physics hl
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IB Physics HL TextbookTRANSCRIPT
2211-6507 23 pages
M11/4/PHYSI/HPM/ENG/TZ1/XX
Wednesday 11 May 2011 (afternoon)
PHYSICSHIGHER LEVELPAPER 1
INSTRUCTIONS TO CANDIDATES
• Do not open this examination paper until instructed to do so.• Answer all the questions.• For each question, choose the answer you consider to be the best and indicate your choice
on the answer sheet provided.
1 hour
© International Baccalaureate Organization 2011
22116507
2211-6507
–2– M11/4/PHYSI/HPM/ENG/TZ1/XX
1. ThecurrentI througharesistorismeasuredwithadigitalammetertobe0.10A.TheuncertaintyinthecalculatedvalueofI 2willbe
A. 1%.
B. 2%.
C. 5%.
D. 20%.
2. Josephrunsalongalongstraighttrack.Thevariationofhisspeedvwithtimetisshownbelow.
12
10
8
6
4
2
00
5 10 15 20 25 30t /s
v / ms–1
After25secondsJosephhasrun200m.Whichofthefollowingiscorrectat25seconds?
Instantaneous speed / m s–1 Average speed / m s–1
A. 8ms–1 8ms–1
B. 8ms–1 10ms–1
C. 10ms–1 8ms–1
D. 10ms–1 10ms–1
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3. Askydiverofmass80kgfallsverticallywithaconstantspeedof50 1ms− .Theupwardforceactingontheskydiverisapproximately
A. 0N.
B. 80N.
C. 800N.
D. 4000N.
4. Aparticleofmassmismovingwithconstantspeedvinuniformcircularmotion.Whatisthetotalworkdonebythecentripetalforceduringonerevolution?
A. Zero
B. mv2
2 C. mv2
D. 2πmv2
5. Acyclistridesaroundacirculartrackatauniformspeed.Whichofthefollowingcorrectlygivesthenethorizontal forceon thecyclistatanygiveninstantoftime?
Net horizontalforce along direction of motion
Net horizontalforce normal to direction of motion
A. zero zero
B. zero nonzero
C. nonzero zero
D. nonzero nonzero
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6. Asolidpieceoftungstenmeltsintoliquidwithoutachangeintemperature.Whichofthefollowingiscorrectforthemoleculesintheliquidphasecomparedwiththemoleculesinthesolidphase?
Kinetic energy Potential energy
A. same greater
B. same same
C. greater greater
D. greater same
7. Aheaterofconstantpowerheatsaliquidofmassmandspecificheatcapacityc.Thegraphbelowshowshowthetemperatureoftheliquidvarieswithtime.
time
temperature
00
Thegradientofthegraphiskandnoenergyislosttothesurroundings.Whatisthepoweroftheheater?
A. kmc
B. kmc
C. mck.
D. 1kmc
.
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8. Whichofthefollowingisequivalenttotheprincipleofenergyconservation?
A. Newton’sfirstlaw
B. Thefirstlawofthermodynamics
C. Newton’ssecondlaw
D. Thesecondlawofthermodynamics
9. An ideal gas undergoes the thermodynamic changes represented in the P –V diagrambelow(P Q R P)→ → → .
0 0.5 1.0 1.50
1
2
3 P Q
R
Volume/×m3
Pressure/×105Pa
Whichofthefollowingisthenetworkdonebythegasinacycle?
A. 4.5×105J
B. 3.0×105J
C. 1.0×105J
D. Zero
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10. Thegraphshowshowthedisplacementvarieswithtimeforanobjectundergoingsimpleharmonicmotion.
time
displacement
Whichgraphshowshowtheobject’saccelerationavarieswithtimet?
B.
t
a
D.
t
a
A.
t
a
C.
t
a
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11. A transversewave travels from left to right. Thegraphbelowshowshow,ataparticular instantoftime,thedisplacementofparticlesinthemediumvarieswithposition.Whicharrowrepresentsthedirectionof thevelocityof theparticlemarkedP?
position0 0
ABD
C
P
displacement
12. Lighttravelsfromairintoglassasshownbelow.
air glass 80
30
normal
Therefractiveindexoftheglassis
A. sinsin
3080
B. sinsin
8030
C. sinsin
6010
D. sinsin
1060
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13. The fundamental (first harmonic) frequency for a particular organ pipe is 330Hz. The pipe is closedatoneendbutopenattheother.Whatisthefrequencyofitsnexthighestharmonic?
A. 110Hz
B. 165Hz
C. 660Hz
D. 990Hz
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14. Light is diffracted at a single slit. Which of the following graphs best represents how theintensityIof thediffracted lightvarieswith thediffractionangleθ?
A.
B.
C.
D.
θ
θ
I
θ
I
θ
I
I
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15. Lightofwavelengthλisemittedbytwopointsources.Thelightpassesthroughacircularapertureof diameterband is received by an observer. The angular separation of the sources from the observer’sposition isθ . The sources arenot resolvedby theobserver. Whichof the following mathematicalrelationshipsapplies?
S1
S2
θ b observer
A. θλ<1 22.b
B. θλ>1 22.b
C. θλ=1 22.b
D. θλ=b
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16. Plane-polarized light is incident normally on a polarizer which is able to rotate in the plane perpendiculartothelightasshownbelow.
incident light transmitted light
polarizer
polarizer
incident light transmitted light
Indiagram1, theintensityof theincident light is 28Wm− andthetransmittedintensityof light is22Wm− .Diagram2showsthepolarizerrotated90fromtheorientationindiagram1.Whatisthe
newtransmittedintensity?
A. 20Wm−
B. 22Wm−
C. 26Wm−
D. 28Wm−
Diagram 1
Diagram 2
(intensity = 28Wm− )
(intensity = 28Wm− )
(intensity = 22Wm− )
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17. Oneelectronvoltisequalto
A. 1 6 10 19. × − C.
B. 1 6 10 19. × − J.
C. 1 6 10 19. × − V.
D. 1 6 10 19. × − W.
18. Alight-dependentresistor(LDR)andafixedresistorareconnectedinthepotentialdividercircuitshownbelow.
5.0V
10 kΩ
Thevoltmeterreads3.0V.Whichofthefollowingchangeswouldcausethereadingonthevoltmetertoincrease?
A. SwappingthepositionsoftheLDRandthefixedresistor
B. Increasingtheresistanceofthefixedresistor
C. IncreasingtheamountoflightshiningontheLDR
D. DecreasingtheamountoflightshiningontheLDR
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19. Acoilofwirehasalargenumberofturns.Itismovedrelativetoafixedmagneticfield.Theemfgeneratedwillbeequaltothe
A. rateofchangeofmagneticfluxlinkage.
B. rateofchangeofthemagneticfluxthroughthecoil.
C. changeofmagneticfluxlinkage.
D. changeofthemagneticfluxthroughthecoil.
20. AsinusoidalacpowersupplyhasrmsvoltageVandsuppliesrmscurrentI.Whatisthemaximuminstantaneouspowerdelivered?
A. 2VI
B. 2VI
C. VI
D. VI2
21. Anelectronpassesthenorthpoleofabarmagnetasshownbelow.
S N electron
Whatisthedirectionofthemagneticforceontheelectron?
A. Intothepage
B. Outofthepage
C. Totheleft
D. Totheright
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22. Apositivelychargedparticlefollowsacircularpathasshownbelow.
Whichof thefollowingelectricfieldscouldhavecaused thechargedparticle to followtheabovepath?
A. B.
C. D.
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23. Astoneisthrownfromacliffanditlandsintheseaasshownbelow.Airresistanceisnegligible.
cliff
sea
Whichofthefollowingstatementsiscorrectwhilstthestoneisinmotion?
A. Theverticalcomponentofthestone’sdisplacementisconstant. B. Thehorizontalcomponentofthestone’sdisplacementisconstant. C. Theverticalcomponentofthestone’svelocityisconstant. D. Thehorizontalcomponentofthestone’svelocityisconstant.
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–16– M11/4/PHYSI/HPM/ENG/TZ1/XX
24. Which of the diagrams below best represents the equipotential surfaces around two identical pointmasses?
A.
D.
C.
B.
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25. WhichofthefollowinggraphsrepresentshowthetotalenergyEofanorbitingsatellitevarieswithorbitalradiusr?
A. E
r 0 0
B. E
r 0 0
C. E r 0 0
D.r 0 0
E
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–18– M11/4/PHYSI/HPM/ENG/TZ1/XX
26. Which of the following gives the correct number of protons and neutrons in a nucleus ofcarbon-14 6
14C( ).
Protons Neutrons
A. 8 6
B. 6 8
C. 14 6
D. 6 14
27. Whichofthefollowingcausesthegreatestnumberofionizationsasitpassesthrough1cmofair?(Thetotalenergyoftheionizingradiationisthesame.)
A. Analphaparticle
B. Abetaparticle
C. Agamma-ray
D. AnX-ray
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–19–
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28. Thediagrambelowshowsacircuitinvolvingaphotoelectriccell.WhenUVlightisshoneontothemetalcathode,electronsareemittedestablishingaphotocurrent.
µ A
UV light
Whichofthefollowingchangescouldcausethephotocurrenttostop?
A. Increasingthepotentialdifferenceofthepowersupply.
B. IncreasingthefrequencyoftheUVlight.
C. IncreasingtheintensityoftheUVlight.
D. Changingthemetalsurfacetoonewithasmallerworkfunction.
29. ElectronsareacceleratedfromrestthroughapotentialdifferenceV. TheirdeBrogliewavelengthisλ. Theacceleratingpotentialdifference is increased to2V. Whichof the followinggives thenewdeBrogliewavelength?
A. 2λ
B. 2λ
C. λ2
D. λ2
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30. WhichofthefollowingenergyleveldiagramsbestrepresentsthekineticenergyEKofthe“electroninabox”model,whereanelectronisconfinedtomoveinonedimension?Thevariablenisaninteger(1,2,3,4etc.).
A.
0
n = 1
n = 2
n = 3
EK
B.
0
n = 1
n = 2n = 3
EK
C.
0
EK
n = 1
n = 2
n = 3
D.
0
n = 1n = 2n = 3
EK
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–21–
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31. A proton is confined within a nucleus. What is the order of magnitude of the uncertainty initsmomentum?
A. 10–30Ns
B. 10–20Ns
C. 10–10Ns
D. 1Ns
32. Different nuclides spontaneously undergo radioactive decay, emitting eitherα, β orγ radiation.Whichof thefollowingcorrectly identifiesall theemissions thatdo nothavediscreteenergies?
A. α
B. β
C. γ
D. αandγ
33. Thehalf-lifeofaradioactiveisotopeis10days.Whatisthepercentageofthesampleremainingafter25days?
A. 0%
B. 18%
C. 25%
D. 40%
2211-6507
–22– M11/4/PHYSI/HPM/ENG/TZ1/XX
34. Thedesignofanuclearpowerstationincludesanelectricalgenerator.Thefunctionofthegeneratoristoconvert
A. nuclearenergytokineticenergy.
B. kineticenergytothermalenergy.
C. thermalenergytoelectricalenergy.
D. kineticenergytoelectricalenergy.
35. AwindturbineproducesapowerPwhenthewindspeedisv.Assumingthattheefficiencyoftheturbineisconstant,thebestestimateforthepowerproducedwhenthewindspeedbecomes2vis
A. 2P.
B. 4P.
C. 6P.
D. 8P.
36. Whatisthephenomenonthatbestexplainswhygreenhousegasesabsorbinfraredradiation?
A. Resonance
B. Interference
C. Refraction
D. Diffraction
37. Whichofthefollowingfuelshasthehighestenergydensity?
A. Coal
B. Gas
C. Oil
D. Uranium
2211-6507
–23– M11/4/PHYSI/HPM/ENG/TZ1/XX
38. The decimal number 18 is represented in binary by a five bit digital number. Which of thefollowingcorrectly identifies the least-significantbit (LSB)and themost-significantbit (MSB)ofthebinarynumber?
LSB MSB
A. 0 0
B. 0 1
C. 1 0
D. 1 1
39. ACDstoresdigitalinformationwithaseriesofbumps(lands)andpits.Thedepthofeachpitisd.Whichofthefollowingisthemostappropriatewavelengthoflaserlighttorecovertheinformation?
A. d2
B. d
C. 2d
D. 4d
40. Whichofthefollowingdigitaldevicesisleastlikelytouseacharge-coupleddevice(CCD)initsconstruction?
A. Faxmachine
B. Camera
C. Watch
D. X-raymachine
47 pages
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Wednesday 11 May 2011 (afternoon)
PHYSICSHIGHER LEVELPAPER 2
INSTRUCTIONS TO CANDIDATES
• Write your session number in the boxes above.• Do not open this examination paper until instructed to do so.• Section A: answer all questions.• Section B: answer two questions.• Write your answers in the boxes provided.
2 hour 15 minutes
© International Baccalaureate Organization 2011
Examination code
2 2 1 1 – 6 5 0 8
Candidate session number
0 0
22116508
0148
–2– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
SECTION A
Answer all questions. Write your answers in the boxes provided.
A1. Dataanalysisquestion.
Thephotographbelowshowsamagnifiedimageofadarkcentraldiscsurroundedbyconcentricdarkrings.Theseringswereproducedasaresultofinterferenceofmonochromaticlight.
D
The graph below shows how the ring diameterDvaries with the ring numbern.The innermost ring corresponds to n = 1. The corresponding diameter is labelled in thephotograph. Errorbars for thediameterDareshown.
D/cm
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
n
(This question continues on the following page)
0248
–3–
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(Question A1 continued)
(a) StateonepieceofevidencethatshowsthatDisnotproportionalton. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) Onthegraphopposite,drawthelineofbest-fitforthedatapoints. [2]
(c) ItissuggestedthattherelationshipbetweenDandnisoftheform
D cnp=
wherecandpareconstants.
Explainwhatgraphyouwouldplotinordertodeterminethevalueofp. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(This question continues on the following page)
0348
–4– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
(Question A1 continued)
(d) Theorysuggeststhatp 12= andsoD kn2 = where k c=( )2 .
AgraphofD2againstnisshownbelow.Errorbarsareshownforthefirstandlastdatapointsonly.
D2/cm2
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
n
(i) Using the graph on page 2, calculate the percentage uncertainty inD2, of theringn=7. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(This question continues on the following page)
0448
–5–
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(Question A1 continued)
(ii) Based on the graph opposite, state one piece of evidence that supports therelationshipD kn2 = . [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(iii) Use the graph opposite to determine the value of the constantk, as well asitsuncertainty. [4]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(iv) Statetheunitfortheconstantk. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
0548
–6– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
A2. Thisquestionisaboutaprobeinorbit.
AprobeofmassmisinacircularorbitofradiusraroundasphericalplanetofmassM.
(diagram not to scale)
vm
M
r
(a) Statewhy thework done by the gravitational force during one full revolution of theprobe iszero. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) Deducefortheprobeinorbitthatits
(i) speedisv GMr
= . [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(This question continues on the following page)
probe
planet
0648
–7–
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(Question A2 continued)
(ii) totalenergyisE GMmr
= −2
. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(c) Itisnowrequiredtoplacetheprobeinanothercircularorbitfurtherawayfromtheplanet.Todothis,theprobe’sengineswillbefiredforaveryshorttime.
Stateandexplainwhethertheworkdoneontheprobebytheenginesispositive,negativeorzero. [2]
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0748
–8– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
A3. Thisquestionisaboutpolarization.
(a) Statewhatismeantbypolarizedlight. [1]
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(b) Unpolarized light is incidenton thesurfaceofaplastic. Theangleof incidence isθ .Thereflected light isviewed throughananalyserwhose transmissionaxis isvertical.
transmitted light
θ θ analyser
normal
plastic
Thevariationwithθ oftheintensityIofthetransmittedlightisshowninthegraph.
020 4030 50 7060
I
θ / degrees
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0848
–9–
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(Question A3 continued)
(i) Explain why there is an angle of incidence, for which the intensity of thetransmittedlightiszero. [2]
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(ii) Calculatetherefractiveindexoftheplastic. [2]
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0948
–10– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
(Question A3 continued)
(c) Unpolarized light from a source is split, so that there is a path difference of half awavelengthbetweenthetwobeams.
P
lens
screen
polarizers
AlensbringsthelighttofocusatpointPonascreen.Thelensdoesnotintroduceanyadditionalpathdifference.
State andexplainwhether any lightwouldbeobservedatP, in the case inwhich thepolarizershavetheirtransmissionaxes
(i) parallel. [2]
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(ii) atrightanglestoeachother. [2]
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–12– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
A4. Thisquestionisaboutthermodynamics.
TheP–Vdiagramshowstheexpansionofafixedmassofanidealgas,fromstateAtostateB.
P / ×105 Pa
0
2
4
6
8 A
B
0 42 6 8V / × −10 3 3m
ThetemperatureofthegasinstateAis400K.
(a) CalculatethetemperatureofthegasinstateB. [1]
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1248
–13–
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(Question A4 continued)
(b) (i) CalculatetheworkdonebythegasinexpandingfromstateAtostateB. [2]
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(ii) Determine the amount of thermal energy transferred during the expansion fromstateAtostateB. [2]
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(c) ThegasisisothermallycompressedfromstateBbacktostateA.
(i) UsingtheP–Vdiagramaxesopposite,drawthevariationofpressurewithvolumefor this isothermalcompression. [1]
(ii) Stateandexplainwhetherthemagnitudeofthethermalenergytransferredinthiscasewouldbe less than, equal toor greater than the thermalenergy transferredin (b)(ii). [2]
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–14– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
A5. Thisquestionisaboutcircularmotion.
A ball ofmass 0.25kg is attached to a string and ismade to rotatewith constant speedvalongahorizontalcircleofradiusr = 0 33. m. Thestringisattachedtotheceilingandmakesanangleof30with thevertical.
vertical
r = 0.33 m
30
(a) (i) Onthediagramabove,drawandlabelarrowstorepresenttheforcesontheballin thepositionshown. [2]
(ii) Stateandexplainwhethertheballisinequilibrium. [2]
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1448
–15–
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(Question A5 continued)
(b) Determinethespeedofrotationoftheball. [3]
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–16– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
SECTION B
This section consists of four questions: B1, B2, B3 and B4. Answer two questions. Write your answers in the boxes provided.
B1. Thisquestionisintwoparts. Part 1 isaboutcharge-coupleddevices(CCDs)andphotons.Part 2isaboutsimpleharmonicoscillations.
Part 1 CCDsandphotons
(a) StateonefactorthataffectstheresolutionofanimageobtainedwithaCCD. [1]
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(b) StateoneadvantageofaCCDimage,comparedtoanimageonordinaryphotographicfilm. [1]
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1648
–17–
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(Question B1, part 1 continued)
(c) Light of intensity 5 3 10 3 2. × − −W m and frequency 3 9 1014. × Hz is incident on a pixelof aCCD. Theareaof thepixel is4 2 10 12 2. × − m and thequantumefficiency is80%.Thecapacitanceofthepixelis14pF.
(i) Show that the number of photons incident on the pixel of theCCDper secondis8 6 104. .× [3]
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(ii) Calculatethechargethataccumulatesinthepixelduringatimeof25ms. [2]
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(iii) Determinethepotentialdifferenceattheendsofthepixel. [1]
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–18– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
(Question B1, part 1 continued)
(iv) Calculatethemomentumofoneoftheincidentphotons. [1]
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(v) Usingyouranswerto(c)(iv),estimatethepressureexertedbythephotonsin(c)(i)onthepixeloftheCCD. [2]
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–19–
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–20– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
(Question B1 continued)
Part 2 Simpleharmonicoscillations
Alongitudinalwavetravelsthroughamediumfromlefttoright.
Graph1showsthevariationwithtimetofthedisplacementxofaparticlePinthemedium.
Graph 1
x/cm
0 0.1 0.2 0.3t / s
2
1
0
–1
–2
displacementto the left
displacementto the right
(a) ForparticleP,
(i) statehowgraph1showsthatitsoscillationsarenotdamped. [1]
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–21–
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(Question B1, part 2 continued)
(ii) calculatethemagnitudeofitsmaximumacceleration. [2]
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(iii) calculateitsspeedatt = 0 12. s. [2]
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(iv) stateitsdirectionofmotionatt = 0 12. s. [1]
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2148
–22– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
(Question B1, part 2 continued)
(b) Graph2 shows the variationwith positiondof the displacementxof particles in themediumataparticularinstantoftime.
Graph 2
2
1
0
–1
–2
x / cm
0 4 8 12 162 6 10 14 18 2220d / cm
displacementto the left
displacementto the right
Determineforthelongitudinalwave,usinggraph1andgraph2,
(i) thefrequency. [2]
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(ii) thespeed. [2]
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2248
–23–
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(Question B1, part 2 continued)
Graph 2 – reproducedtoassistwithanswering(c)(i).
2
1
0
–1
–2
x / cm
0 4 8 12 162 6 10 14 18 2220d / cm
displacementto the left
displacementto the right
(c) Thediagramshowstheequilibriumpositionsofsixparticlesinthemedium.
0 5 10 15 20d / cm
(i) Onthediagramabove,drawcrossestoindicatethepositionsofthesesixparticlesat the instantof timewhen thedisplacement isgivenbygraph2. [3]
(ii) Onthediagramabove, labelwiththeletterCaparticlethat isat thecentreofacompression. [1]
2348
–24– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
B2. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutmechanicsandthermalphysics.Part 2isaboutnuclearphysics.
Part 1 Mechanicsandthermalphysics
Thegraphshowsthevariationwithtimetofthespeedvofaballofmass0.50kg,thathasbeenreleasedfromrestabovetheEarth’ssurface.
0 42 6 108
10
5
20
25
15
0
v / m s–1
t / s
The force of air resistance is not negligible. Assume that the acceleration of free fall isg = −9 81 2. ms .
(a) State, without any calculations, how the graph could be used to determine thedistancefallen. [1]
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2448
–25–
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(Question B2, part 1 continued)
(b) (i) In the space below, draw and label arrows to represent the forces on the ballat2.0s. [1]
ball att = 2.0 s
Earth’s surface
(ii) Use the graph opposite to show that the acceleration of the ball at 2.0s isapproximately 4 2ms− . [2]
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(iii) Calculatethemagnitudeoftheforceofairresistanceontheballat2.0s. [2]
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–26– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
(Question B2, part 1 continued)
(iv) Stateandexplainwhethertheairresistanceontheballatt=5.0sissmallerthan,equaltoorgreaterthantheairresistanceatt=2.0s. [2]
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–27–
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(Question B2, part 1 continued)
(c) After10stheballhasfallen190m.
(i) Showthatthesumofthepotentialandkineticenergiesoftheballhasdecreasedby780J. [3]
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(ii) Thespecificheatcapacityoftheballis480 1 1J kg K− − .Estimatetheincreaseinthetemperatureoftheball. [2]
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(iii) Stateanassumptionmadeintheestimatein(c)(ii). [1]
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–28– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
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(Question B2 continued)
Part 2 Nuclearphysics
(a) (i) Definebinding energy ofanucleus. [1]
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(ii) The mass of a nucleus of plutonium 94239 Pu( ) is 238.990396u. Deduce that the
bindingenergypernucleonforplutoniumis7.6MeV. [3]
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–30– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
(Question B2, part 2 continued)
(b) ThegraphshowsthevariationwithnucleonnumberAofthebindingenergypernucleon.
5
4
3
2
9
8
7
6
1
00 804020 10060 180140120 200 220 240160
binding energy per nucleon / MeV
nucleon number A
Plutonium 94239 Pu( ) undergoesnuclearfissionaccordingtothereactiongivenbelow.
94239 Pu n Sr Ba n+ → + +0
13891
56146
01x
(i) Calculatethenumberxofneutronsproduced. [1]
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–31–
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(Question B2, part 2 continued)
(ii) Usethegraphtoestimatetheenergyreleasedinthisreaction. [2]
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(c) Stable nucleiwith amass number greater than about 20, containmore neutrons thanprotons.Byreferencetothepropertiesofthenuclearforceandoftheelectrostaticforce,suggestanexplanationforthisobservation. [4]
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B3. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutquantumaspectsoftheelectron.Part 2isaboutelectriccircuits.
Part 1 Quantumaspectsoftheelectron
The wavefunction ψ for an electron confined to move within a “box” of linear sizeL = × −1 0 10 10. m.,isastandingwaveasshown.
x /× −10 10 m0.0 0.40.2 0.6 1.00.8
ψ
(a) Statewhatismeantbyawavefunction. [1]
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(b) Statethepositionnearwhichthiselectronismostlikelytobefound. [1]
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3248
–33–
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(Question B3, part 1 continued)
(c) Calculatethemomentumoftheelectron. [2]
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(d) Theenergy,injoules,oftheelectroninahydrogenatom,isgivenbyEn
= − × −2 18 10 18
2
.
wherenis a positive integer. Calculate the wavelength of the photon emitted in atransitionfromthefirstexcitedstateofhydrogentothegroundstate. [3]
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(Question B3, part 1 continued)
(e) The electron stays in the first excited state of hydrogen for a time of approximately∆ = × −t 1 0 10 10. s.
(i) Determinetheuncertaintyintheenergyoftheelectroninthefirstexcitedstate. [2]
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(ii) Suggest, with reference to your answer to (e)(i), why the photons emitted intransitionsfromthefirstexcitedstateofhydrogentothegroundstatewill,infact,haveasmall rangeofwavelengths. [2]
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–35–
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(Question B3, part 1 continued)
(f) Diagram1showsthethreelowestenergylevelsforanelectroninthehydrogenatom.
E
0
E
0
electron in hydrogen electron in a boxDiagram 1 Diagram 2
Usingtheenergyaxisondiagram2,drawthethreelowestenergylevelsfortheelectroninaboxmodel.Youdonothavetoputanynumbersontheverticalaxis. [2]
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–36– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
(Question B3 continued)
Part 2 Electriccircuits
(a) Define
(i) electromotive force(emf)ofabattery. [1]
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(ii) electrical resistanceofaconductor. [1]
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–37–
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(Question B3, part 2 continued)
(b) Abatteryofemfεandnegligibleinternalresistanceisconnectedinseriestotworesistors.ThecurrentinthecircuitisI.
V1 V2
I
R1 R2
ε
(i) Stateanequationgivingthetotalpowerdeliveredbythebattery. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) The potential difference across resistor R1 isV1 and that across resistorR2 isV2.Usingthelawoftheconservationofenergy,deducetheequationbelow.
ε = +V V1 2
[2]
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–38– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
(Question B3, part 2 continued)
(c) ThegraphshowstheI-Vcharacteristicsoftwoconductors,XandY.
0.4
0.2
I / A
V / V
0.8
1.0
0.6
0.00 21 3 54
Y
X
On theaxesbelow,sketchgraphs toshowthevariationwithpotentialdifferenceVoftheresistanceofconductorX(labelthisgraphX)andconductorY(labelthisgraphY).Youdonotneed toputanynumberson theverticalaxis. [3]
R / Ω
V / V0 21 3 54
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3848
–39–
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(Question B3, part 2 continued)
(d) Theconductorsin(c)areconnectedinseriestoabatteryofemfε andnegligibleinternalresistance.
I
X Y
ε
Thepowerdissipatedineachofthetworesistorsisthesame.
Usingthegraphgivenin(c),
(i) determinetheemfofthebattery. [2]
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(ii) calculatethetotalpowerdissipatedinthecircuit. [2]
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–40– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
B4. Thisquestionisintwoparts.Part 1isabouttheenergybalanceoftheEarth.Part 2isaboutmotioninamagneticfieldandelectromagneticinduction.
Part 1 EnergybalanceoftheEarth
(a) The intensity of the Sun’s radiation at the position of the Earth is approximately1400 2W m− .
SuggestwhytheaveragepowerreceivedperunitareaoftheEarthis350 2W m− . [2]
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4048
–41–
Turn over
M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
(Question B4, part 1 continued)
(b) The diagram shows a simplifiedmodel of the energy balance of the Earth’s surface.Thediagramshowsradiationenteringor leaving theEarth’ssurfaceonly.
transmitted throughatmosphere245 W m–2
atmosphere TA = 242 K
Earth’s surface TE
radiated by Earth’ssurface = σ 4ET
radiated by atmosphere
0.700 σ 4 A T
The average equilibrium temperature of the Earth’s surface is TE and that of theatmosphereisTA K= 242 .
(i) Usingthedatafromthediagram,statetheemissivityoftheatmosphere. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) Show that the intensity of the radiation radiated by the atmosphere towards theEarth’ssurfaceis136 2W m− . [1]
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–42– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
(Question B4, part 1 continued)
(iii) ByreferencetotheenergybalanceoftheEarth’ssurface,calculateTE. [2]
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–43–
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(Question B4, part 1 continued)
(c) (i) OutlineamechanismbywhichpartoftheradiationradiatedbytheEarth’ssurfaceisabsorbedbygreenhousegasesintheatmosphere. [3]
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(ii) Suggestwhy the incomingsolar radiation isnotaffectedby themechanismyououtlinedin(c)(i). [2]
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(iii) Carbon dioxide (CO2) is a greenhouse gas. State one source and one sink(objectthatremovesCO2)ofthisgas. [2]
Source: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Sink: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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4348
–44– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
(Question B4 continued)
Part 2 Motioninamagneticfieldandelectromagneticinduction
Anelectron, thathasbeenaccelerated fromrestbyapotentialdifferenceof250V,entersaregionofmagneticfieldofstrength0.12Tthatisdirectedintotheplaneofthepage.
(a) Theelectron’spathwhileintheregionofmagneticfieldisaquartercircle.Showthatthe
(i) speedoftheelectronafteraccelerationis9 4 106 1. .× −ms [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–45–
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M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
(Question B4, part 2 continued)
(ii) radiusofthepathis4 5 10 4. .× − m [2]
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(iii) timetheelectronspendsintheregionofmagneticfieldis7 5 10 11. .× − s [1]
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–46– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX
(Question B4, part 2 continued)
(b) Thediagrambelowshows themomentumof theelectronas it entersand leaves theregion ofmagnetic field. Themagnitude of the initial momentum and of the finalmomentumis8 6 10 24. .× − Ns
pinitial
pfinal
(i) Onthediagramabove,drawanarrowtoindicatethevectorrepresentingthechangeinthemomentumoftheelectron. [1]
(ii) Show that the magnitude of the change in the momentum of the electron is1 2 10 23. × − Ns. [1]
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(iii) Estimatethemagnitudeoftheaverageforceontheelectron. [1]
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M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX–47–
(Question B4, part 2 continued)
(c) A square loop of conductingwire is placed near a straightwire carrying a constantcurrentI.Thewireisinthesameplaneastheloop.
current I
loop
v
Theloopismadetomovewithconstantspeedvtowardsthewire.
(i) Explain,byreferencetoFaraday’sandLenz’slawsofelectromagneticinduction,whyworkmustbedoneontheloop. [3]
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(ii) Suggestwhatbecomesoftheworkdoneontheloop. [1]
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M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
Thursday 12 May 2011 (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.•Write your answers in the boxes provided.
1 hour 15 minutes
© International Baccalaureate Organization 2011
Examination code
2 2 1 1 – 6 5 0 9
Candidate session number
0 0
22116509
0148
–2– M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
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0248
–3–
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Option E — Astrophysics
E1. Thisquestionisaboutsomeoftheplanetsinthesolarsystem.
FouroftheplanetsinthesolarsystemareMars,Venus,JupiterandNeptune.
(a) ListtheseplanetsinorderofincreasingdistancefromtheSun.
NearesttheSun
FurthestfromtheSun
[2]
(b) Listtheseplanetsinorderofdecreasingdiameter.
Largestdiameter
Smallestdiameter
[2]
0348
–4– M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
E2. Thisquestion isabout theHertzsprung–Russell (HR)diagramandusing it todeterminesomepropertiesofstars.
ThediagrambelowshowsthegridofaHRdiagram,onwhichthepositionsofselectedstarsareshown.(LS=luminosityoftheSun.)
A B
luminosityL /LS
surfacetemperatureT /K
1 0 105. ×
1 0 103. ×
1 0 101. ×
1 0 10 1. × −
1 0 10 3. × −
3 0 104. × 1 2 104. × 3 0 103. ×
(a) (i) Drawacirclearoundthestarsthatareredgiants.LabelthiscircleR.
(ii) Drawacirclearoundthestarsthatarewhitedwarfs.LabelthiscircleW.
(iii) Drawalinethroughthestarsthataremainsequencestars.
[1]
[1]
[1]
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0448
–5–
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M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
(Question E2 continued)
(b) Explain,withoutdoinganycalculation,howastronomerscandeducethatstarBhasalargerdiameterthanstarA. [3]
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(c) UsingthefollowingdataandinformationfromtheHRdiagram,showthatstarAisatadistanceofabout800pcfromEarth.
ApparentbrightnessoftheSun = × −1 4 103 2. Wm ApparentbrightnessofstarA = × − −4 9 10 9 2. Wm MeandistanceofSunfromEarth =1 0. AU 1pc = ×2 1 105. AU
[4]
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(d) ExplainwhythedistanceofstarAfromEarthcannotbedeterminedbythemethodofstellarparallax. [1]
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0548
–6– M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
E3. Thisquestionisaboutcosmology.
(a) Statehowtheobservedred-shiftofmanygalaxiesisexplained. [1]
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(b) Explainhowthecosmicmicrowavebackground(CMB)radiationisconsistentwiththeBigBangmodel. [2]
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(c) Calculate the temperatureof theuniversewhen thepeakwavelengthof theCMBwasequaltothewavelengthofredlight( . ).7 0 10 7× − m [2]
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0648
–7–
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M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
E4. ThisquestionisaboutthemainsequencestarKhad(PhiOrionis).
TheluminosityofKhadis2 0 104. × LS,whereLSistheluminosityoftheSun.
(a) Assumingthattheexponentninthemass–luminosityrelationis3.5,showthatthemassofKhadisabout17solarmasses. [2]
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(b) OutlinethelikelyevolutionofthestarKhadafteritleavesthemainsequence. [3]
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0748
–8– M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
E5. ThisquestionisaboutHubble’slawandtheageoftheuniverse.
(a) (i) StateHubble’slaw. [1]
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(ii) StatewhyHubble’s lawcannotbeused todetermine thedistance fromEarth tonearbygalaxies,suchasAndromeda. [1]
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(b) (i) Showthat 1
0H isanestimateof theageof theuniverse,whereH0is theHubble
constant. [2]
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(ii) AssumingH0=80 1 1kms M pc− − ,estimatetheageoftheuniverseinseconds. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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0848
–9–
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Option F — Communications
F1. Thisquestionisaboutmodulation.
In order to test a temporary radio communication link, an audio signal is broadcast usingamplitudemodulation(AM).Thepowerspectrumoftheresultingcarrierwaveisshownbelow.
amplitude
frequency / k Hz 96 104 100
0
(a) Usetheinformationinthepowerspectrumtodeterminethe
(i) frequencyofthecarrierwave. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(ii) frequencyoftheaudiosignal. [1]
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(iii) bandwidthofthissignal. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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0948
–10– M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
(Question F1 continued)
(b) (i) DistinguishbetweenAMandfrequencymodulation(FM). [2]
AM: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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FM: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(ii) OutlineoneadvantageandonedisadvantageofusingFMasopposedtoAMforthe transmission. [2]
Advantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Disadvantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1048
–11–
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F2. Thisquestionisaboutdatatransmissionsystems.
Theblockdiagrambelowrepresentsanelectronicsystem,S1,whichconvertsananalogueinputsignalintoaserialdigitaloutputsignalreadyfortransmission.ItinvolvesthreeseparatesystemblockslabelledA,BandC.
System S1
serialdigitaloutputsignal
analogueinputsignal
A B C
(a) StatewhetherthesignalbetweenblockAandblockBisanalogue,digitalormultiplexed. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) StatethefunctionofsystemblockA. [1]
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–12– M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
(Question F2 continued)
(c) Asimilarsystem,S2,isbasedonthesamesystemblocksasS1,buthasfewersignallinesbetweenblockBandblockC,asshownbelow.
System S2
serialdigitaloutputsignal
analogueinputsignal
A B C
Explainwhatdifferences,ifany,therearebetweenS1andS2withrespecttothemaximumqualityofthereproductionoftheanaloguesignalaftertransmission. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(d) Theserialdigitaloutputsignalistransmittedusinganopticalfibrelink.Theattenuationperunitlengthoftheopticalfibreis− −4 1dBkm .
(i) Defineattenuation. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(ii) Theinputpowertothefibreopticcableis100mWandtheoutputpowerattheendofthecableis1mW.Determinethelengthofthecable. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–13–
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M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
(Question F2 continued)
(iii) State two processes that must take place in order for this digital signal to betransmittedoveraverylongdistance. [2]
1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
F3. Thisquestionisaboutsatellites.
Ageostationarysatelliteisusedbyonecountrytobroadcastinformationtoadifferentcountry.
(a) Statewhichpartoftheelectromagneticspectrumisusedforthistypeofcommunication. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) Explain two disadvantages of using a polar satellite for this type of communication,whencomparedwithusingageostationarysatellite. [2]
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(c) Outlineonepossibleethicalissueassociatedwiththisbroadcast. [1]
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1348
–14– M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
F4. ThisquestionisaboutaSchmitttrigger.
ThediagrambelowshowsaSchmitttriggercircuitbasedonanoperationalamplifier(op-amp).
+3V
input22kΩ
100kΩ
output
VINVOUT
–
+
0V
TheoutputofthisSchmitttriggerispositivesaturation(+13V)ornegativesaturation(–13V).
(a) Statetwopropertiesofanidealop-amp. [2]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) Determinetheinputvaluethatwillcausetheoutputtoswitchfrom–13Vto+13V. [3]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1448
–15–
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(Question F4 continued)
(c) ExplainhowaSchmitttriggercanbeusedtoreshapeadigitalpulse. [3]
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F5. Thisquestionisaboutamobilephonenetwork.
Erinisapassengeronatrainmakingacalltoastandardfixedtelephoneline(“landline”)fromhermobilephone.ThetrainmovesErinbetweenadjacentcommunicationcells.Outlinethechanges,ifany,thattakeplaceinthe
(a) cellularexchange. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) publicswitchedtelephonenetwork(PSTN). [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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–16– M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
Option G — Electromagnetic waves
G1. Thisquestionisaboutdispersion.
(a) Stateanapproximatevalueforthewavelengthofvisiblelight. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
(b) Describewhatismeantbydispersion. [2]
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–17–
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(Question G1 continued)
(c) Anarrowbeam,consistingofamixtureofredandbluelight,isincidentuponarectangularglassblock.Thenormaltotheincidentsurfaceisshown.
air
glass
normal incident red and blue beams
Onthediagramabove,drawlabelledlinestoshowthepathsoftheredandbluebeams,astheypassthroughtheglassblockandouttotheairontheotherside. [2]
1748
–18– M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
G2. Thisquestionisaboutaconvexlens.
Thediagrambelow,drawn to scale, showsa smallobjectOplaced in frontof a thinconvex(converging)lens.Thefocalpointsofthelensareshown,labelledF.ThelensisrepresentedbythestraightlineXY.
F F
Y
O
X
(a) (i) Definethetermfocal point. [2]
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(ii) Onthediagramabove,constructthepathsoftworaysinordertolocatethepositionoftheimageformedbythelens.LabeltheimageI. [3]
(iii) Explainwhethertheimageisrealorvirtual. [1]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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1848
–19–
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M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
(Question G2 continued)
(b) Aconverginglens,offocallength5.0cm,isusedasasimplemagnifyingglasstoviewanobjectoflength0.80cm.Theobserver’seyeisveryclosetothelens.Theimageisformedatthenearpoint(25cm).
(i) Determinethedistanceoftheobjectfromthelens. [2]
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(ii) Determinethelengthoftheimage. [2]
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G3. Thisquestionisaboutusingadiffractiongratingtoviewtheemissionspectrumofsodium.
Light from a sodiumdischarge tube is incident normally upon a diffraction grating having8 00 105. × linespermetre.Thespectrumcontainsadoubleyellowlineofwavelengths589nmand590nm.
(a) Determine the angular separation of the two lines when viewed in the second orderspectrum. [4]
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) Statewhyitismoredifficulttoobservethedoubleyellowlinewhenviewedinthefirstorderspectrum. [1]
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2048
–21–
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G4. ThisquestionisaboutX-rays.
Electronsareacceleratedthroughapotentialdifferenceof25kVandstrikeamolybdenumtarget.TheresultingX-rayspectrumisshownbelow.
intensity/relativeunits
1.0 2.0 3.00
1
2
3
4
5
0
wavelength/WAVELENGTH m/ .× −10 10
Theacceleratingpotentialdifferenceischangedto15kV.
(a) CalculatetheminimumwavelengthoftheX-raysproduced. [2]
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(b) Onthegraphabove,sketchtheX-rayspectrumthatwouldbeproduced. [3]
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G5. Thisquestionisaboutwedgefilminterference.
Oneflat,glassslide isplacedatanangleon topofasecond identicalslide. Theslidesareincontactalongoneshortedgeandareseparatedattheotheredgebyathinpieceofpaper,asshownbelow.
air
glass slide
paper
light
t
L (diagram not to scale)
Athinwedgeofairofvariablethickness,t ,istrappedbetweenthetwoslides.Thearrangementisviewednormallyfromabove,usinglightofwavelength590nm.Theglassplatesarecoated,sothatreflectiononlytakesplaceatthebottomsurfaceofthetopplateandthetopsurfaceofthebottomplate.
Aseriesofstraightbrightanddarkfringes,equallyseparatedandparalleltotheshortedgeoftheslides,isseen.
(a) Deducethatthethicknessoftheairwedgetthatgivesrisetoabrightfringe,isgivenby2 1
2t m= +( ) .λ [2]
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(Question G5 continued)
(b) The lengthof theairwedge,L, is8.2cm. Thebright fringesareeachseparatedbyadistanceof1.2mm.Calculatethethicknessofthepaper. [3]
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Option H — Relativity
H1. Thisquestionisaboutlengthcontractionandsimultaneity.
(a) Defineproperlength. [1]
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(b) Aspaceshipistravellingtotherightatspeed0.75c,throughatunnelwhichisopenatbothends.ObserverAisstandingatthecentreofonesideofthetunnel.ObserverA,forwhomthetunnelisatrest,measuresthelengthofthetunneltobe240mandthelengthofthespaceshiptobe200m.ThediagrambelowshowsthissituationfromtheperspectiveofobserverA.
0.75 c
observer A
observer B
240 m 200 m
ObserverB,forwhomthespaceshipisstationary,isstandingatthecentreofthespaceship.
(i) CalculatetheLorentzfactor,γ ,forthissituation. [1]
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(ii) CalculatethelengthofthetunnelaccordingtoobserverB. [1]
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(Question H1 continued)
(iii) CalculatethelengthofthespaceshipaccordingtoobserverB. [1]
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(iv) According to observer A, the spaceship is completely inside the tunnel for ashorttime.Stateandexplainwhetherornot,accordingtoobserverB,thespaceshipisevercompletelyinsidethetunnel. [2]
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(Question H1 continued)
(c) Twosourcesoflightarelocatedateachendofthetunnel.ThediagrambelowshowsthissituationfromtheperspectiveofobserverA.
light 1 light 2
0.75 c
observer A
observer B
240 m 200 m
According to observerA, at the instantwhen observer B passes observerA, the twosourcesoflightemitaflash.ObserverAseesthetwoflashessimultaneously.DiscusswhetherornotobserverBseesthetwoflashessimultaneously. [4]
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–28– M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
H2. Thisquestionisaboutrelativevelocitiesandenergyatrelativisticspeeds.
Two identical rockets are moving along the same straight line as viewed from Earth.Rocket1ismovingawayfromtheEarthatspeed0.80crelative to the Earthandrocket2ismovingawayfromrocket1atspeed0.60crelative to rocket 1.
rocket 2
0.80 c relative to Earth 0.60 c relative to rocket 1
rocket 1 Earth
(a) Calculatethevelocityofrocket2relativetotheEarth,usingthe
(i) Galileantransformationequation. [1]
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(ii) relativistictransformationequation. [2]
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(Question H2 continued)
(b) Commentonyouranswersin(a). [2]
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(c) The restmass of rocket 1 is1 0 103. × kg. Determine therelativistic kinetic energy ofrocket1,asmeasuredbyanobserveronEarth. [3]
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H3. ThisquestionisabouttheMichelson–Morleyexperiment.
The diagram below shows the essential features of the apparatus used in theMichelson–Morleyexperiment.
light source
telescope
semi-transparentmirror
mirror
mirror
(a) StateandexplainhowthisapparatuswasusedtotryandmeasurethespeedoftheEarthrelativetotheaether. [4]
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(Question H3 continued)
(b) Statetheresultofthisexperimentandexplainhowthisresultsupportsthespecialtheoryofrelativity. [2]
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H4. Thisquestionisaboutgravitationalred-shift.
TwoidenticallasersaresituatedonthesurfaceoftheEarth.OneisdirectedhorizontallytowardsobserverA,whomeasuresthefrequencytobe4 62 1014. × Hz.TheotherisdirectedverticallyupwardstowardsobserverB,whoisataheightof1 00 102. .× m
laser
observer A Earth’s surface
observer B
1 00 102. .× m
(a) (i) StatehowthefrequencyasmeasuredbyobserverBcompareswiththefrequencyasmeasuredbyobserverA. [1]
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(ii) Calculate the difference in frequency between the laser light as measured byobserversAandB. [2]
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(iii) Stateoneassumptionthatyoumadein(a)(ii). [1]
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(This question continues on the following page)
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(Question H4 continued)
(b) Thelasersarenowplacedonaspaceship,whichisacceleratingupwardsataconstantrateof9 81 2. m s− ,farawayfromanyothermassesasshownbelow.ThedistanceofobserverDfromthelaseris1 00 102. .× m ObserverCisatthebottomofthespaceship.
9.81ms–21 00 102. .× m
laser
observer C
observer D
Explain, with reference to the equivalence principle, the frequencies measured byobserversCandD,ascomparedtoobserversAandB. [2]
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Option I — Medical physics
I1. Thisquestionisaboutsoundintensitylevels.
Aspart of a safety inspectionof anew factory, adata loggermeasures the intensityof thesoundsgeneratedbythemachines. Thesoundintensity levelsneedtobewithinacceptablelimits.
(a) Defineintensityandintensity level. [2]
Intensity: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Intensity level: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) The data logger is moved between five different locations in the factory ( ).A E→ Thereadingsareshownbelow.
Location Readingondatalogger/mWm–2
A 302B 158C 891D 413E 524
(i) Determinetheintensitylevelatthenoisiestlocation. [3]
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(Question I1 continued)
(ii) Usingyouranswerto(b)(i),discusswhetherornotitisnecessaryforthemachineoperatorstouseearprotectorswhenworkinginthisfactory. [2]
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(iii) Onepossibleeffectonhearingoflong-termexposuretonoiseistinnitus.Outlinewhatismeantbytinnitus. [1]
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I2. Thisquestionisaboutmedicalimaging.
Apatientissuspectedofhavingapartialblockageinhisintestineasit leadsawayfromhisstomach.PossiblemedicalimagingtechniquesincludeX-rayphotography,ultrasoundandtheuseofanendoscope.
(a) WhenproducingtheX-rayphotograph, thedoseiskept toaminimumbyatechniquecalledenhancement.
(i) Outlinewhythedoseneedstobekepttoaminimum. [2]
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(ii) Describeonepossibleenhancementtechnique. [2]
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(iii) Discussanyextraprocedures thatareneeded togetanappropriate imageof theintestineinthissituation. [2]
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(Question I2 continued)
(b) A successful ultrasound scan relies on changes of acoustic impedance around thestructurebeing imaged.
(i) Defineacoustic impedance. [1]
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(ii) StatetheSIunitinwhichitismeasured. [1]
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(iii) Explain,intermsofacousticimpedance,whygelneedstobeappliedonthesurfaceoftheskinbeforetheultrasoundscan. [2]
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(Question I2 continued)
(c) The blockage is cut out and removed in a procedure which involves a laser and anendoscope.
(i) Outlinehowitispossibletousealaserasascalpel(knife). [2]
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(ii) Byreferringtotheroleplayedbyopticfibres,discusshowanendoscopeisusedinthissituation. [2]
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I3. Thisquestionisaboutradiationinmedicine.
Anuclearstresstestisusedtoinvestigatethebloodflowwithinapatient’sheartduringexercise.Theradioisotopethallium-201isinjectedintothepatient’sbloodandagamma-raydetectoristhenusedtorecorditsdistributionwithintheheartmuscle.
Thefollowinginformationaboutthisprocedureisavailable.
Massofpatient =75kgDoseequivalentforanuclearstresstest =25mSv
(a) Thequalityfactorofthegamma-raysis1.Determinetheenergyabsorbedbythepatientasaresultofthethalliuminjection. [3]
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(b) Suggestwhetheryouwouldexpecttheenergycalculatedin(a)toresultinasignificantincreaseinthepatient’stemperature. [1]
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(Question I3 continued)
(c) Onaverage,1inevery1000patientswhoundertakeanuclearstresstestgoontodevelopcancerasaresultoftheradioactivedosethattheyreceivedduringthetest.
(i) Byreferringtotheconceptofbalancedrisk,outlinewhythetestmaystillbeofbenefittothepatient. [2]
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(ii) Thehospitaltechnicianwhoadministersthetestcouldalsoreceiveanincreaseddose.Outlinehowfilmbadgesareused toprotect technicians from receivingexcessivedosesofradiation. [2]
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Option J — Particle physics
J1. Thisquestionisaboutmesons.
(a) Statewhatismeantbyanexchangeparticle. [1]
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(b) In 1935, the physicist Hideki Yukawa predicted that the strong interaction betweennucleonswasmediatedbyparticlescalledmesons. Giventhat therangeofthestronginteractionisapproximately1 5 10 15. × − m,calculateapossiblevaluefortherestmassofameson. [2]
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(Question J1 continued)
(c) A meson called the pionwas detected in cosmic ray reactions in 1947byPowell andOcchialini.Thepioncomesinthreepossiblechargestates:π π π+ −, .and 0 TheFeynmandiagrambelowrepresentsapossiblereactioninwhichapionparticipates.
n
np
p
pion
Stateandexplainwhetherthemesonproducedisaπ π π+ −, .or a 0 [2]
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(d) Statethepossiblespinnumbersofmesonsandexplainyouranswer. [3]
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(Question J1 continued)
(e) Explainwhy,accordingtothequarkmodel,itisnotpossibleforaparticletoconsistoftwoupquarksonly. [2]
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J2. Thisquestionisaboutacceleratingparticles.
Thediagrambelowshowsthebasicstructureofacyclotron.
vacuumtarget
source
x x x x
x x x x
x x x x
x x x x
dees
Chargedparticlesareemittedfromasourceatthecentre.TheymoveinavacuumthroughtwoD-shapedcavitiesor“dees”.Thereisauniformmagneticfielddirectedintothepage,withintheregionofthedees.
(a) Outlinewhythevoltageappliedacrossthedeesmustchangepolarityeveryhalfrevolution. [2]
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(Question J2 continued)
(b) Showthatthefrequency,f,oftheappliedpotentialdifferenceisgivenbytheexpression
f qBm
=2π
where q = chargeofparticle m = massofparticle B = magneticfieldstrength. [3]
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(c) Statetwodisadvantagesofusingacyclotronratherthanasynchrotrontoaccelerateparticles. [2]
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2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(d) Explainwhyitisnecessarytoaccelerateparticlestohighspeedsinordertocreatenewparticlesoflargemass. [2]
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–46– M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
(Question J2 continued)
(e) Highenergyparticlesareusedtoprobethenucleus.Explainwhyalphaparticleswouldgivebetterresolutionthanprotonsmovingatthesamespeed. [3]
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J3. Thisquestionisaboutenergyandconservationlaws.
Two protons moving at the same speed in opposite directions, collide with each otherproducing threeprotonsandananti-proton,asshownbelow.
p p p p p p+ → + + +
(a) Calculatetheminimumpossiblekineticenergyofoneofthecollidingprotons. [2]
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(This question continues on the following page)
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–47– M11/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX
(Question J3 continued)
(b) Explainwhythefollowingreactionisnotpossible,evenifthecollidingparticleshaveenoughenergy.
p n p p p+ → + + [2]
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J4. Thisquestionisaboutcosmologyandstrings.
(a) Thebindingenergyofaheliumnucleusisabout28MeV.Calculatethetemperatureoftheuniverseabovewhichheliumnucleicouldnothaveexisted. [2]
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(b) Statetwofundamentaldifferencesbetweenthestandardmodelandthetheoryofstrings. [2]
1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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