Physics P3 HL nov 00 paper - NLCS Jejuvle.nlcsjeju.kr/pluginfile.php/11352/mod_resource/content/1...This particular date was chosen because at the place where the experiment was carried

[4]

G3. In order to help verify the General Theory of Relativity, the astronomer Arthur Eddington made

some measurements during a total eclipse of the Sun in 1919. What measurements did he make

and how did these provide experimental support for the General Theory of Relativity?

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– 23 – N00/430/H(3)

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8804-6503

– 21 –

Turn over

N04/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ0/XX+

G4. One prediction of Einstein’s general theory of relativity is the effect of “gravitational lensing”.

This effect can be predicted from the principle of equivalence.

(a) State the principle of equivalence.

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[1]

(b) Use the principle to explain gravitational lensing.

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[4]

2205-6509

– 22 – M05/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+

G3. This question is about General Relativity and experimental evidence to support it.

On 29 March 1919, an experiment was carried out by Eddington to provide evidence to support

Einstein’s General Theory of Relativity. The diagram below (not to scale) shows the relative

position of the Sun, Earth and a star S on this date.

Earth

S

Sun

orbit path of

Earth about Sun

This particular date was chosen because at the place where the experiment was carried out,

there was a total eclipse of the Sun.

Eddington measured the apparent position of the star and six months later, he again measured

the position of the star from Earth.

(a) State why it was necessary for there to be a total solar eclipse to carry out the experiment.

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[1]

(b) Explain why it was necessary to measure the position of the star six months later.

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[1]

(c) On the diagram, draw the path of a ray of light from S to the Earth as suggested by

Einstein’s theory. [1]

(This question continues on the following page)

2205-6509

– 23 –

Turn over

M05/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+

(Question G3 continued)

(d) Explain how Einstein’s theory accounts for the path of the ray that you have drawn.

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[2]

(e) On the diagram, label with the letter A, the apparent position of the star as seen from

Earth. [1]

G4. This question is about relativistic mechanics.

A proton is accelerated from rest through a potential difference. After acceleration the proton

has a mass equal to twice its rest mass, mp.

(a) State an expression in terms of mp, for the total energy E of the proton after acceleration.

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[1]

(b) Determine the momentum of the proton after acceleration given that the rest mass

mp 930 2MeVc MeVc–2.

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[3]

2205-6515

– 25 –

Turn over


G4. This question is about gravitational redshift.

Alex and Elspeth are in a spaceship that is moving with constant speed in the direction shown.

Close to Alex is a light source fixed to the floor of the spaceship. Both Alex and Elspeth

measure the same value for the frequency of the light emitted by the source.

Alex Elspeth

The spaceship now starts to accelerate.

(a) Explain why, to Elspeth, the light from the source close to Alex will now be observed to

emit light of a lower frequency.

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(b) Outline how the situation described in (a) leads to the idea of gravitational redshift.

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[2]

8805-6503

– 24 – N05/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ0/XX+

G4. This question is about General Relativity.

(a) State Einstein’s principle of equivalence.

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[1]

In a thought experiment, a laser is attached to the wall of a high-speed elevator (lift) as shown in

the diagram below. The laser is set to emit a beam parallel to the floor of the stationary elevator.

Laser

Elevator

The elevator is set in motion from the top of a tall building. While it is still accelerating

downward the laser beam is fired (shot 1), it is fired again (shot 2) once the elevator is moving

with constant velocity, and again (shot 3) as the elevator slows down.

(b) On the diagram, draw the path of the laser beam as seen by an observer in the elevator for

(i) constant speed, label this line C.

(ii) constant downward acceleration, label this line D.

(iii) constant upward acceleration, label this line U. [3]

(c) Explain how the paths you have drawn in (b) are consistent with the principle of

equivalence.

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[3]

2206-6509

– 17 –

Turn over


G4. This question is about evidence to support General Relativity.

(a) State the principle of equivalence.

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[2]

(b) The diagram below shows Earth, Sun and two distant stars A and B.

Earth

Sun

not to scale

star A

star B

(i) Add rays to the diagram to show the path of light from star A and star B to Earth. [2]

(ii) Describe briefly how Eddington’s observations provided evidence for the paths you

have drawn in (i).

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[2]

1725

2206-6509


G5. This question is about black holes.

(a) Describe, by reference to space-time, what is meant by a black hole.

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[2]

(b) After a particular star has become a supernova, its mass is 2 %1031 kg. Determine the

radius of the black hole it subsequently forms.

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[2]

1825

2206-6515


G5. This question is about space-time, gravitational lensing and black holes.

(a) State two conditions for the path of a particle to be represented as a straight-line on a

space-time diagram.

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

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[2]

(b) (i) Explain, with the aid of a diagram, what is meant by gravitational lensing.

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[3]

(ii) Outline one piece of experimental evidence for gravitational lensing.

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[3]


2431

2206-6515

– 25 –

Turn over



(c) Suggest two reasons why the planet Jupiter cannot become a black hole.

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

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

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8806-6503

– 25 –

Turn over


G4. This question is about general relativity.

(a) The diagram below shows a spaceship that is accelerating in the direction shown.

direction of acceleration

O

A B

A and B are two identical monochromatic light sources. The observer O is standing next

to the light source B and he measures the frequencies of the light emitted by the two

sources.

State how the frequency of the light from source A compares to the frequency of the light

from source B as measured by O.

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[1]

(b) The diagram below shows two identical monochromatic light sources X and Y that are at

different heights above the surface of the Earth.

X

Y

surface of the Earth

Explain how Einstein’s principle of equivalence relates the situation in (a) to the frequency

of the light emitted from the two sources as measured by an observer at X.

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2532

8806-6503



(c) An aircraft is flying at a height of 1.40 104 m above the surface of Earth. A warning light

on the surface of Earth emits a signal of wavelength 660 nm as measured by an observer

on the surface of Earth.

Estimate the difference in frequency of the signal as measured by the pilot of the

aircraft.

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2632

2207-6515

– 22 – M07/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ2/XX


(a) (i) By a reference to space-time, describe the nature of a black hole.

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(ii) By reference to your answer to (a), define the Schwarzchild radius.

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[1]

(iii) A star has a mass of 4.0 % 1031 kg. It evolves into a black hole.

Calculate the Schwarzchild radius of the black hole, stating any assumption that

you make.

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[2]


2229

2207-6515

– 23 –

Turn over

M07/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ2/XX


(b) A spacecraft approaches the black hole in (a)(iii). If it were to continue to travel in a

straight-line it would pass within 106 m of the black hole.

(i) Suggest what effect the black hole would have on the motion of the spacecraft.

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[1]

(ii) Explain gravitational attraction in terms of the warping of space-time by matter.

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[4]

2329

8807-6503


G5. Tony and Rosemary are in an accelerating spaceship as shown below.

Rosemary

direction of acceleration

Tony

Rosemary throws a ball in a direction horizontal to the floor that Tony is standing on.

(a) On the diagram above, draw the path of the ball as seen by Tony. [1]

(b) Describe how this situation relates to Einstein’s principle of equivalence.

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[3]

(c) Both Tony and Rosemary have a light source. When the acceleration of the spaceship is

zero the frequency of the light emitted, as measured by Tony and Rosemary, is the same.

State

(i) how the frequency of the sources compare to Rosemary when the spaceship is

accelerating in the direction shown.

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(ii) the name of the phenomenon you have used in your answer to (c)(i).

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[1]

2029

2208-6509

– 27 –

Turn over



(a) Define the Schwarzchild radius of a black hole.

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(b) Suggest why the Schwarzchild radius of a black hole is likely to increase with time.

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[2]

(c) The diagram shows a black hole with Schwarzchild radius R.

X

S

Schwarzchild radius

black hole

An observer at X sends a signal that is received by the spacecraft S.

(i) On the diagram, draw a line to indicate a possible path of the radio signal. [1]

(ii) Explain the path you have drawn.

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[2]

2732

8808-6503

– 21 –

Turn over


G4. This question is about spacetime and black holes.

(a) State

(i) what is meant by spacetime.

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[1]

(ii) the path followed by a point mass moving through spacetime.

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[1]

(b) Use your answers to (a)(i) and (ii) to describe what is meant by a black hole.

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[2]

2129

2209-6509


H5.

Schwarzschild radius [1]

104

Schwarzschild radius

probe to spacecraft

4 5 1014

3 0 1014

[1]

[2]

[2]

2840

8809-6503


H3.

[2]

[3]

30

[1]

2636

2210-6509


(Question H2 continued)

[3]

H3.

Schwarzschild radius [1]

31[2]


1828

2210-6509 Turn over



! singularity!

event horizon!

starship !

radio signal!

space station!

[2]

Rs

[3]

1928

2210-6515


H4.

[1]

[2]


2439

2210-6515 Turn over



a

a

a

a

[3]


2539

2210-6515



[1]

[3]

2639

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Physics P3 HL nov 00 paper - NLCS Jejuvle.nlcsjeju.kr/pluginfile.php/11352/mod_resource/content/1...This particular date was chosen because at the place where the experiment was carried