PHYSICS STANDARD LEVEL PAPER 3 - Xtreme · This question is about relativistic kinematics. A...

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

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Option A — Sight and wave phenomena

A1. Thisquestionisaboutvisionandresolution.

(a) Comparescotopicwithphotopicvision.

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(b) Thegraph shows thevariationwithwavelength of the sensitivity I, of the rodandtheconecellsofahumaneye.

rods

SensitivityI

0

cones

400 450 500 550 600 650 700Wavelength λ / nm

(This question continues on the following page)

0 2 3 2

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(Question A1 continued)

Aredpieceofpaperandabluepieceofpaperarebothviewedinverylowintensitylight.Eachpieceofpaperreflectsthesameintensityoflight.

Withreferencetothegraph,stateandexplainwhichoneofthetwopiecesofpaperwillbemoreclearlyvisible.

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(c) Thediameterofthepupilofahumaneyeis1.5mm.

(i) Calculatetheminimumangularseparationof twopoints thatcanberesolvedbythehumaneyeforlightofwavelength680nm.

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(ii) Twostars,thesamedistancefromEarth,areseparatedbyadistanceof4 0 1013. × m.Bothstarsemitlightofwavelength680nm.

ThetwostarsarejustresolvedbyanobserveronEarth.Estimatethedistancetothetwostars.

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A2. Thisquestionisaboutpolarization.

(a) Statewhatismeantbypolarizedlight.

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(b) Arayoflightisincidentonthesurfaceofalake.Theangleofincidenceisφ.

incident ray

normal

air

water

reflected ray

φ

Thereflectedlightiscompletelypolarizedhorizontally.Therefractiveindexofwaterisn.

(i) Onthediagram abovedrawtherefractedray.

(ii) Usethediagramtodeducetherelationshipbetweenφandn.

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(iii) Therefractiveindexofthewateris1.3.Calculatethevalueofφ.

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[1]

0 4 3 2

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A3. ThisquestionisabouttheDopplereffect.

(a) StatewhatismeantbytheDopplereffect.

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(b) Ultrasoundoffrequency5.2MHzisdirectedfromastationarysourcetowardsredbloodcells in an artery. A simplifieddiagram is shownbelow inwhich theblood cells aretravellinginthesamedirection.

The ultrasound is reflected from the cells and is received back at the source.The measured frequency shift is 3.5kHz. The speed of ultrasound in blood isc =1 5 103 1. × −ms .Thefrequencyshiftisdeterminedfrom ∆ =f

f

v

c

2 .

(i) Statethesignificanceofthefactorof2intheformulaforthefrequencyshift.

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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 thewavelengthofthelightincidentonthesurfaceisbelowacertainvaluecalledthethresholdwavelength.

Explainthisobservation.

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(b) A monochromatic source of power 3.0W emits light of wavelength 4 60 10 7. × − m .Allofthelightisincidentonametalsurfaceandcauseselectronstobeemittedatarateof 4 0 1010 1. × −s .Thethresholdwavelengthofthemetalis5 50 10 7. × − m.

Calculatethe

(i) photoelectriccurrent.

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(ii) workfunctionofthemetal.

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(iii) theratiooftherateofelectronemissiontotherateatwhichthephotonsareincidentonthemetal.

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(Question B1 continued)

(c) Lightfromadifferentsourceisincidentonthemetalin(b).Thenewsourcehaspower6.0Wandemitslightofwavelength9 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 wavefunctionΨ of an electron at aparticularinstantoftime.Theelectronisconfinedwithinaregionoflength2 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 andthecarbonisotope 6

12C .Differencesinenergybetweenthelevelsareindicatedonthediagram.Aparticularbetadecayofboronandagammadecayofcarbonaremarkedonthediagram.

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 decayindicated.

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(c) Explainwhytheelectronsemittedintheindicatedbetadecayofborondonotalwayshavethekineticenergycalculatedin(b).

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Option C— Digital technology

C1. Thisquestionisaboutthecompactdisc(CD).

ThediagramshowslightfromalaserthatisincidentonaCD.

ThereflectedlightisusedtoreadthedatastoredontheCD.Thedepthofthepitsisdandthewavelengthofthelightis .

(a) Explaintherelationshipbetween anddthatallowsthelaserbeamtodetecttheedgeofapit.

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(b) Thewavelengthofthelaserlightis640nm.Calculatethepitdepthd.

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light

pitedge

land

d

land

pit

1 0 3 2

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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 nm 1900 nm spiral track

InformationisstoredontheCDwithasamplingfrequencyof44.1kHz.Eachsampleconsistsoftwo16bitbinarynumbers.

(i) The total lengthof thespiralon theCDisapproximately5km. Onaverage thenumberofbitsstoredonaCDisequaltofourtimesthenumberofpits.ShowthatthestoragecapacityofthisCDisapproximately5 109× bits .

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

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[2]

(d) Describeoneadvantage,otherthanamountofdata,ofstoringmusiconaCDratherthanonavinylLPrecord.

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

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[1]

1 1 3 2

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C2. Thisquestionisabouttheoperationalamplifier.

Diagram1showsanon-invertingamplifiercircuit.

Diagram 1

+

–

0V

90 k

10 k

Vin

Vout

0V

(a) Suggestwhytheamplifierisreferredtoasnon-inverting.

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

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

[1]

(b) Theinputvoltagefortheamplifierin(a)isVin mV= 2 0. .

Calculate

(i) thegainGoftheamplifier.

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

[1]

(ii) theoutputvoltageVout .

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

[1]


1 2 3 2

2209-6512

–13–

Turn over



(c) Diagram2showsaparticularnon-invertingamplifier.

Diagram 2

+

– Vout

0V 0V

Vin

Explain, in terms of the properties of an op-amp,why the gain of this non-invertingamplifierisequalto1.

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

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[3]


1 3 3 2

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(d) Diagram 3 shows a circuit in which the battery has an emf of 6.0V and negligibleinternalresistance.Two 2 0. MΩ resistorsareconnectedinseriestothebattery.

Diagram 3

A

B

6.0 V

2.0 MΩ

2.0 MΩ

(i) StatethevalueofthepotentialdifferencebetweenpointsAandB.

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

[1]

(ii) Avoltmeterofresistance100 kΩ isusedtomeasurethepotentialdifferenceacrosspointsAandB.

Statewhythereadingonthevoltmeterisnotequaltothevaluestatedin(d)(i).

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

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[1]


1 4 3 2

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–15–

Turn over



(iii) Thecircuitindiagram3ismodifiedtoincludethecircuitshownindiagram2.

Diagram 4

2.0 MΩ

2.0 MΩ

V

6.0 VA

B

+

100 k

Explainwhythevoltmeterreadsthevalueofthepotentialdifferenceasstatedin(d)(i).

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

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[2]

1 5 3 2

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Option D — Relativity and particle physics

D1. Thisquestionisaboutsimultaneity.

Albert is at restwith respect to the ground. Hermann is in a carriage that ismovingwithspeedv relative toAlbert in thedirectionshown. Twoflashesof lightareemittedfromthebackandthefrontof thecarriage. AccordingtoHermann’sclocktheyarriveatHermann’spositionsimultaneously.

vHermann

Albert

Explainwithreferencetotheconceptofpropertime,whythearrivalofthelightpulsesatHermannwillalsobesimultaneoustoAlbert.

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

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[3]

1 6 3 2

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–17–

Turn over


D2. Thisquestionisaboutrelativistickinematics. AspacecraftleavesEarthataspeedof0.80casmeasuredbyanobserveronEarth.Itheads

towards,andcontinuesbeyond,adistantplanet.Theplanetis52lightyearsawayfromEarthasmeasuredbyanobserveronEarth.

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 20yearsold.

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]

1 7 3 2

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D3. Thisquestionisaboutfundamentalinteractions. Thediagrambelowshowsaninteractionvertexoftheweakinteraction.

Z0

chargedfermion

chargedfermion

(a) (i) DrawaFeynmandiagram,fortheprocesse e− + − ++ → +µ µ usingtheinformationgiveninthediagramabove. [1]

(ii) IdentifythevirtualparticleintheFeynmandiagramthatyoudrewin(a)(i).

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

[1]

(b) Theclosestdistancebetweentheelectron-positronpairandthemuon-antimuonpairinthereaction e e− + − ++ → +µ µ isapproximately9 10 19× − m.

Usethisinformationtoestimatethemassofthevirtualparticlein(a)(ii).

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

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[3]

1 8 3 2

2209-6512

–19–

Turn over


D4. Thisquestionisaboutquarks. The diagram below shows the eight spin 1

2 baryonsmade out of the three lightest quarks,the up (u), the down (d) and the strange (s). In this plot baryons belonging to the samehorizontallinehavethesamestrangeness(S)andthosealongthesameslantedlinehavethesamecharge(Q).

Q =–1 Q =0 Q =1

S =0

S =–1

S =–2

(a) (i) Onthediagramabovedrawacirclearoundthepointrepresentingtheneutron. [1]

(ii) Statethequarkcontentoftheneutron.

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

[1]

(b) TheΞ− baryonisunstableanddecaysaccordingtothereactionΞ Λ− −→ +0 π .

ThequarkcontentoftheparticlesinvolvedisΞ− = ssd ,Λ0 = uds andπ− = du .

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

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

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[3]

1 9 3 2

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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]


2 0 3 2

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–21–

Turn over


(Question E1 continued)

(c) ThesurfacetemperatureofMirais5timeslowerthanthatofAchernar.EstimatetheratioR

R

M

A

whereRMistheradiusofMiraandRA

istheradiusofAchernar.

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

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[3]

(d) Stateandexplainwhichofthestarsinthetablein(b)isawhitedwarf.

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

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[3]

2 1 3 2

2209-6512


E2. Thisquestionisaboutcosmicmicrowavebackgroundradiation.

Thegraphshowsthespectrumofthecosmicmicrowavebackgroundradiation.

0

01 2

/ mm

Intensity

3

The shape of the graph suggests a black body spectrum i.e. a spectrum towhich theWiendisplacementlawapplies.

(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 theBigBangmodel.

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

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[2]

2 2 3 2

2209-6512

–23–

Turn over


Blankpage

2 3 3 2

2209-6512


Option F— Communications

F1. Thisquestionisaboutamplitudemodulation(AM).

ThegraphshowsthepowerspectrumofanAMcarrierwave.

Power

f / kHz

2880 2920 2960 3000 3040 3080 3120

(a) Usethegraphtodeterminethe

(i) frequencyofthecarrierwave.

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

[1]

(ii) frequencyofthesignalwave.

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

[1]

(iii) bandwidthofthetransmittedsignal.

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

[1]

(b) Abroadcastingcompanyhasbeengivenpermissiontobroadcastinafrequencyrangeof320kHz.Thetransmissionshavethebandwidthfoundin(a)(iii).

Determinehowmanyradiostationsthecompanycanoperateinthisfrequencyrange.

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

[1]

2 4 3 2

2209-6512

–25–

Turn over


F2. Thisquestionisabouttransmissionandsamplingofsignals.

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

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]


2 5 3 2

2209-6512


(Question F2 continued)

(b) Thegraphshowsthirteensampledvaluesofananaloguesignalasafunctionofthetimeatwhichthesamplingtookplace.

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 / mV4-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

2 6 3 2

2209-6512

–27–

Turn over


(Question F2 continued)

Determinethe

(i) 4-bitbinarynumbercorrespondingtothesampleatt=0.07ms.

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

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(ii) bit-rateofthedigitaltransmission.

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[2]

(c) Stateoneadvantageandonedisadvantageofincreasingthesamplingfrequencyusedtosampleananaloguesignal.

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

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

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

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

[2]

2 7 3 2

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F3. Thisquestionisaboutopticalfibres.

(a) Stateonecauseofattenuationandone causeofdispersioninanopticalfibre.

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

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

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

[2]

(b) An optical fibre of length 5.4km has an attenuation per unit length of 2 8 1. dB km− .Thesignalpowerinputis80mW.

(i) Calculatetheoutputpowerofthesignal.

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[2]

(ii) Inorderforthepoweroftheoutputsignaltobeequaltotheinputpoweranamplifierisinstalledattheendofthefibre.

Statethegain,indecibels(dB),oftheamplifierattheendofthefibre.

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

[1]

(c) Thesignaltonoiseratio(SNR),indB,isdefinedasSNR signal

noise

=10 logP

PwherePsignal and

Pnoise arethepowersofthesignalandnoiserespectively.

TheSNRofthesignalin(b)beforeamplificationwas20dB.CalculatetheSNRafteramplification.

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

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[2]

2 8 3 2

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–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) Definenear 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.

converging lens

objectF F

Onthediagramconstructraystolocatetheimageoftheobject. [2]


2 9 3 2

2209-6512


(Question G2 continued)

(c) Aparticularlenshasafocallengthof9.0cmandtheimageisformedatthenearpointwhichis25cmfromthelens.

Assumingthattheeyeisveryclosetothelensdetermine

(i) thedistanceoftheobjectfromthelens.

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

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[2]

(ii) theangularmagnificationofthelens.

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

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[1]

(d) Theangularmagnificationofthelensincreaseswithdecreasingfocallength.

Stateonedisadvantageofusingveryshortfocallengthlenses.

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

[1]

3 0 3 2

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–31–

Turn over


G3. Thisquestionisaboutinterference.

Monochromatic,coherentlightisincidentontwonarrowparallelslitswhosewidthsaresmallcomparedtotheirseparation.Afterpassingthroughtheslitsthelightisbroughttoafocusonascreenproducinginterferencefringes.PointXisthemidpointoftheslits.

screen

light

X

θslit

slit

Theangularpositionofapointonthescreenisdeterminedbytheangleθ .

(a) (i) Explainwhytheintensityoflightatθ = 0 willbeamaximum.

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

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[2]

(ii) The wavelength of light is 6 80 10 7. × − m and the separation of the slits is1 13 10 4. × − m .Showthatforthefirstordermaximumθ = 6 02 10 3. × − rad .

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

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3 1 3 2

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(Question G3 continued)

(iii) Ontheaxesbelowdrawagraphtoshowhowtheintensityoflightobservedonthescreenvarieswithangleθ .(Youdonothavetoputnumbersontheverticalaxis.) [3]

Intensity

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

(b) Thetwoslitsarereplacedbyalargenumberofslitswhosewidthsandseparationarethesameasin(a).

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

(i) valueoftheintensityatθ = 0 .

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

[1]

(ii) angularpositionofthepointsofmaximumintensity.

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[1]

(iii) angularwidthofthefringes.

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

[1]

3 2 3 2

PHYSICS STANDARD LEVEL PAPER 3 - Xtreme · This question is about relativistic kinematics. A...

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Transcript of PHYSICS STANDARD LEVEL PAPER 3 - Xtreme · This question is about relativistic kinematics. A...