Physics Candidate session number sTANDARD level …SL+May+11+TZ1...Physics sTANDARD level PAPeR 3 ... An experiment is carried out to measure the speed of sound in air ... Option B

36 pages

M11/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX

Thursday 12 May 2011 (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.•Write your answers in the boxes provided.

1 hour

© International Baccalaureate Organization 2011

Examination code

2 2 1 1 – 6 5 1 2

Candidate session number

0 0

22116512

0 1 3 6

–2– M11/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ1/XX

Option A — Sight and wave phenomena

A1. Thisquestionisaboutstanding(stationary)waves.

(a) Describetwowaysthatstandingwavesaredifferentfromtravellingwaves. [2]

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

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

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(b) Anexperimentiscarriedouttomeasurethespeedofsoundinair,usingtheapparatusshownbelow.

tuningfork,frequency440Hz

tube

tankofwater

Atubethatisopenatbothendsisplacedverticallyinatankofwater,untilthetopofthetubeisjustatthesurfaceofthewater.Atuningforkoffrequency440Hzissoundedabovethetube.Thetubeisslowlyraisedoutofthewateruntiltheloudnessofthesoundreachesamaximumforthefirsttime,duetotheformationofastandingwave.

(i) Explaintheformationofastandingwaveinthetube. [2]

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(This question continues on the following page)

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–3–

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(Question A1 continued)

(ii) Statethepositioninthetubethatisalwaysanode. [1]

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(iii) The tube is raiseda little further. Explainwhy the loudnessof the sound isnolongeratamaximum. [3]

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(c) Thetubeisraiseduntiltheloudnessofthesoundreachesamaximumforasecondtime.Betweenthetwopositionsofmaximumloudness,thetubehasbeenraisedby36.8cm.Thefrequencyofthesoundis440Hz.Estimatethespeedofsoundinair. [2]

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0 3 3 6


A2. ThisquestionisabouttheDopplereffect.

Thesoundemittedbyacar’shornhasfrequencyf,asmeasuredbythedriver.Anobservermovestowardsthestationarycaratconstantspeedandmeasuresthefrequencyofthesoundtobe ′f .

(a) Explain,usingadiagram,anydifferencebetween ′f .andf. [3]

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(b) The frequencyfis 3 00 102. × Hz. An observer moves towards the stationary carat a constant speed of15 0 1. .ms− Calculate the observed frequency ′f .of the sound.Thespeedofsoundinairis3 30 102 1. .× −ms [2]

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0 4 3 6

–5–

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A3. Thisquestionisaboutopticalresolutionandaccommodation.

Awomaniswalkingalongastraightpath,whichisatrightanglestoatelephoneline,asshowninthediagrambelow.Twobirdsareperchedontheline,0.40mapart.

woman path

birds

telephone line

0.40 m

D

(diagram not to scale)

Thediameterofthepupilofthewoman’seyeis2.5mmandtheaveragewavelengthofvisiblelightis550nm.

(a) UsetheRayleighcriteriontoestimatethedistanceDatwhichthewomanwill justbeabletoseetwoseparatebirds. [3]

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(b) Thewomanlooksdownatherwatchandisabletofocusonitclearly.Explainhowhereyesareabletofocusonnearobjectsaswellasfarobjects. [2]

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0 5 3 6


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Answerswrittenonthispagewillnotbemarked.

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–7–

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Option B — Quantum physics and nuclear physics

B1. Thisquestionisaboutthephotoelectriceffect.

In an experiment to investigate the photoelectric effect, light of frequencyfis incident onthemetalsurfaceA,showninthediagrambelow.ApotentialdifferenceisappliedbetweenAandB.Thephotoelectriccurrentismeasuredbyasensitiveammeter.(Note:thecompleteelectricalcircuit isnotshown.)

A B

light

evacuated tube

Whenthefrequencyofthelightisreducedtoacertainvalue,thecurrentmeasuredbytheammeterbecomeszero.ExplainhowEinstein’sphotoelectrictheoryaccountsforthisobservation. [4]

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A

window

0 7 3 6


B2. Thisquestionisaboutatomicspectra.

Diagram1showssomeoftheenergylevelsofthehydrogenatom.Diagram2isarepresentationofpartoftheemissionspectrumofatomichydrogen. Thelinesshownrepresenttransitionsinvolvingthe–3.40eVlevel.

Diagram 1 Diagram 2

– 3.40

– 0.378– 0.544

– 0.850

– 1.51

411 435 488 658

ener

gy /

eV

λ / nm

(a) Deducethattheenergyofaphotonofwavelength658nmis1.89eV. [3]

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0 8 3 6

–9–

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(Question B2 continued)

(b) (i) Ondiagram 1,drawanarrowtoshowtheelectrontransitionbetweenenergylevelsthatgivesrisetotheemissionofaphotonofwavelength658nm.LabelthisarrowwiththeletterA.

(ii) Ondiagram 1,drawarrowstoshowtheelectrontransitionsbetweenenergylevelsthatgiverisetotheemissionofphotonsofwavelengths488nm,435nmand411nm.LabelthesearrowswiththelettersB,CandD.

[1]

[1]

(c) Explainwhythelinesintheemissionspectrumofatomichydrogen,shownindiagram 2,becomeclosertogetherasthewavelengthoftheemittedphotonsdecreases. [3]

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B3. Thisquestionisaboutradioactivedecay.

Iodine-124(I-124)isanunstableradioisotopewithprotonnumber53.Itundergoesbetaplusdecaytoformanisotopeoftellurium(Te).

(a) StatethereactionforthedecayoftheI-124nuclide. [2]

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(b) Thegraphbelowshowshowtheactivityofasampleofiodine-124changeswithtime.

16

14

12

10

8

6

4

2

00 2 4 6 8 10 12 14 16

time / days

activity/×107Bq


1 0 3 6

–11–

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(Question B3 continued)

(i) Statethehalf-lifeofiodine-124. [1]

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(ii) Calculatetheactivityofthesampleat21days. [3]

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(iii) A sample of an unknown radioisotope has a half-life twice that of iodine-124and thesameinitialactivityas thesampleof iodine-124. Ontheaxesopposite,draw a graph to show how the activity of the samplewould changewith time.LabelthisgraphX. [1]

(iv) Asecondsampleofiodine-124hashalftheinitialactivityastheoriginalsampleofiodine-124.Ontheaxesopposite,drawagraphtoshowhowtheactivityofthissamplewouldchangewithtime.LabelthisgraphY. [1]

1 1 3 6


Option C— Digital technology

C1. Thisquestionisaboutanalogueanddigitalstorage.

Aspartofaphysicslesson,IsobelandClaireeachmakeanaudiorecordingoftheirteacher.Theythencomparethequalityof theirrecordings. Isobel’srecordingis inanalogueformatwhereasClaire’srecordingisdigitalandstoredonaCD.

(a) StateonepossibleanaloguemethodofstorageusedbyIsobel. [1]

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(b) Thefirsttimetherecordingsareplayed,theirqualitiesareidentical.Outlinewhetherthequalityofeachrecordingisexpectedtoremainthesameaftermanyuses. [2]

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(c) Use the following information to determine the number of bits used in Claire’sdigitalrecording.

Totaltimeofrecording = 30minutesSamplingfrequency = 40kHzFormatofrecording = Stereo(2channels)Numberofbitspersample = 16

[2]

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1 2 3 6

–13–

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C2. Thisquestionisaboutcharge-coupleddevices(CCDs).

AnimageofthesurfaceoftheEarthisrecordedbyadigitalcamerafromanaeroplane.Eachimagecovers144km2oftheEarth’ssurfaceandisrecordedbyasquareCCDofarea36cm2.

(a) Calculatethemagnificationofthesystem. [2]

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(b) TheCCDcontains1 0 108. × pixels.DeducetheminimumdistancebetweentwopointsonEarththatcanberesolvedbythiscamera. [2]

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(c) ItisproposedtoimprovethequantumefficiencyoftheCCD.Statetheeffect,ifany,ontheresolutionofthesystem. [1]

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1 3 3 6


C3. 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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(Question C3 continued)

(c) ExplainhowaSchmitttriggercanbeusedtoreshapeadigitalpulse. [3]

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C4. Thisquestionisaboutamobilephonenetwork.

Erinisapassengeronatrainmakingacalltoastandardfixedtelephoneline(“landline”)fromhermobilephone.ThetrainmovesErinbetweenadjacentcommunicationcells.Outlinethechanges,ifany,thattakeplaceinthe

(a) cellularexchange. [1]

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(b) publicswitchedtelephonenetwork(PSTN). [1]

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Option D — Relativity and particle physics

D1. 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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1 6 3 6

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(Question D1 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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(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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D2. 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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1 9 3 6



(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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(e) Explainwhy,accordingtothequarkmodel,itisnotpossibleforaparticletoconsistoftwoupquarksonly. [2]

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Pleasedo notwriteonthispage.

Answerswrittenonthispagewillnotbemarked.

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Option E — Astrophysics

E1. Thisquestionisaboutsomeoftheplanetsinthesolarsystem.

FouroftheplanetsinthesolarsystemareMars,Venus,JupiterandNeptune.

(a) ListtheseplanetsinorderofincreasingdistancefromtheSun.

NearesttheSun

FurthestfromtheSun

[2]

(b) Listtheseplanetsinorderofdecreasingdiameter.

Largestdiameter

Smallestdiameter

[2]

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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]


2 4 3 6

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(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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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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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]

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(ii) frequencyoftheaudiosignal. [1]

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(iii) bandwidthofthissignal. [1]

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2 7 3 6


(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: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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2 8 3 6

–29–

Turn over


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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2 9 3 6



(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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3 0 3 6

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Turn over



(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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Option G — Electromagnetic waves

G1. Thisquestionisaboutdispersion.

(a) Stateanapproximatevalueforthewavelengthofvisiblelight. [1]

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

(b) Describewhatismeantbydispersion. [2]

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3 2 3 6

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Turn over


(Question G1 continued)

(c) Anarrowbeam,consistingofamixtureofredandbluelight,isincidentuponarectangularglassblock.Thenormaltotheincidentsurfaceisshown.

air

glass

normal incident red and blue beams

Onthediagramabove,drawlabelledlinestoshowthepathsoftheredandbluebeams,astheypassthroughtheglassblockandouttotheairontheotherside. [2]

3 3 3 6


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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–35–

Turn over


(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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Physics Candidate session number sTANDARD level …SL+May+11+TZ1...Physics sTANDARD level PAPeR 3 ... An experiment is carried out to measure the speed of sound in air ... Option B