafrequencyof 4 5 1014. × Hz ,withonepulsebeingemittedeverytwoseconds.Thefrequencyofthelightasmeasuredbyaclockinthespacecraftis3 0 1014. × Hz .

(i) State the name of the phenomenon responsible for the observed change in thefrequencyofthelight.

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

[1]

(ii) Determine,accordingtothespacecraftclock,howoftenthepulsesarereceivedbythespacecraft.

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

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(iii) Determinethedistanceoftheprobefromthecentreoftheblackhole.

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Option I — Medical physics

I1. Thisquestionisabouttheearandhearing.

Soundwavesareincidentontheeardrumofaperson.Thegraphshowsthevariationwithtimetofthedifference∆P betweenthepressureattheeardrumandatmosphericpressure.

∆P /×10–2 Pa

3

2

1

0

–1

–2

–3

0.5 1 1.5 20 t / ms

(a) Thegraphbelowshowsthevariationwithtime tof thevelocityvof thecentreof theeardrum.

v/×10–5ms–1

10

5

0

–5

–10

0.5 1 1.5 20 t / ms


3 0 4 0

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(Question I1 continued)

The average power carried by the soundwave is given by P F vav

max max

2= whereFmax is the

maximumforceexertedontheeardrum.

Usedatafromthegraphsoppositeto

(i) show that the average intensity of the sound at the eardrum is approximately1 8 10 6 2. × − −Wm .Theareaoftheeardrum,A,is42mm2.

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[3]

(ii) estimatethemaximumsoundintensitylevel,indB,attheeardrum.

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

[1]

(b) The area of the ovalwindowwhere the stirrup is attached is 3.2mm2. The ossiclesamplifytheforcebyafactorof1.5.

Estimatethemaximumpressureattheinnerear.

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[2]

(c) Outline the role of the ossicles and the oval window in the transmission ofsoundtotheinnerear.

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[2]

3 1 4 0

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I2. Thisquestionisaboutultrasoundimaging.

(a) Describe

(i) whatismeantbyultrasound.

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[1]

(ii) howultrasoundmaybeproduced.

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[2]

(b) Thetablegivesinformationonthespeedofsound,thedensityandtheacousticimpedanceforvariousmaterials.

Material Speed of sound / ms–1 Density / kgm–3 Acoustic impedance / kg m–2 s–1

Air 330 1.3 430

Bone 2800 1.5 ×103

Tissue 1600 1.0 ×103 1.6 ×106

Calculatetheacousticimpedanceofboneandenteryouranswerinthetableabove. [1]


3 2 4 0

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(c) UltrasoundofintensityI0istravelinginamediumofimpedanceZ1andisincidentonamediumofimpedanceZ2.ThereflectedultrasoundhasintensityIRgivenby

I I Z ZZ ZR = −

+

0

1 2

1 2

2

(i) With reference to the equation above explain why ultrasound would not be aneffectivemethodforabrainscan.

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[2]

(ii) Using data from the table in (b) determine the ratioIIR

0 of ultrasound entering

tissuefromair.

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[2]

(iii) Usingyouranswerto(c)(ii),explainthepurposeofthegelthatisappliedtotheskinbeforeanultrasoundscan.

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[2]


3 3 4 0

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(d) Apulseofultrasoundisemittedfromatransducerplacedonapatient’sskin.Thepulseisreflectedbythestomachandisreceivedbackatthetransducer.Thegraph(anAscan)showshowthevoltageduetothetransmittedandthereflectedpulsevarieswithtime.Thespeedofsoundintissueis1600ms-1.

Voltage

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 t/s0

(i) Using data from the graph determine the distance between the stomach andthetransducer.

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[2]

(ii) OutlinetwodifferencesbetweenanAscanandaBscan.

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[2]

3 4 4 0

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I3. Thisquestionisaboutradiationtherapy.

(a) Totreatthyroidcancer,radioactiveiodine-131isadministeredtoapatient.

(i) Statehowtheradioactiveiodinemaybeadministeredtothepatient.

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[1]

(ii) Statethereasonwhyiodineisused.

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[1]

(iii) State twodifferences,comparedwithnormalcells, in the responseofcancerouscellstoexposuretoradiation.

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[2]

(b) Thephysicalhalf-lifeofiodine-131is8daysanditsbiologicalhalf-lifeis12days.

(i) Distinguishbetweenphysicalandbiologicalhalf-lives.

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[2]

(ii) Calculatetheeffectivehalf-lifeofiodine-131.

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[1]

(iii) A patientwho has received treatmentwith iodine-131must remain in isolationuntiltheactivityoftheiodineinthebodyreducestoaboutonefourthofitsinitialactivity.

Estimatethenumberofdaysapatientmustremaininisolation.

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[1]

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Option J — Particle physics

J1. Thisquestionisaboutfundamentalinteractions. Thediagrambelowshowstwofundamentalinteractionvertices,onefortheelectromagnetic

andtheotherfortheweakinteractions.

photon

chargedfermion

chargedfermion

chargedfermion

chargedfermion

Z

Electromagneticinteraction Weakinteraction

(a) Explainwhyinbothverticestheincomingandtheoutgoingchargedfermionsabovemusthavethesameelectriccharge.

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[2]

(b) The process e e− + − ++ → +µ µ occursmostly via the electromagnetic interaction andlessfrequentlyviatheweakinteraction.

DrawaFeynmandiagramfortheprocess e e− + − ++ → +µ µ accordingto

(i) theelectromagneticinteraction. [1]

(ii) theweakinteraction. [1]


3 6 4 0

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(Question J1 continued)

(iii) IdentifythevirtualparticlesineachoftheFeynmandiagramsthatyoudrewin(i)and(ii).

Virtualparticlein(i): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Virtualparticlein(ii): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

[1]

(c) State one reason why the process e e− + − ++ → +µ µ is more likely to involve theelectromagneticinteractionratherthantheweakinteraction.

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[1]

(d) ElectronsareacceleratedtoatotalenergyEandthencollidewithstationarypositrons.

DeterminetheminimumtotalenergyEoftheelectronforthereactione e− + − ++ → +µ µ totakeplace.

Electronrestmass=0.511MeVc–2. Muonrestmass=105MeVc–2.

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3 7 4 0

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J2. Thisquestionisaboutparticledectors.

(a) (i) Describetheoperatingprincipleofthebubblechamber.

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[2]

(ii) Outline how two particle properties or characteristics are measured using abubblechamber.

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[2]

(b) Theproportionalwiresparkchamberhasnowreplacedthebubblechamber.

Outlinetwoadvantagesofthisdetectorcomparedtothebubblechamber.

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J3. Thisquestionisaboutquarks. The diagrambelow shows the eight spin 1

2 baryonsmade out of the three lightest quarks,the up (u), the down (d) and the strange (s). In this plot baryons belonging to the samehorizontallinehavethesamestrangeness(S)andthosealongthesameslantedlinehavethesamecharge(Q).

Q =–1 Q =0 Q =1

S =0

S =–1

S =–2

(a) (i) Onthediagramabovedrawacirclearoundthepointrepresentingtheneutron. [1]

(ii) Statethequarkcontentoftheneutron.

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(b) TheΞ− baryonisunstableanddecaysaccordingtothereactionΞ Λ− −→ +0 π .

ThequarkcontentoftheparticlesinvolvedisΞ− = ssd ,Λ0 = uds andπ− = du .

State and explain whether the interaction involved in this decay is electromagnetic,strongorweak.

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J4. Thisquestionisaboutcosmologyandstrings. (a) Itisassumedthatinthefirst10–2saftertheBigBangquarksbehavedasfreeparticles

thatcouldnotbindintonucleons.

Suggestareasonforthis.

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(b) At a time of 10–2s after theBigBang the average thermal energy per particle in theuniversewasapproximately50MeV.

Estimatethetemperatureoftheuniverse10–2saftertheBigBang.

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(c) Intheveryearlyuniverseitisthoughtthatthetotalnumberofparticleswasonlyveryslightlylargerthanthenumberofantiparticles.

Explainwhythematterinthepresentuniverseismadepredominantlybyparticlesandnotantiparticles.

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(d) Outlinewhyphysicistswereledtoconsiderstringtheories.

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(e) Many string theories suggest that space is 10 dimensional rather than the usual 3+1dimensions(3forspaceand1fortime).

Assuming that string theory is correct, explain why we are not aware of the extradimensions.

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