PHYSICS Cadidate sessi mer STANDARD LEVEL PAPER 3 ...34 pages M12/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX Friday 11 May 2012 (mrig PHYSICS STANDARD LEVEL PAPER 3 INSTTINS T NIATES • Wrie yr sessi

34 pages

M12/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX

Friday 11 May 2012 (morning)

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 2012

Examination code

2 2 1 2 – 6 5 1 2

Candidate session number

0 0

0136

22126512

–2– M12/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX

0236

Option A — Sight and wave phenomena

A1. Thisquestionisaboutcolourvision.

(a) Statewhichtypeofreceptorcellintheeyeisresponsiblefordetectionofcolour. [1]

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(b) Thegraphbelowshowshowabsorptionvarieswithwavelength for the three typesofcolourreceptor.

ReceptorA ReceptorB ReceptorC

relativeabsorption/%

100

80

60

40

20

0400 450 500 550 600 650

wavelength/nm

(i) Identifythecoloursthatthereceptorsaresensitiveto. [1]

ReceptorA: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ReceptorB: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

ReceptorC: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(This question continues on the following page)

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0336

(Question A1 continued)

(ii) Red-green colour blindness is more common than red-blue colour blindness.Usingtheinformationonthegraphsuggestwhythisisthecase. [2]

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(iii) Statewhichofthereceptorsabsorbyellowlight. [1]

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0436

A2. Thisquestionisaboutstandingwavesonstrings.

(a) Astringisfixedatoneendandtheotherfreeendismovedupanddown.Explainhowastandingwavecanbeformedonthestring. [3]

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(b) Thediagramshowsastringvibratinginitsfundamental(firstharmonic)mode.Bothendsofthestringarefixed.

(i) Labelanantinodeonthediagram. [1]

(ii) Thelengthofthestringis0.85manditsfundamentalfrequencyis73Hz.Calculatethespeedofthewavesonthestring. [2]

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–5–

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0536

(Question A2 continued)

(iii) Sketchhowthestringwillappearifitisvibratedatafrequencythreetimesthatofthefundamentalfrequency. [1]

(iv) Statethespeedofthewavewhenthestringisvibratedatafrequencythreetimesthatofthefundamentalfrequency. [1]

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0636

A3. ThisquestionisabouttheDopplereffect.

(a) DescribetheDopplereffect. [3]

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(b) AspectrallinefromasourceonEarthhasafrequencyof4.672×1014Hz.Whenthissamelineisobservedfromadistantgalaxyitisfoundtohaveshiftedto4.669×1014Hz.

(i) StatethedirectionofthemotionofthegalaxyrelativetoEarth. [1]

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(ii) DeducethespeedofthegalaxyrelativetoEarth. [3]

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–7–

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0736

Option B — Quantum physics and nuclear physics

B1. Thisquestionisaboutplutoniumasapowersource.

Plutonium ( )23894Pu decays by alpha emission. The energy of the alpha particle emitted is8.8×10–13J.Thedecayconstantofplutonium-238is8.1×10–3yr–1.

(a) Definedecay constant. [1]

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(b) Plutonium-238istobeusedasapowersourceinaspaceprobe.

(i) Determinetheinitialactivityofplutoniumsuchthatthepowerreleasedbyplutoniumis6.0W. [2]

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(ii) Thepowersourcebecomesuselesswhen thepowerreleaseddecreases to4.0W.Determinethetime,inyears,forwhichthepowersourcecanbeusedinthespaceprobe. [4]

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0836

B2. Thisquestionisaboutthephotoelectriceffect.

Thediagramshowsapparatususedtoinvestigatethephotoelectriceffect.

V

μA

M C

evacuatedtube

metallicsurface collectingplate

(a) WhenredlightisincidentonthemetallicsurfaceMthemicroammeterregistersacurrent.Explainhowacurrent is established in this circuit even thoughnothing joinsM toCinsidethetube. [2]

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(b) ThegraphshowsthevariationwithvoltageVofthecurrentIinthecircuit.

I

–1.42 0 V /V


–9–

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0936

(Question B2 continued)

TheworkfunctionofthemetallicsurfaceMis0.48eV.

(i) Definework function. [1]

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(ii) State themaximum kinetic energy of an electron immediately after it has beenemittedfromM. [1]

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(iii) CalculatetheenergyofaphotonincidentonM. [1]

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(iv) TheredlightincidentonMisnowreplacedbybluelight.ThenumberofphotonsincidentonMpersecondisthesameasin(b).

Ontheaxesopposite,sketchagraphtoshowthevariationwithV ofthecurrentI. [2]


1036

B3. Thisquestionisaboutelectrondiffraction.

(a) A beam of electrons is accelerated from rest by a potential difference of 750V.CalculatethedeBrogliewavelengthoftheacceleratedelectrons. [3]

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(b) Thebeamofelectronsisincidentoncrystallinematerial.Thediagramshowstheelectronintensitypatternafterscatteringfromthematerial.

(i) Statethereasonwhyitisnecessaryforthematerialtobecrystalline. [1]

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1136

(Question B3 continued)

(ii) Darkregionsdenotelargenumbersofincidentelectrons.Describehowthediagramoppositeprovidesevidenceforthewavenatureofelectrons. [2]

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1236

Option C — Digital technology

C1. Thisquestionisaboutmobilephones.

(a) Thediagramshowsthecellnetworkusedinamobilephonesystem.

C

(i) AmobilephoneisincellC.Statehowthestrengthofthesignalfromthetransmitterinthiscellcompareswiththesignalsfromsurroundingcells. [1]

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(ii) Explainwhymobilephonecompaniesmustuseaspecifiedrangeoffrequencieswithineachcell. [2]

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1336

(Question C1 continued)

(iii) Therangeoffrequenciesusedallowsapproximately800signalstobetransmittedsimultaneously.However,amaximumof400connectionscanbemade.Statewhythisisthecase. [1]

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(b) Suggesttworeasonswhythegeneralpublicmaybeconcernedabouttheuseofmobilephones. [2]

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1436

C2. Thisquestionisaboutoperationalamplifiers.

(a) Statethepropertiesofanidealoperationalamplifierbyusingthewords“zero”or“infinite”inthetablebelow. [2]

inputimpedance(resistance)

outputimpedance(resistance)

(openloop)gain

(b) Thecircuitbelowshowsanon-invertingamplifier.

RF

R

VINVOUT

Showthatthegainofthisamplifierisgivenby F1 .RGR

= + [3]

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–15–

Turn over


1536

(Question C2 continued)

(c) Thecircuitbelowshowsaninvertingamplifier.

3.0kΩ

1.2kΩ3.0V VOUT

CalculatetheoutputvoltageVOUT. [2]

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1636

C3. Thisquestionisaboutcompactdiscs(CDs).

(a) ACDconsistsofasinglespiraltrackofpitsofdigitaldata.Eachpitis1.25×10–7mdeep.

(i) Explain why the wavelength of electromagnetic waves used to read the CD is5.00×10–7m. [3]

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(ii) The inner radius of the playing area is 25mm and the outer radius is 58mm.Theeffectivewidthofthetrackisapproximately1.6µm.DeterminethelengthofthetrackontheCD. [3]

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(b) StateonenegativeenvironmentalimpactoftheincreaseduseofCDs. [1]

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–17–

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1736

Option D — Relativity and particle physics

D1. Thisquestionisaboutrelativistickinematics.

In a thought experiment, a train is moving at a speed of 0.950c relative to the ground.Apendulumattachedtotheceilingofthetrainissetintooscillation.

T

G

0.950c

diagramfromG’spointofview

AnobserverTonthetrainandanobserverGonthegroundmeasuretheperiodofoscillationofthependulum.

(a) StateandexplainwhetherthependulumperiodisapropertimeintervalforobserverT,observerGorbothTandG. [2]

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(b) ObserverTmeasurestheperiodofoscillationsofthependulumtobe0.850s.CalculatetheperiodofoscillationsaccordingtoobserverG. [2]

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1836

(Question D1 continued)

(c) ObserverTisstandinginthemiddleofthetrain.Twolightningstrikeshittheendsofthetrain.Thestrikesaresimultaneousaccording to observer T.

T

G0.950c

endX endY

diagramfromT’spointofview

Lightfromthestrikesreachesbothobservers.

(i) Explainwhy,accordingtoobserverG,lightfromthetwostrikesreachesobserverTatthesametime. [2]

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(ii) Usingyouranswerto(i),explainwhy,accordingtoobserverG,endXofthetrainwashitbylightningfirst. [2]

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–19–

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1936


(d) Thelightningstrikes in(c)makemarksonboththetrainandtheground. Theproperlengthofthetrainis160m.

Determine,accordingtoobserverG,thedistancebetweenthemarksmadeontheground. [2]

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2036

D2. Thisquestionisaboutquarksandinteractions.

(a) Outlinehowinteractionsinparticlephysicsareunderstoodintermsofexchangeparticles. [2]

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(b) Thesigma( uus)+∑ = decaysintoapositivepion( ud)+π = andaneutronaccordingtothefollowingreaction.

n++ +∑ → π

Thecolourofeachofthequarksin +∑ isindicatedinthediagrambelow.

+∑

blueu

reds

greenu

uddd

u

+π

n

Deduce

(i) thecolourofthe d in +π . [1]

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(ii) theelectricchargeoftheparticlerepresentedbythedottedline. [1]

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2136


(c) Determinewhetherornotstrangenessisconservedinthisdecay. [2]

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(d) Thetotalenergyoftheparticlerepresentedbythedottedlineis1.2GeVmorethanwhatisallowedbyenergyconservation.Determinethetimeintervalfromtheemissionoftheparticlefromthesquarktoitsconversionintothed d pair. [2]

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(e) The pion is unstable and decays through theweak interaction into a neutrino and ananti-muon.

DrawaFeynmandiagramforthedecayofthepion,labellingallparticlesinthediagram. [2]


2236

Option E — Astrophysics

E1. ThisquestionisaboutthestarNaos(ZetaPuppis).

ThefollowingdataareavailableforthestarNaos.

Surfacetemperature = 4.24×104K Radius = 7.70×109m Apparentmagnitude = +2.21 Parallaxangle = 3.36×10–3arcseconds

(a) StatethespectralclassofNaos. [1]

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(b) Statewhatismeantbyapparentmagnitude. [1]

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(c) Determine,forNaos,its

(i) distancefromEarth,inparsec. [1]

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(ii) absolutemagnitude. [2]

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2336

(Question E1 continued)

(d) ThedistancetoNaosmaybedeterminedbythemethodofstellarparallax.ThediagramshowsthestarNaosandtheEarthinitsorbitaroundtheSun.

Earth

Sun Naos

(not to scale)

(i) DrawlinesonthediagramaboveinordertoindicatetheparallaxangleofNaos. [1]

(ii) OutlinehowtheparallaxangleofNaosmaybemeasured. [2]

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2436

(Question E1 continued)

(e) Determine,usingthedatagiven,

(i) theluminosityofNaos. [2]

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(ii) thewavelengthatwhichNaosemitsmostofitsenergy. [1]

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(f) ThestarMizarhasthesameapparentbrightnessasNaosandamuchlowertemperature.Tothenaked eyeNaosdoesnotappearasbrightasMizar.

Byreferencetoyouranswerto(e)(ii),suggestanexplanationofthisfact. [2]

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–25–

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2536

E2. ThisquestionisaboutOlbers’paradox.

(a) StatetwopostulatesoftheNewtonianmodeloftheuniverse. [2]

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(b) Describe quantitatively how Olbers’ paradox arises in the Newtonian model oftheuniverse. [3]

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(c) SuggesthowtheparadoxisresolvedinthestandardBigBangmodeloftheuniverse. [2]

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2636

Option F — Communications

F1. Thisquestionisaboutradiotransmissionandreception.

(a) Thediagramshowsapowerspectrumforanamplitudemodulated(AM)radiosignal.relativepower/dB

2.0

1.5

454 456 458 frequency/kHz

(i) Statethefrequencyofthecarrierwave. [1]

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(ii) Calculatethefrequencyofthesignal. [1]

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(iii) Calculatethebandwidthofthesignal. [1]

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2736

(Question F1 continued)

(b) ThediagrambelowshowsanincompleteblockdiagramforanAMradioreceiver.

aerial RFamplifier demodulator

speaker

X Y

(i) IdentifycomponentsXandY. [2]

X: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Y: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) ExplainthefunctionofcomponentsXandY. [2]

X: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Y: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(c) Discussanadvantageandadisadvantageofusingamplitudemodulationcomparedwithfrequencymodulationwhentransmittingandreceivingaradiosignal. [3]

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F2. Thisquestionisaboutthesamplingofanaloguesignals.

(a) In a sound recording system a microphone is plugged into a computer sound card.Twopossiblesamplingfrequenciesare44.1kHzand8.0kHz.

(i) Explain the advantage of using 44.1kHz rather than 8.0kHz as the samplingfrequency. [2]

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(ii) Suggest the implication for storing the sampled data when using a samplingfrequencyof44.1kHz. [1]

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2936


(b) Thegraphshowsananaloguesignalwhichistobesampled.Thevoltagesofthesampledvaluesarethenrecordedasbinarynumberswith0000representingtherangefrom0.00to0.99mV,0001representingfrom1.00mVto1.99mV,etc.

signalvoltage/mV

7.0

6.0

5.0

4.0

3.0

2.0

1.0

0.0 0.0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9

time/ms

(i) Thefirst sample takesplaceat0.0msand the sampling rate is5.0kHz. On thegraphabove,drawthepointswherethenexttwosamplesoccur. Label theseasS1andS2. [2]

(ii) Statethebinarynumbersrepresentingthesetwosamples. [2]

S1:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

S2:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .



3036


(c) Explainhowtime-divisionmultiplexingallowstransmissionofdifferentsignalsonthesameline. [3]

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3136

Option G — Electromagnetic waves

G1. Thisquestionisaboutamagnifyingglass.

(a) (i) Definetheangular magnificationofamagnifyingglass. [1]

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(ii) Deriveanequationfor theangularmagnificationofamagnifyingglasswith theimageatinfinity. [3]

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3236

(Question G1 continued)

(b) Anobjectispositioned8.00cmfromamagnifyingglassoffocallength15.0cm.

(i) Calculatethepositionoftheimage. [2]

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(ii) Calculatethelinearmagnification. [1]

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(iii) Theimageisuprightandmagnified.Stateafurtherpropertyoftheimage. [1]

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Turn over


3336

G2. Thisquestionisaboutlasersanddiffractiongratings.

(a) (i) Statetwowaysthatlaserlightdiffersfromlightemittedbyanordinaryfilamentlamp. [2]

1: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(ii) Outlinethemainmechanismsintheproductionoflaserlight. [4]

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3436

(Question G2 continued)

(b) (i) Describe the pattern produced on a screen by a red laser beam incident on adiffractiongrating. [2]

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(ii) Laser light of wavelength 632nm is incident on a diffraction grating having600linespermm.Determinetheangularseparationbetweenthefirstandsecondordermaxima. [4]

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