PHYSICS STANDARD LEVEL PAPER 3 - papers.xtremepape.rs · (This question continues on the following page) 0232. 2209-6512 ... Two stars, the same distance from Earth, are separated

2209-6512 32 pages

M09/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX

Wednesday 13 May 2009 (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 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 2009

22096512

22096512

0132

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–2– M09/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX

Option A — Sight and wave phenomena

A1. Thisquestionisaboutvisionandresolution.

(a) Comparescotopicwithphotopicvision.

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(b) Thegraph shows thevariationwithwavelength λ of the sensitivity I, of the rodand

theconecellsofahumaneye.

rods

SensitivityI

0

cones

0 450 500 550 600 650 700

Wavelength λ / nm

(This question continues on the following page)

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2209-6512

–3–

Turn over


(Question A1 continued)

Aredpieceofpaperandabluepieceofpaperarebothviewedinverylowintensitylight.

Each piece of paper reflects the same intensity of light.

Withreferencetothegraph,stateandexplainwhichoneofthetwopiecesofpaperwill

bemoreclearlyvisible.

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(c) Thediameterofthepupilofahumaneyeis1.5mm.

(i) Calculatetheminimumangularseparationof twopoints thatcanberesolvedby

thehumaneyeforlightofwavelength680nm.

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(ii) Twostars,thesamedistancefromEarth,areseparatedbyadistanceof4 0 1013. × m.

Bothstarsemitlightofwavelength680nm.

ThetwostarsarejustresolvedbyanobserveronEarth.Estimatethedistancetothe

twostars.

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A2. Thisquestionisaboutpolarization.

(a) Statewhatismeantbypolarizedlight.

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(b) A ray of light is incident on the surface of a lake. The angle of incidence is φ.

incident ray

normal

air

water

reflected ray

φ

The reflected light is completely polarized horizontally.Therefractiveindexofwaterisn.

(i) Onthediagram abovedrawtherefractedray.

(ii) Usethediagramtodeducetherelationshipbetweenφandn.

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(iii) The refractive index of the water is 1.3. Calculate the value of φ.

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–5–

Turn over


A3. ThisquestionisabouttheDopplereffect.

(a) StatewhatismeantbytheDopplereffect.

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(b) Ultrasoundoffrequency5.2MHzisdirectedfromastationarysourcetowardsredblood

cells in an artery. A simplified diagram is shown below in which the blood cells are travellinginthesamedirection.

The ultrasound is reflected from the cells and is received back at the source.Themeasuredfrequencyshiftis3.5kHz.Thespeedofultrasoundinbloodis1 5 103 1. × −ms .

Thefrequencyshiftisdeterminedfrom∆ =f

f

v

c

2.

(i) State the significance of the factor of 2 in the formula for the frequency shift.

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(ii) Determinethespeedoftheredbloodcells.

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(iii) Statetworeasonswhy,inpractice,thefrequencyshiftwillhavearangeofvalues.

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ultrasound redbloodcells

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Option B — Quantum physics and nuclear physics

B1. Thisquestionisaboutthephotoelectriceffect.

(a) In the photoelectric effect, electrons are emitted from a metallic surface only if the

wavelengthofthelightincidentonthesurfaceisbelowacertainvaluecalledthethreshold

wavelength.

Explainthisobservation.

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(b) A monochromatic source of power 3.0W emits light of wavelength 4 60 10 7. × − m .

Allofthelightisincidentonametalsurfaceandcauseselectronstobeemittedatarate

of 4 0 1010 1. × −s .Thethresholdwavelengthofthemetalis5 50 10 7. × − m .

Calculate

(i) thephotoelectriccurrent.

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(ii) theworkfunctionofthemetal.

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(iii) theratiooftherateofelectronemissiontotherateatwhichthephotonsareincident

onthemetal.

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Turn over


(Question B1 continued)

(c) Lightfromadifferentsourceisincidentonthemetalin(b).Thenewsourcehaspower

6.0Wandemitslightofwavelength9 00 10 7. × − m .

Statetheeffectofthesechanges,ifany,onyouranswerto(b)(i).

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B2. Thisquestionisaboutquantumaspectsoftheelectron.

The graph shows the variation with distance x of the wavefunction Ψ of an electron at a

particular instant of time. The electron is confined within a region of length 2 0 10 10. × − m .

Ψ

00.5 1.0 1.50.0 2.0 x / ×10 −10m

(a) Statewhatismeantbythewavefunctionofanelectron.

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(b) Usingdatafromthegraphestimate,forthiselectron,

(i) itsmomentum.

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(ii) theuncertaintyinitsmomentum.

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B3. Thisquestionisaboutnuclearenergylevelsandradioactivedecay.

Thediagramshowssomeofthenuclearenergylevelsoftheboronisotope 5

12 B andthecarbon

isotope 6

12C .Differencesinenergybetweenthelevelsareindicatedonthediagram.Aparticular

betadecayofboronandagammadecayofcarbonaremarkedonthediagram.

Boron

13.4 MeV

Beta decay

Gamma decay4.4 MeV

Carbon

(a) Calculatethewavelengthofthephotonemittedinthegammadecay.

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(b) Calculate the maximum kinetic energy of the electron emitted in the beta decay

indicated.

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(c) Explainwhytheelectronsemittedintheindicatedbetadecayofborondonotalwayshave

thekineticenergycalculatedin(b).

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Option C— Digital technology

C1. Thisquestionisaboutthecompactdisc(CD).

ThediagramshowslightfromalaserthatisincidentonaCD.

The reflected light is used to read the data stored on the CD. The depth of the pits is dandthe

wavelengthofthelightisλ .

(a) Explaintherelationshipbetweenλ anddthatallowsthelaserbeamtodetecttheedge

ofapit.

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(b) Thewavelengthofthelaserlightis640nm.Calculatethepitdepthd.

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light

pitedge

land

d

land

pit

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2209-6512

–11–

Turn over


(Question C1 continued)

(c) The diagram shows a series of pits on one part of the spiral track of an audio CD.

Theaveragelengthofonepitandtheaveragelengthofonelandareboth1900nm.

pit land

1900 nm1900nm spiraltrack

InformationisstoredontheCDwithasamplingfrequencyof44.1kHz.Eachsample

consistsoftwo16bitbinarynumbers.

(i) The total lengthof thespiralon theCDisapproximately5km. Onaverage the

numberofbitsstoredonaCDisequaltofourtimesthenumberofpits.Showthat

thestoragecapacityofthisCDisapproximately5 109× bits .

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(ii) Usingtheanswerto(c)(i)calculatetheplayingtimeofthisaudioCD.

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[2]

(d) Describeoneadvantage,otherthanamountofdata,ofstoringmusiconaCDratherthan

onavinylLPrecord.

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

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[1]

1132

2209-6512


C2. This question is about the operational amplifier.

Diagram 1 shows a non-inverting amplifier circuit.

Diagram 1

+

–

0V

90 k

10 k

Vin

Vout

0V

(a) Suggest why the amplifier is referred to as non-inverting.

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

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[1]

(b) The input voltage for the amplifier in (a) is Vin mV= 2 0. .

Calculate

(i) thegainG of the amplifier.

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

[1]

(ii) theoutputvoltageVout .

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

[1]


1232

2209-6512

–13–

Turn over



(c) Diagram 2 shows a particular non-inverting amplifier.

Diagram 2

+

– Vout

0V 0V

Vin

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

amplifier is equal to 1.

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

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[3]


1332

2209-6512



(d) Diagram 3 shows a circuit in which the battery has an emf of 6.0V and negligible

internalresistance.Two 2 0. MΩ resistorsareconnectedinseriestothebattery.

Diagram 3

A

B

6.0 V

2.0 MΩ

2.0 MΩ

(i) StatethevalueofthepotentialdifferencebetweenpointsAandB.

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

[1]

(ii) Avoltmeterofresistance100 kΩ isusedtomeasurethepotentialdifferenceacross

pointsAandB.

Statewhythereadingonthevoltmeterisnotequaltothevaluestatedin(d)(i).

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

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[1]


1432

2209-6512

–15–

Turn over



(iii) The circuit in diagram 3 is modified to include the circuit shown in diagram 2.

Diagram 4

2.0 MΩ

2.0 MΩ

V

6.0 VA

B

+

100 k

Explainwhythevoltmeterreadsthevalueofthepotentialdifferenceasstatedin(d)(i).

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

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[2]

1532

2209-6512


Option D — Relativity and particle physics

D1. Thisquestionisaboutsimultaneity.

Albert is at rest with respect to the ground. Hermann is in a carriage that is moving with

speedv relative to Albert in the direction shown. Two flashes of light are emitted from the backandthefrontof thecarriage. AccordingtoHermann’sclocktheyarriveatHermann’s

positionsimultaneously.

vHermann

Albert

Explainwithreferencetotheconceptofpropertime,whythearrivalofthelightpulses

atHermannwillalsobesimultaneoustoAlbert.

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

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[3]

1632

2209-6512

–17–

Turn over


D2. Thisquestionisaboutrelativistickinematics.

AspacecraftleavesEarthataspeedof0.80casmeasuredbyanobserveronEarth.Itheads

towards,andcontinuesbeyond,adistantplanet.Theplanetis52lightyearsawayfromEarth

asmeasuredbyanobserveronEarth.

0.80 c

Earth

52 ly

planet

(Diagram not to scale)

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

yearsold.

TheLorentzgammafactorforaspeedof0.80cisγ = 5

3.

(a) Calculate

(i) thetimetakenforthejourneytotheplanetasmeasuredbyanobserveronEarth.

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

[1]

(ii) thedistancebetweentheEarthandtheplanet,asmeasuredbyAmanda.

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

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[1]

(iii) Amanda’sageasthespacecraftgoespasttheplanet,accordingtoAmanda.

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

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[2]

(b) As the spacecraft goes past the planet Amanda sends a radio signal to Earth.

Calculate, asmeasuredby the spacecraft observers, the time it takes for the signal to

arriveatEarth.

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

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[3]

1732

2209-6512


D3. Thisquestionisaboutfundamentalinteractions.

Thediagrambelowshowsaninteractionvertexoftheweakinteraction.

Z0

charged

fermion

charged

fermion

(a) (i) DrawaFeynmandiagram,fortheprocesse e− + − ++ → +µ µ usingtheinformation

giveninthediagramabove.[1]

(ii) IdentifythevirtualparticleintheFeynmandiagramthatyoudrewin(a)(i).

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

[1]

(b) Theclosestdistancebetweentheelectron-positronpairandthemuon-antimuonpairin

thereaction e e− + − ++ → +µ µ isapproximately9 10 19× − m.

Usethisinformationtoestimatethemassofthevirtualparticlein(a)(ii).

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

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[3]

1832

2209-6512

–19–

Turn over


D4. Thisquestionisaboutquarks.

The diagram below shows the eight spin 12 baryons made out of the three lightest quarks,

the up (u), the down (d) and the strange (s). In this plot baryons belonging to the same

horizontallinehavethesamestrangeness(S)andthosealongthesameslantedlinehavethe

samecharge(Q).

Q =–1 Q =0 Q =1

S =0

S =–1

S =–2

(a) (i) Onthediagramabovedrawacirclearoundthepointrepresentingtheneutron. [1]

(ii) Statethequarkcontentoftheneutron.

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

[1]

(b) The Ξ− baryonisunstableanddecaysaccordingtothereaction Ξ Λ− −→ +0 π .

Thequarkcontentoftheparticlesinvolvedis Ξ− = ssd , Λ0 = uds and π− = du .

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

strongorweak.

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

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[3]

1932

2209-6512


Option E — Astrophysics

E1. Thisquestionisaboutstars.

(a) Distinguishbetweenapparentmagnitudeandabsolutemagnitude.

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

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[2]

(b) Thetablegivesinformationonthreestars,Achernar,EG129andMira.

Absolute

magnitude

Apparent

magnitude

Spectral class

Achernar –3.0 +0.50 B

EG129 +13.0 +14.0 B

Mira –3.0 +5.0 M

(i) StatewhichoneofthethreestarsappearsbrightestfromEarth.

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

[1]

(ii) Estimate the ratioL

L

A

E

where LA is the luminosity ofAchernar and LE

is the

luminosityofEG129.

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

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[3]

(iii) ShowthatthedistanceofthestarAchernarfromEarthisapproximately50pc.

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

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[2]


2032

2209-6512

–21–

Turn over


(Question E1 continued)

(c) ThesurfacetemperatureofMirais5timeslowerthanthatofAchernar.Estimatetheratio

R

R

M

A

where RMistheradiusofMiraand RA

istheradiusofAchernar.

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

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[3]

(d) Stateandexplainwhichofthestarsinthetablein(b)isawhitedwarf.

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

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[3]

2132

2209-6512


E2. Thisquestionisaboutcosmicmicrowavebackgroundradiation.

Thegraphshowsthespectrumofthecosmicmicrowavebackgroundradiation.

λ0

01 2

/mm

Intensity

3

The shape of the graph suggests a black body spectrum i.e. a spectrum to which theWien

displacementlawapplies.

(a) Usethegraphtoestimatetheblackbodytemperature.

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[2]

(b) Explainhowyouranswerto(a)isevidenceinsupportoftheBigBangmodel.

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[2]

(c) State and explain another piece of experimental evidence in support of the Big Bang

model.

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

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[2]

2232

2209-6512

–23–

Turn over


Option F— Communications

F1. Thisquestionisaboutamplitudemodulation(AM).

ThegraphshowsthepowerspectrumofanAMcarrierwave.

Power

f /kHz

2880 2920 2960 3000 3040 3080 3120

(a) Usethegraphtodetermine

(i) thefrequencyofthecarrierwave.

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

[1]

(ii) thefrequencyofthesignalwave.

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

[1]

(iii) thebandwidthofthetransmittedsignal.

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

[1]

(b) Abroadcastingcompanyhasbeengivenpermissiontobroadcastinafrequencyrangeof

320kHz.Thetransmissionshavethebandwidthfoundin(a)(iii).

Determinehowmanyradiostationsthecompanycanoperateinthisfrequencyrange.

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

[1]

2332

2209-6512


Blankpage

2432

2209-6512

–25–

Turn over


F2. Thisquestionisabouttransmissionandsamplingofsignals.

(a) The block diagram illustrates the principles of the transmission and reception of

digitalsignals.

P Q R

S

analogue

signal

sampling

signal

ADC

clock

clock

DAC

communication

link

DescribethefunctionofeachoftheblockslabeledP,Q,RandS.

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

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

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

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

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[4]


2532

2209-6512


(Question F2 continued)

(b) Thegraphshowsthirteensampledvaluesofananaloguesignalasafunctionofthetime

atwhichthesamplingtookplace.

15.0

12.5

10.0

7.5

5.0

2.5

0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

Eachsampleisconvertedintoa4-bitbinarynumber,accordingtotheencodingscheme:

Signal / mV Sample / mV 4-bit binary

number

2.000–2.999 2 0010

3.000–3.999 3 0011

4.000–4.999 4 0100


V/mV

t/ms

2632

2209-6512

–27–

Turn over


(Question F2 continued)

Determine

(i) the4-bitbinarynumbercorrespondingtothesampleatt=0.07ms.

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

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(ii) thebit-rateofthedigitaltransmission.

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[2]

(c) Stateoneadvantageandonedisadvantageofincreasingthesamplingfrequencyusedto

sampleananaloguesignal.

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

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

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

[2]

2732

2209-6512


F3. This question is about optical fibres.

(a) Stateonecauseofattenuationandone cause of dispersion in an optical fibre.

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

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

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

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

[2]

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

Thesignalpowerinputis80mW.

(i) Calculatetheoutputpowerofthesignal.

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

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[2]

(ii) In order for the power of the output signal to be equal to the input power an amplifier is installed at the end of the fibre.

State the gain, in decibels (dB), of the amplifier at the end of the fibre.

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[1]

(c) The signal to noise ratio (SNR), in dB, is defined as SNRsignal

noise

=10logP

Pwhere Psignal

and

Pnoise arethepowersofthesignalandnoiserespectively.

The SNR of the signal in (b) before amplification was 20 dB. Calculate the SNR after amplification.

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2832

2209-6512

–29–

Turn over


Option G — Electromagnetic waves

G1. Thisquestionisaboutthecolourofthesky.

Outlinewhytheskyappearsblueduringthedayandredduringasunset.

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

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

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[2]

[2]

G2. Thisquestionisaboutimageformationinaconvexlens.

(a) Define near point.

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[1]

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

converginglens

objectF F

Onthediagramconstructraystolocatetheimageoftheobject. [2]


2932

2209-6512


(Question G2 continued)

(c) Aparticularlenshasafocallengthof9.0cmandtheimageisformedatthenearpoint

whichis25cmfromthelens.

Assumingthattheeyeisveryclosetothelensdetermine

(i) thedistanceoftheobjectfromthelens.

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

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(ii) the angular magnification of the lens.

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

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[1]

(d) The angular magnification of the lens increases with decreasing focal length.

Stateonedisadvantageofusingveryshortfocallengthlenses.

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

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3032

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–31–

Turn over


G3. Thisquestionisaboutinterference.

Monochromatic,coherentlightisincidentontwonarrowparallelslitswhosewidthsaresmall

comparedtotheirseparation.Afterpassingthroughtheslitsthelightisbroughttoafocusona

screenproducinginterferencefringes.PointXisthemidpointoftheslits.

screen

light

X

θslit

slit

Theangularpositionofapointonthescreenisdeterminedbytheangleθ .

(a) (i) Explainwhytheintensityoflightatθ = 0 willbeamaximum.

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

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(ii) The wavelength of light is 6 80 10 7. × − m and the separation of the slits is

1 13 10 4. × − m . Show that for the first order maximum θ = 6 02 10 3. × − rad .

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

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(Question G3 continued)

(iii) Ontheaxesbelowdrawagraphtoshowhowtheintensityoflightobservedonthe

screenvarieswithangleθ .(Youdonothavetoputnumbersontheverticalaxis.) [3]

Intensity

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

(b) Thetwoslitsarereplacedbyalargenumberofslitswhosewidthsandseparationarethe

sameasin(a).

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

(i) thevalueoftheintensityatθ = 0 .

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

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(ii) theangularpositionofthepointsofmaximumintensity.

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[1]

(iii) theangularwidthofthefringes.

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

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PHYSICS STANDARD LEVEL PAPER 3 - papers.xtremepape.rs · (This question continues on the following page) 0232. 2209-6512 ... Two stars, the same distance from Earth, are separated