physics caddate sess ue standard level paper 3

35 pages

M13/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX

Tuesday 7 May 2013 (afternoon)

PHYSICS

STANDARD LEVEL

PAPER 3

INSTRUCTIONS TO CANDIDATES

• Write your session number in the boxes above.

• Do not open this examination paper until instructed to do so.

• Answer all of the questions from two of the Options.

• Write your answers in the boxes provided.

• A calculator is required for this paper.

• A clean copy of the Physics Data Booklet is required for this paper.

• The maximum mark for this examination paper is [40 marks].

1 hour

© International Baccalaureate Organization 2013

Examination code

2 2 1 3 – 6 5 1 8

Candidate session number

0 0

0136

22136518

–2– M13/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX

0236

Option A — Sight and wave phenomena

A1. Thisquestionisaboutdepthofvision.

(a) Statewhatismeantbydepthofvisionforthehumaneye. [1]

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(b) Stateandexplaintheeffectonthedepthofvisionwhentheintensityoflightisincreased. [2]

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A2. Thisquestionisaboutstandingwaves.

(a) Stateonedifferencebetweenastandingwaveandatravellingwave. [1]

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(This question continues on the following page)

–3–

Turn over


(Question A2 continued)

(b) A string fixed at both ends oscillates in its fundamental (first harmonic) mode.Thediagramshowsthedisplacementofthestringattimet = 0.PointMisthepointatthemiddleof thestring.

M

equilibriumposition

At t = 0pointM ismovingupwards. The frequencyofoscillation is250Hz. On thediagram,draw

(i) anarrowtoindicatethedirectionofaccelerationofpointM. [1]

(ii) alinetoshowthepositionofthestringatatimeof2.0ms. [2]

(c) Describehowthestringin(b)wasmadetooscillateinitsfundamentalmode. [1]

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

(d) Statethefrequencyofoscillationofthestringwhenitoscillatesinitssecondharmonic. [1]

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0336


A3. ThisquestionisabouttheDopplereffect.

(a) DescribewhatismeantbytheDopplereffect. [1]

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(b) AsourceSofsoundemitssoundoffrequency1.20kHz. Sexecutessimpleharmonicoscillationsalongthex-axis.AnobserverXissituatedonthex-axisasshown.

x-axis S X

ThemaximumspeedofSis45ms–1. Thespeedofsoundis340ms–1. Determinetherangeoffrequenciesheardbytheobserver. [3]

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0436

–5–

Turn over


A4. Thisquestionisaboutresolution.

(a) Monochromatic light from two point sources is incident on a circular aperture.Afterpassingthroughtheaperture,thelightisobservedonascreenfarfromtheaperture.

sources aperture

screen (nottoscale)

Ontheaxesbelow,drawagraphtoshowthevariationwithangleoftheintensityoflight on the screenwhen the two sources are just resolved. (Youdo not have to putnumbersontheaxes.) [2]

intensity

0


0536

– 6– M13/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX

(Question A4 continued)

(b) Two small blue ink dots whose centres are 3.0mm apart are made on white paper.Thedotsaresmallcomparedtotheirseparation.Thewavelengthofbluelightis480nm.Thediameterofthepupilofahumaneyeis2.1mm.

(i) Determine the maximum distance between the eye and the paper at which thetwodotsare just resolvedby theeye. [3]

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(ii) Thetwobluedotsarenowreplacedbytwosimilarreddots.Theirseparationisthesameasthatofthebluedotsandthepaperisheldatthesamedistanceasin(b)(i).Determinewhetherthedotswillstillberesolved. [2]

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0636

–7–

Turn over


Option B — Quantum physics and nuclear physics

B1. Thisquestionisaboutthephotoelectriceffect.

Inan investigationof thephotoelectriceffect, lightof frequency f is incidentonametallicsurfaceinvacuum.

light

cathode

VS

vacuum

anode A

It is observed that the light causes the almost simultaneous emission of electrons fromthe surface.

(a) Suggestwhythisobservation

(i) cannotbeexplainedbythewavetheoryoflight. [2]

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(ii) canbeexplainedbytheparticletheoryoflight. [2]

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0736


(Question B1 continued)

(b) Foreachfrequencyfoftheincidentlight,VSisadjusteduntilthecurrentrecordediszero.ThegraphshowsthevariationofVSwiththefrequencyoflightf.

VS/V 6

4

2

0

–2

–4

0.5 1.0 1.5 2.00f/×1015Hz

Usethegraphtocalculate

(i) Planck’sconstant. [3]

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(ii) theworkfunctionofthemetalsurface. [1]

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0836

–9–

Turn over



(iii) thedeBrogliewavelengthoftheemittedelectronsforlightoffrequency1.4×1015Hz. [3]

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0936


B2. Thisquestionisaboutnuclearenergylevelsandradioactivedecay.

(a) Stateonepieceofevidencethatsupportstheexistenceofnuclearenergylevels. [1]

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(b) Thenuclidesodium-22isotopeundergoesbetaplus( +β )decaytotheisotopeneon-22.Thediagramshowsnuclearenergylevelsfor2210Neand

2211Na.

E/MeV1.82

1.28

0.00

Na

Ne

Ne

(i) DeterminetheenergyQreleasedforthedecayshownbythearrow. [1]

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1036

–11–

Turn over



(ii) ExplainwhythepositronenergyisnotalwaysequaltoQ. [2]

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(iii) Suggestwhyaphotonisalsoemittedinthisdecay. [2]

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(c) Thehalf-lifeof2211Nais2.6years.Calculatethetime,inyears,afterwhichtheactivityofasampleof 2211Nais80%of its initialactivity. [3]

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

1136


Option C — Digital technology

C1. Thisquestionisaboutthecompactdisc(CD)andthecharge-coupleddevice(CCD).

(a) Outlinehowinformation,suchasmusic,isstoreddigitallyonacompactdisc(CD). [2]

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(b) Statetwoadvantagesofstoringinformationdigitally. [2]

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

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

(c) Images formedwith theCCDofadigitalcameraarealsodigitized. Outlinehow theimageinaCCDisformed. [3]

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1236

–13–

Turn over


(Question C1 continued)

(d) The collecting area of a CCD has an area of 32mm2 and consists of 8.0×106 pixels.ThemagnificationoftheCCDis2.4×10–3.DeterminewhethertheCCDcanresolvetheimageoftwoobjectsthatareseparatedby1.2mm. [3]

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

1336


C2. Thisquestionisabouttheoperationalamplifier(op-amp).

(a) Thediagramshowsthecircuitofaninvertingamplifier.

R2

V IN

R1

0VV OUT

(i) Statewhatismeantbyaninvertingamplifier. [1]

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

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

(iii) ShowthatthegainGoftheamplifierisgivenbytheexpression 2

1

RG

R= − . [3]

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


1436

–15–

Turn over


(Question C2 continued)

(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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C3. Thisquestionisaboutthemobilephonesystem.

Apersonmakesaphonecallusingamobilephone.Explainthefunctionofthebasestationsandthecellularexchangeduringthephonecall. [3]

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

1536


Option D — Relativity and particle physics

D1. Thisquestionisaboutrelativistickinematics.

(a) Defineproper length. [1]

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

(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]

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


1636

–17–

Turn over


(Question D1 continued)

(iii) lengthofthetunnelaccordingtoAlbert. [1]

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

(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]

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


1736



(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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1836

–19–

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Pleasedo notwriteonthispage.

Answerswrittenonthispagewillnotbemarked.

1936


D2. Thisquestionisaboutquarksandinteractions.

(a) Distinguishbetweenthequarkstructureofabaryonandameson. [1]

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

(b) Calculatethemagnitudeofthesmallestnon-zerospinthataparticlecanhave. [1]

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

(c) (i) StatethePauliexclusionprinciple. [1]

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

(ii) Thehadron ++∆ consistsofthreeuquarksandhasspin32.

Explainhowitispossibleforthequarksin ++∆ nottoviolatethePauliprinciple. [2]

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


2036

–21–

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(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− ++ → + . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2136

– 22– M13/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX

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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2236

–23–

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(Question E1 continued)

(c) TheluminosityofstarXis4.9×1030WanditsspectralclassisM.

(i) DeterminethedistanceofstarXfromEarth. [2]

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

(ii) EstimatetheradiusofstarX. [3]

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(iii) SuggestthetypeofstarX. [2]

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2336



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

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

E2. Thisquestionisaboutcosmology.

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

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

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


2436

–25–

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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2536


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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2636

–27–

Turn over


(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

2736


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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2836

–29–

Turn over


F3. Thisquestionisaboutattenuation.

(a) Foracoppercable,state

(i) whatismeantbyattenuation. [1]

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(ii) onecauseofattenuationinthecoppercable. [1]

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2936


(Question F3 continued)

(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]

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(ii) Stateoneadvantageinreplacingthecablewithanopticfibre. [1]

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3036

–31–

Turn over


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]

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

(b) Stateonecommonpropertyofallelectromagneticwaves. [1]

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

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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]


3236

–33–

Turn over


(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]

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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]

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

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3436

–35–

Turn over


(Question G3 continued)

(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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physics caddate sess ue standard level paper 3

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