physics candidate session number standard level paper 3 · this question is about operational...

38 pages

M14/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX

Thursday 8 May 2014 (afternoon)

PHYSICS

STANDARD LEVEL

PAPER 3

INSTRUCTIONS TO CANDIDATES

• Write your session number in the boxes above.

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

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

• Write your answers in the boxes provided.

• A calculator is required for this paper.

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

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

Option Questions

Option A — Sight and wave phenomena 1 – 3

Option B — Quantum physics and nuclear physics 4 – 6

Option C — Digital technology 7 – 9

Option D — Relativity and particle physics 10 – 11

Option E — Astrophysics 12 – 14

Option F — Communications 15 – 17

Option G — Electromagnetic waves 18 – 19

1 hour

© International Baccalaureate Organization 2014

Examination code

2 2 1 4 – 6 5 1 8

Candidate session number

40EP01

22146518

– 2 – M14/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX

40EP02

Please do not write on this page.

Answers written on this page

will not be marked.

– 3 –

Turn over


40EP03

Option A — Sight and wave phenomena

1. This question is about the eye and sight.

(a) Greenlightisshoneontoayellowfilter.Statethecolourofthelightthatistransmittedthroughthefilter. [1]

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(b) (i) Awhite object is illuminatedwith equal intensities of red light and green lightat thesame time.State thecolour that theobjectwillappear toanobserver. [1]

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(ii) Anotherwhite object is viewed in bright sunlight. Outline, with reference tothe light-sensitive cells on the retina,why theobject is seenmore clearlywhenvieweddirectly rather thanfromthecornerof theeye. [2]

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(Option A continues on the following page)


40EP04

(Option A continued)

2. ThisquestionisabouttheDopplereffect.

(a) DescribewhatismeantbytheDopplereffect. [2]

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(b) Achildonacarousel(merry-go-round)moveswithaspeedof6.5ms–1 along a horizontal

circularpathABCDA.Astationaryobserverisatalargedistancefromthecarousel.

B

to stationary

observer

child 6.5ms–1

A C

D

ThechildblowsawhistlewhilemovingfrompositionBtopositionD.Thewhistleemitssoundoffrequency850Hz.Thespeedofsoundinairis330ms–1.

(i) Determinetheminimumfrequencyofthesoundheardbytheobserver. [2]

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–5–

Turn over


40EP05

(Option A, question 2 continued)

(ii) Describethevariationofthefrequencyofthesoundheardbytheobserver. [2]

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3. This question is about resolution and polarization.

(a) StatetheRayleighcriterion. [2]

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–6– M14/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX

40EP06


(b) A ship sails towards two stone towers built on land.

stone towers

ship

(nottoscale)

Emlyn,whoisontheship,viewsthetowers. ThepupilsofEmlyn’seyesareeachof diameter 2.0 mm. The average wavelength of the sunlight is 550 nm.

(i) CalculatetheangularseparationofthetwotowerswhentheimagesofthetowersarejustresolvedbyEmlyn. [1]

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(ii) Emlyncanjustresolvetheimagesofthetwotowerswhenhisdistancefromthetowersis11km.Determinethedistancebetweenthetwotowers. [2]

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– 7 –

Turn over


40EP07


(c) The intensity of the sunlight suddenly increases. As a result, there is a change in the distance between Emlyn and the towers at which their images are just resolved. Stateandexplain,withreferencetotheresponseoftheeye,howthisdistancechanges. [3]

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(d) Emlynputsonapairofpolarizingsunglasses.Explainhowthesesunglassesreducetheintensityof the light, reflectedfromthesea,thatentersEmlyn’seyes. [2]

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End of Option A


40EP08

Option B — Quantum physics and nuclear physics

4. Thisquestionisaboutwave–particleduality.

(a) DescribewhatismeantbythedeBrogliehypothesis. [2]

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(b) Aparticleofmass6.4×10–27kgandcharge3.2×10–19Cisacceleratedfromrestthroughapotentialdifferenceof25kV.

(i) Calculatethekineticenergyoftheparticle. [1]

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(ii) DeterminethedeBrogliewavelengthoftheparticle. [3]

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(Option B continues on the following page)

– 9 –

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40EP09

(Option B continued)

5. Thisquestionisaboutatomicspectra.

(a) Explainhowatomiclinespectraprovideevidencefortheexistenceofdiscreteelectronenergylevelsinatoms. [3]

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40EP10

(Option B, question 5 continued)

(b) Thediagramshowssomeoftheenergylevelsofahydrogenatom.

energy/eV

– 0.85– 1.51

– 3.40

– 13.6 ground state

(i) Calculate the wavelength of the photon that will be emitted when an electronmovesfromthe– 3.40eVenergyleveltothe– 13.6eVenergylevel. [3]

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(ii) State and explain if it is possible for a hydrogen atom in the ground state toabsorbaphotonwithanenergyof12.5eV. [2]

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– 11 –

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40EP11

(Option B continued)

6. Thisquestionisaboutradioactivedecay.

(a) Definethedecay constantofaradioactiveisotope. [1]

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(b) Showthatthedecayconstantλisrelatedtothehalf-life 12

T bytheexpression

12

ln 2Tλ = . [2]

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(c) Strontium-90isaradioactiveisotopewithahalf-lifeof28years.Calculatethetimetakenfor65%ofthestrontium-90nucleiinasampleoftheisotopetodecay. [3]

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End of Option B


40EP12

Option C — Digital technology

7. Thisquestionisaboutdigitaldevices.

(a) A22Vanaloguesignalisconvertedintoadigitalsignal.

(i) Determinethebinarynumberthatcorrespondsto22. [1]

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(ii) Outlinehowthisdigitalsignalisstoredonthecompactdisc(CD). [2]

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(iii) DescribehowtheinformationstoredontheCDisrecovered. [2]

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(Option C continues on the following page)

– 13 –

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40EP13

(Option C, question 7 continued)

(b) Digitalinformationcanalsobestoredonacharge-coupleddevice(CCD).

(i) Light incident on a pixel results in a potential difference being developedacross the pixel. State the property of the incident light that is proportional to potentialdifference. [1]

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(ii) PhotonsincidentonthepixelofaparticularCCDdeliveranenergyof4.5×10–16 J

tothepixel.Thefrequencyofthephotonsis6.2×1014Hz.Thequantumefficiencyof a pixel is 84% and the capacitance of the pixel is 25pF. Determine the potentialdifferencedevelopedacross thepixel. [4]

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40EP14

(Option C continued)

8. Thisquestionisaboutoperationalamplifiers(op-amps).

(a) Thediagramshowsaninvertingamplifier.

RF

VIN

R

(zerovoltline) VOUT

Theop-ampoperateswithapowersupplyof±6.0V.TheresistanceofRFis75kΩandtheresistanceofRis15kΩ.

(i) Stateonepropertyofanidealop-amp. [1]

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(ii) Determinetheclosedloopgainoftheinvertingamplifier. [1]

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(iii) Calculatetheinputvoltageatwhichpositivesaturationisachieved. [1]

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40EP15

(Option C, question 8 continued)

(b) The input voltageV to the inverting amplifier in (a) varies with time t according to the graph.

V/V 6

4

2

0

– 2

– 4

–6

10 2 3 4t / ms

Ontheaxes,sketchagraphtoshowhowtheoutputvoltagevarieswithtime. [3]

9. This question is about the mobile phone system.

AtrainpassengerinFrancehasa10minuteconversationonhermobilephonewithafriendinCanada. Outline the roleofbasestations, thecellularexchangeand thepublic switchedtelephonenetwork(PSTN)inthisphonecall. [4]

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End of Option C


40EP16

Option D — Relativity and particle physics

10. Thisquestionisaboutrelativistickinematics.

ThediagramshowsaspaceshipasitmovespastEarthonitswaytoaplanetP.TheplanetisatrestrelativetoEarth.

0.60c

spaceship

Earth

12 ly

planet P

The distance between the Earth and planet P is 12ly as measured by observers on Earth. Thespaceshipmoveswithspeed0.60crelative toEarth.

Considertwoevents: Event1: whenthespaceshipisaboveEarth Event2:whenthespaceshipisaboveplanetP

JudyisinthespaceshipandPeterisatrestonEarth.

(a) State the reasonwhy the time interval between event 1 and event 2 is a proper timeintervalasmeasuredbyJudy. [1]

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(b) (i) Calculatethetimeintervalbetweenevent1andevent2accordingtoPeter. [1]

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(Option D continues on the following page)

– 17 –

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40EP17

(Option D, question 10 continued)

(ii) Calculatethetimeintervalbetweenevent1andevent2accordingtoJudy. [2]

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(c) Judyconsidersherselftobeatrest.AccordingtoJudy,theEarthandplanetParemovingtotheleft.

(i) Calculate,accordingtoJudy,thedistanceseparatingtheEarthandplanetP. [1]

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(ii) Usingyouranswersto(b)(ii)and(c)(i),determinethespeedofplanetPrelativetothespaceship. [1]

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(iii) Commentonyouranswerto(c)(ii). [1]

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40EP18


(d) At a point half-way between the Earth and planet P, the spaceship passes a space station that is at rest relative to theEarth and planet P. At that instant, radio signalsare sent towards the spaceship from theEarth and planet P. The signals are emittedsimultaneouslyaccordingtoanobserverSatrestonthespacestation.

0.60c

Earth

spaceship

observerS

planet P

spacestation

Determine,accordingtoJudyinthespaceship,whichsignalisemittedfirst. [3]

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– 19 –

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40EP19

(Option D continued)

11. Thisquestionisaboutfundamentalinteractions.

(a) ThekaonisahadronwhosequarkstructureisK us+ = .

(i) StateandexplainwhetherthePauliexclusionprincipleappliestokaons. [2]

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(ii) Energy is supplied to the kaon in order to break up the particle into its constituent quarks. Predict, by reference to quark colour, what will happen as moreandmoreenergyisprovidedtotheK+. [3]

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40EP20


(b) The kaon (K us )+ = decays into an antimuon and a neutrino as shown by the Feynmandiagram.

u

s

+µ

µν

(i) ExplainwhythevirtualparticleinthisFeynmandiagrammustbeaweakinteractionexchangeparticle. [2]

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(ii) Themassofthevirtualparticlein(b)(i)isapproximately80GeVc–2. Estimate the

rangeoftheweakinteraction. [2]

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(c) A student claims that theK+ is produced in neutron decays according to the reactionn K e+ −→ + .Stateonereasonwhythisclaimisfalse. [1]

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End of Option D

– 21 –

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40EP21



will not be marked.


40EP22

Option E — Astrophysics

12. Thisquestionisaboutobjectsintheuniverse.

(a) Stateonedifferencebetween

(i) amainsequencestarandaplanet. [1]

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(ii) astellarclusterandaconstellation. [1]

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(Option E continues on the following page)

– 23 –

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40EP23

(Option E, question 12 continued)

(b) Statehow

(i) itisknownthatmainsequencestarsaremadepredominantlyofhydrogen. [1]

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(ii) amainsequencestarremainsinequilibriumdespiteithavingagreatmass. [1]

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(c) Thegraphshowsthevariationwithwavelengthoftheintensityofamainsequencestar.

intensity

100 200 300 400 500 600 700 800 wavelength/nm

Calculatethesurfacetemperatureofthisstar. [2]

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40EP24

(Option E continued)

13. ThisquestionisaboutaCepheidstar.

(a) ThegraphshowsthevariationwithtimetoftheapparentmagnitudemofaparticularCepheidstar.

m

15.2

15.3

15.4

15.5

15.6

15.7

15.8

15.90 2 4 6 8 t / days

State

(i) whatapparentmagnitudeisameasureof. [1]

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(ii) thereasonforthevariationofthestar’sapparentmagnitude. [1]

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–25–

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40EP25

(Option E, question 13 continued)

(b) The period T, in days, of variation of the apparent magnitude is related to the averageabsolutemagnitudeMof thestarin(a) through theequationbelow.

(2.81 lg ) 1.43M T= − × −

Determinethedistancetothestar. [5]

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(c) The apparent brightness of the Cepheid star is 14 21.5 10 Wmb − −= × . Determine the

luminosityofthestar. [3]

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40EP26

(Option E continued)

14. Thisquestionisaboutthecosmicmicrowavebackground(CMB)radiation.

(a) Statetwocharacteristicsofthecosmicmicrowavebackground(CMB)radiation. [2]

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

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

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(b) ExplainhowCMBradiationisevidencefortheBigBangmodelofanexpandinguniverse. [2]

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End of Option E

– 27 –

Turn over


40EP27



will not be marked.


40EP28

Option F — Communications

15. This question is about modulation.

(a) (i) Explainwhatismeantbyfrequencymodulation(FM). [2]

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(ii) The graph shows the variation with time t of the voltage V of a frequencymodulatedcarrierwave.Theamplitudeofthesignalwaveis1.0V.

V/V 1.5

1.0

0.5

0.0

–0.5

–1.0

–1.5

1.0 2.0 2.51.50.50.0 t/μs

Ontheaxes,drawasketchgraphtoshowthevariationwithtimetofthevoltageofthesignalwave. [2]

(Option F continues on the following page)

– 29 –

Turn over


40EP29

(Option F, question 15 continued)

(b) Usingthegraphin(a)(ii),determinethefrequencyofthe

(i) carrierwave. [1]

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(ii) signalwave. [2]

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(c) State one advantage and one disadvantage of FM modulation compared to amplitudemodulation(AM). [2]

Advantage:

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Disadvantage:

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40EP30

(Option F continued)

16. This question is about sampling.

Ananaloguesignal issampled. Thegraphshowsthevariationwithtime tof thevoltageV

ofeachsample.

V/V

12

10

8

6

4

2

00 0.5 1.0 1.5 2.0 t / ms

Thevoltageineachsampleisroundedtothenearestinteger.

(a) Determinethesamplingfrequency. [2]

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– 31 –

Turn over


40EP31


(b) Thehighestvoltage inasample is12V. Determine theminimumnumberofbits thatare required inorder to representeachsample. [2]

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(c) Calculatethebinaryequivalentoftheseventhsample. [1]

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40EP32

(Option F continued)

17. Thisquestionisaboutdigitaltransmissionandopticalfibres.

(a) Statewhatismeantbyattenuation. [1]

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– 33 –

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40EP33


(b) A digital signal is to be transmitted along an optic fibre. The signal to noise ratiosignal

noise

that is 10lgP

P

inthefibremustnotfallbelow35dB.

Thefollowingdataareavailable.

Attenuationperunitlengthoftheopticfibre= 2.6dBkm–1

Poweroftheinputsignalis signalP = = 88mW

NoisepowerinthefibreisconstantatnoiseP = = 52pW

(i) Determine, using the data, the greatest distance the signal can travel before itmust be amplified. [3]

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(ii) Theopticfibrehasatotallengthof5600km.Thetotaltransmissiontimealongthelengthofthefibreis28ms.Estimatetherefractiveindexofthecoreofthefibre. [2]

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End of Option F


40EP34

Option G — Electromagnetic waves

18. Thisquestionisaboutamagnifyingglassandatelescope.

(a) A thin converging (convex) lens is used as a magnifying glass. Object O is placedbetweenafocalpointofthelensandthecentreofthelens.Thefocalpointsofthelensareshown,labelledF.

O

F F

convexlens

(i) Definethetermfocal point. [2]

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(ii) On thediagram,construct rays to locate thepositionof the imageof theobject.Label the image I. [3]

(Option G continues on the following page)

–35–

Turn over


40EP35

(Option G, question 18 continued)

(b) Thepositionofthelensin(a)ischangedsothatavirtualimageoftheobjectisformedatthenearpointoftheeye.Theeyeisveryclosetothelens.

(i) Definethetermnear point. [1]

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(ii) Outlinetheadvantageofhavingtheimagepositionedatthenearpointoftheeye. [1]

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(c) The lens in (a) has a focal length of 6.0cm and is now used as the eyepiece of anastronomicaltelescope.Theobjectivelensofthetelescopehasafocallengthof90cm.Thetelescopeisusedinnormaladjustment.

(i) Statetheseparationoftheobjectivelensandtheeyepiecelens. [1]

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(ii) Determinetheangularmagnificationofthetelescope. [2]

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40EP36

(Option G continued)

19. Thisquestionisaboutinterference.

Lightfromalaserisincidentontwoidenticalparallelslits.Thelightfromthetwoslitsproducesafringepatternonascreen.

light

Abrightfringe

Bdarkfringe

Cbrightfringe

twoslits screen (nottoscale)

AcentralbrightfringeisproducedatC.ThenextbrightfringeisproducedatA.Thereisa darkfringeatB.

(a) The light from the laser is coherent andmonochromatic. Outline what is meant by the term

(i) coherent. [1]

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(ii) monochromatic. [1]

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– 37 –

Turn over


40EP37


(b) StatethephasedifferencebetweenthelightwavesfromthetwoslitsthatmeetatB. [1]

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(c) Thedistancefromthetwoslitstothescreenis1.5m.ThedistanceBCis1.8mmandthedistancebetween theslits is0.30mm.

(i) Showthatthelaserproduceslightofwavelengthequalto720nm. [3]

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(ii) Statethepathdifference,inmetres,betweenthewavesthatmeetatB. [1]

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40EP38


(d) The light from the laser isnow incidentnormallyonadiffractiongrating. Theanglebetweenthethird-orderintensitymaximais78.

light,λ = 720nm 78

third-order,n = 3

third-order,n = 3

diffractiongrating

Determinethenumberoflinespermetreofthediffractiongrating. [3]

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End of Option G



will not be marked.

40EP39



will not be marked.

40EP40

physics candidate session number standard level paper 3 · this question is about operational...

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