88086506 PAST PAPERS - SUBJECT...(c) The star Ross 128 has an apparent magnitude that is less than its absolute magnitude. Explain, with reference to this statement, why the method

8808-6506 33 pages

N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+

Wednesday 5 November 2008 (morning)

PhysicssTANDARD levelPAPeR 3

INSTRUCTIONS TO CANDIDATES

• Write your session number in the boxes above.• Do not open this examination paper until instructed to do so.• Answer all of the questions from two of the Options in the spaces provided.• At the end of the examination, indicate the letters of the Options answered in the

candidate box on your cover sheet.

1 hour

Candidate session number

0 0

© International Baccalaureate Organization 2008

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Option A — Mechanics Extension

A1. Thisquestionisaboutgravitationalfieldstrengthandescapespeed.

(a) Definegravitational field strength.

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(b) DeducefromNewton’slawofuniversalgravitationthatthegravitationalfieldstrengthgat thesurfaceofaplanetofmassMandradiusR isproportional to M

R2.

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(c) ThegravitationalfieldstrengthatthesurfaceofVenusgVisrelatedtothegravitationalfieldstrengthatthesurfaceoftheEarthgEby

gV =0.87× gE.

TheradiusofVenusR VisrelatedtotheradiusoftheEarthR Eby

RV =0.96× RE.

CalculatethemassofVenusMVintermsofthemassoftheEarthME.

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(This question continues on the following page)

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(Question A1 continued)

(d) (i) DeducethattheescapespeedvfromthesurfaceofVenusis

v g R= 2 V V .

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(ii) StatewhethertheescapespeedfromthesurfaceofVenusisequalto,greaterthan,or less than theescapespeedfromthesurfaceof theEarth.

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A2. Thisquestionisaboutfrictionandrotationalequilibrium.

Auniformblockofmass5.0kgisatrestonahorizontalsurface.AforceFisappliedtotheblockasshown.

mass = 5.0kg F

surface

ThemagnitudeofF is gradually increaseduntil the block starts tomove, afterwhich timeF is held constant and theblock continues togain speed. Thevariationwith time t of theforceF isshownbelow.

F/N 20

15

10

5

00 1 2 3 4 5 t/s

(a) Stateandexplainthevalueof themaximum frictionalforce acting between the objectand thesurface.

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(Question A2 continued)

(b) Thevalueof themaximumfrictional forcecanbeused tocalculate thecoefficientoffrictionbetweentheblockandthesurface.Explainwhetherthevaluecalculatedwouldbethecoefficientofstaticfrictionorthecoefficientofdynamicfriction.

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(c) Att = 4.0s,theaccelerationoftheblockis0.60ms–2.Calculatethecoefficientoffrictionactingatthattimebetweentheblockandthesurface.

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(d) TheblockisbroughttorestandtheforceFnowactsverticallyontheblockasshown.ThemagnitudeofFisgraduallyincreasedbutitsdirectionremainsvertical.WhentheblockbeginstomoveitrotatesabouttheedgeP.

F

mass = 5.0kg

surface P

(i) CalculatetheminimumvalueofFthatwilljustcausetheblocktobegintorotate.

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(ii) StatethevalueofFforwhichtheblockcompletelylosescontactwiththesurface.

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Option B — Quantum Physics and Nuclear Physics

B1. Thisquestionisabouttheevidenceforthequantizationofenergyinatoms.

(a) Statewhatismeantbythephrasethe quantization of energy in atoms.

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(b) Bymeansofalabelleddiagram,outlineanexperimentalset-upbywhichX-rayscanbeemittedfromasampleoftungsten.

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(Question B1 continued)

(c) ThegraphbelowshowstheX-rayspectrumofasampleoftungsten.

intensity

0 wavelength

ExplainwhichfeaturesofthisX-rayspectrumprovideevidenceforthequantizationofenergylevelsintungstenatoms.

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(d) One of the lines in the emission spectrum of atomic hydrogen has a wavelengthof 410nm. Determine what quantitative information can be deduced about some oftheenergy levels in thehydrogenatomfromthiswavelengthvalue.

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B2. Thisquestionisaboutβ+ -decay.

Anucleusofnitrogen-13, 713 N,undergoesβ+ --decaytoproduceanisotopeofcarbon.

(a) Determine the three particles that result from the decay of a nucleus of nitrogen-13.Statethemassnumberandtheatomicnumberforeachparticle.

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(b) Identifywhichparticlefromyouranswerto(a)containsquarks.

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(c) Thehalf-lifeofnitrogen-13is10minutes.Determinethedecayconstantfornitrogen-13.

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(d) Asampleinitiallycontains0.13mgofnitrogen-13.

Calculatethe

(i) initialrateofemissionofβ+ -particlesfromthesample.

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(ii) massofnitrogen-13remainingafter15minutes.

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Option C — Energy Extension

C1. Thisquestionisaboutthethermodynamicsofanidealgas.

Thediagrambelowshowsthepressure-volume(p-V)relationofafixedmassofanidealgasundergoingathermodynamiccycle.

p/×105Pa

2.0

1.5

1.0

0.5

0.0

A

B C

D

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 V/×10–3m3

(a) DuringthechangeA→B,explainwhether

(i) theinternalenergyofthegasincreases,decreasesorstaysthesame.

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(ii) thermalenergyistransferredbetweenthegasanditssurroundings.

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(b) During the change B→C, explain whether work is done either by the gas on itssurroundingsorbythesurroundingsonthegas.

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(Question C1 continued)

(c) Calculatetheoverallenergytransferredduringonecycle.

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(d) Explainwhether,afteracompletecycle,theinternalenergyofthegasoverallincreases,decreasesorstaysthesame.

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C2. Thisquestionisaboutthegenerationofelectricalpower.

Fossil fuel power stations and solar power stations can be used for the generation ofelectrical power.

(a) State and explain whether the sources of energy in each of these power stations isclassifiedas renewableornon-renewable.

Fossil fuelpower:

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Solar power:

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(b) Discussthemainenergytransformationsthatareinvolvedintheuseoffossilfuelstogenerateelectricalenergy.

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(c) Photovoltaic cells and active solar heaters are both solar power devices. Outline thedifferencebetweenthesetwodevices.

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(Question C2 continued)

(d) State one disadvantage of fossil fuel power production and one disadvantage ofsolarpowerdevices.

Fossilfuelpowerproduction:

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Solarpowerdevices:

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Option D — Biomedical Physics

D1. Thisquestionisaboutscaling.

Twomammals,XandY,havesimilarbodyshapes.ThemassofmammalXis40kg,whereasthemassofmammalYis10kg.

(a) (i) DeducethattheratiolengthofmammalXlengthofmammalY

hasavalueof1.6.

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(ii) Stateoneassumptionmadeinthecalculationin(a)(i).

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(b) MammalXandmammalYarebothexposedtoaverycoldenvironment.ExplainwhythebodytemperatureofmammalXwouldfallmoreslowlythanthatofmammalY.

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D2. Thisquestionisabouthearing.

The graph below shows the variation with frequency of the threshold of hearing for twoidentical twinbrothers,FrankandAlbert.

soundintensitylevel/dB

100

80

60

40

20

0

–20

–40

Key:FrankAlbert

101 102 103 104 frequency/Hz

FrankandAlberthaveworkedindifferentplacesformanyyears. Oneworkplacewasveryquietand theotherwasverynoisy.

(a) Suggest, with reference to the graph, which brother is likely to have worked in thenoisyworkplace.

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(b) Forafrequencyof10000Hz,calculate theratio

intensityofthesoundjustdetectablebyFrankintensityoffthesoundjustdetectablebyAlbert

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(Question D2 continued)

(c) Stateone feature of the graph that suggests one of the brothers suffers from sensoryhearingloss.

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(d) Apersonwithadamagedcochleawillhavelossofhearingatselectednarrowfrequencyranges.Explainhowthisphenomenonleadstoalossofspeechdiscrimination.

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D3. ThisquestionisaboutX-rayimaging.

(a) OutlinehowaCT(ComputedTomography)X-rayimageisproducedandstatethenatureoftheimage.

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(b) DescribetheuseofbariuminX-rayimaging.

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Option E — The History and Development of Physics

E1. Thisquestionisaboutthemotionofstarsandplanets.

Threeobservationsthatcanbemadeconcerningthe apparent relative motion of planets andstars are:

• starsdonotmoverelativetoeachother • planetsmoverelativetothefixedstars • planetschangedirectionintheirmotion.

(a) Explain,withtheaidofadiagram,howtheAristotelianmodelorthePtolemaicmodelaccountedforthesethreeobservations.

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(b) Discuss the differences between the Ptolemaic model and Kepler’s model of thesolarsystem.

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E2. Thisquestionisaboutthecalorictheory.

(a) Describehowthecalorictheoryaccountedforthermalconduction.

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(b) Discusstheobservationsanddeductions,madebyCountRumfordin1798,thatdisprovedthecaloric theory.

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E3. Thisquestionisabouttheoriesofelectriccharge.

(a) Apieceofplasticwhenrubbedwithaclothbecomeselectricallycharged.Outlinehowthisphenomenon isexplainedbythe

(i) twofluidmodelofDuFay.

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(ii) modernatomicmodelofmatter.

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(b) Inthelate19thcentury,JJThomsonmeasuredthecharge-to-massratioforanelectron.Outlinehowthismeasurementwasmade.

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Option F — Astrophysics

F1. Thisquestionisaboutmeasuringstellardistances.

(a) Describewhatismeantby

(i) apparentbrightness.

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(ii) apparentmagnitude.

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(iii) absolutemagnitude.

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(b) Statethepropertyofastarthatismostcloselyrelatedtoitsabsolutemagnitude.

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(c) ThestarRoss128hasanapparentmagnitude that is less than itsabsolutemagnitude.Explain,withreferencetothisstatement,whythemethodofstellarparallaxmaybeusedtomeasurethedistanceofRoss128fromEarth.

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(Question F1 continued)

(d) Describehowtheobservedspectrumofverydistantstarscanbeusedtoestimatetheirabsolutemagnitude.

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(e) TheapparentbrightnessofRoss128is7.9×10–15Wm–2anditsluminosityis1.1×1021W.Determineinparsecs,thedistanceofRoss128fromEarth.

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F2. ThisquestionisabouttheDopplershiftandtheexpansionoftheuniverse.

When light from distant galaxies is analysed, the spectral lines are observed to have beenDopplershifted.

(a) StatethereasonforthisDopplershift.

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(b) PenziasandWilsondiscoveredthattherewasauniformsourceofmicrowaveradiationfromeverydirection in theuniverse. Explainhow thisdiscovery supports the theorythat theuniverse isexpanding.

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(c) It is suggested that the rate of expansion of the universemight have been graduallyincreasingsincetheBigBang.Stateanddescribetheeffect,ifany,thatthistheorywouldpredictabouttheobservedDopplershiftoflightfromdistantgalaxies.

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Option G — Relativity

G1. ThisquestionisaboutSpecialRelativity.

Two inertial observers, Alice and Bob, are moving towards each other along the samestraightlinewithconstantrelativespeedv.OneithersideofAlicearetwolamps,XandY,equaldistancesawayfromAliceandatrest inher referenceframe.

ThediagrambelowrepresentsthesituationaccordingtoBob’sreferenceframe.

v

lampX Alice lampY Bob

Alicehasaswitchthatcontrolseachofthelamps.Thelampsareinitiallyswitchedoff.

(a) Describewhatismeantbyaninertialreferenceframe.

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(b) Alice closes the switch, producing an electromagnetic signal that travels fromher to the lamps. When either lamp receives the electromagnetic signal it turns on.State and explain the order in which the signal arrives at the lamps (X first,Y firstorsimultaneously)

(i) accordingtoAlice.

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(ii) accordingtoBob.

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(Question G1 continued)

(c) Explain, in termsof thepathtakenbyelectromagneticwavesfromtheswitchtoBob,whyBobreceives light fromlampYbefore light fromlampX.

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(d) Twoeventsaredefinedasfollows:eventP:theswitchforlampXisclosed•eventQ:thelightfromlampXarrivesatAlice.•

AlicemeasuresatimetAandBobmeasuresatimetBbetweenthesetwoevents.

(i) Discuss,withreferencetopropertime,thedifferenceinvaluebetweentAandtB.

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(ii) Stateandexplainwhetheryouranswerto(d)(i)wouldbedifferentforthesituationinwhichAlicewasmovingawayfromBobatspeedvasmeasuredbyBob.

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(Question G1 continued)

(e) Alicemeasuresthedistancebetweenthelampstobe30.0m.Thespeedvis0.90c.

(i) Explainwhethertheproperlengthbetweenthetwolampsisgreaterthan,equaltoorlessthan30.0m.

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(ii) Calculatethedistancebetweenthelamps,asmeasuredbyBob.

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G2. Thisquestionisaboutrelativisticvelocityadditionandrelativisticmass.

A particle, P, is moving at constant velocity 0.950c along the x-axis, with respect to aninertiallaboratoryreferenceframe.Thediagrambelowrepresentsthissituationaccordingtothe laboratoryreferenceframe.

0.950c

P

Theparticledecays.OneofthedecayproductsisasmallerparticleQofrestmass940MeVc–2thatisejectedatvelocity0.900calongthex-axisrelativetoP’sreferenceframe.

ThediagrambelowrepresentsthesituationaccordingtoP’sreferenceframe.Theotherdecayproductsarenotshown.

0.900c

P Q

(a) CalculatethevelocityofparticleQasmeasuredinthelaboratoryreferenceframe.

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(b) CalculatethedifferencebetweenthemassofparticleQinP’sreferenceframeandthelaboratoryreferenceframe.

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Option H — Optics

H1. Thisquestionisaboutdispersion.

Diagram1belowshows two identicalprismsAandB. PrismB is invertedwith respect toprismA.

Diagram 1

A B

AnarrowbeamofwhitelightisincidentonaglassprismAasshownindiagram2.

Diagram 2

AA


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(Question H1 continued)

AllthelightincidentonprismApassesthroughprismB.

(a) (i) Ondiagram 2opposite,drawlinestoshowthepathofarayofredlightandthepathofarayofbluelightasitpassesthroughandemergesfromprismA.LabelthepathsR for redandB forblue. [2]

(ii) Ondiagram 2 opposite, draw prismB in the path of the light that has passedthrough prism A. Draw lines, continuing from those from (a), to show thepathof therayof red light and the path of the ray of blue light as they passthrough and emerge from prism B. [2]

(b) AscreenisplacedinthepathofthelightemergingfromprismB.Describetheappearanceofthelightonthescreen.

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H2. Thisquestionisaboutthereflectionandrefractionoflaserlight.

(a) Definerefractive index.

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(b) Abeamoflaserlightisincidentonaglass/airboundary.

air

glass

(i) Onthediagramabove,drawraystoshowthereflectedray(labelthisL)andtherefractedray(labelthisR). [1]

(ii) Theangleofincidenceofthebeamisgraduallyincreased.Deducehowthepathofthelaserlightwouldchangeforanglesofincidenceupto80.Therefractiveindexoftheglassis1.5.

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(This option continues on page 32)

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(Option H continued)

H3. Thefollowingquestionisaboutanastronomicaltelescope.

Atelescopeinnormaladjustmentispointedatadistantobject.Parallellightraysareincidentontheobjectivelens,asshowninthediagrambelow.

objectivelens eyepiecelens

F

The lenses are positioned so that their focal points are at the same location, labelledF onthediagram.

(a) (i) Onthediagramabove,constructaraydiagramtolocatethefinalimage. [3]

(ii) Onthediagramabove,labelwiththeletterEwheretheeyeshouldbeplacedinordertoviewtheimage. [1]

(iii) State,withabriefexplanation,thelocationofthefinalimage.

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(Question H3 continued)

(b) Useyourdiagramtoexplainwhytheimageproducedbyatelescopeis

(i) magnified.

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(ii) inverted.

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Documents

88086506 PAST PAPERS - SUBJECT...(c) The star Ross 128 has an apparent magnitude that is less than its absolute magnitude. Explain, with reference to this statement, why the method