2209-6509 40 pages
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
Wednesday 13 May 2009 (morning)
Physicshigher 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 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 15 minutes
Candidate session number
0 0
© International Baccalaureate Organization 2009
22096509
22096509
0 1 4 0
2209-6509
–2– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
Option E — Astrophysics
E1. Thisquestionisaboutstars.
(a) Distinguishbetweenapparentmagnitudeandabsolutemagnitude.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[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 ratioLLA
E
where LA is the luminosity ofAchernar and LE is the
luminosityofEG129.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[3]
(iii) ShowthatthedistanceofthestarAchernarfromEarthisapproximately50pc.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(This question continues on the following page)
0 2 4 0
2209-6509
–3–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
(Question E1 continued)
(c) ThesurfacetemperatureofMirais5timeslowerthanthatofAchernar.EstimatetheratioRR
M
A
whereRM istheradiusofMiraandRA istheradiusofAchernar.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[3]
(d) Stateandexplainwhichofthestarsinthetablein(b)isawhitedwarf.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[3]
0 3 4 0
2209-6509
–4– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
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.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(b) Explainhowyouranswerto(a)isevidenceinsupportoftheBigBangmodel.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(c) State and explain another piece of experimental evidence in support of theBigBangmodel.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
0 4 4 0
2209-6509
–5–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
E3. Thisquestionisaboutstellarevolution.
(a) OutlinewhatismeantbytheOppenheimer-Volkofflimit.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(b) EtaCarinaeisamainsequencestarwhosemassisabout100timeslargerthanthatoftheSun.Thestarwillevolvetobecomeaneutronstar.
(i) ByreferencetotheOppenheimer-Volkofflimit,outlinetheevolutionofEtaCarinaefromwhenitleavesthemainsequenceuntiltheneutronstarstage.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(ii) StatethereasonwhyEtaCarinaewillnotundergofurthercollapsewhenitbecomesaneutronstar.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(c) Themass-luminosityrelationshipforstarssuchasEtaCarinaeandtheSunisgivenbytheexpressionL kM= 3 5.
wherekisaconstantandMisthemassofthestar.ThemassofEtaCarinaeis100timeslargerthanthatoftheSun.
(i) Calculatetheratio
ll
EtaCarinae
Sun
,wherel L
M= istheluminosityperunitmass.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(ii) A star will leave the main sequence after it has converted 12% of its massintoenergy.Byreferencetoyouranswerto(i)suggestwhyEtaCarinaewillspendlesstimeonthemainsequencethantheSun.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
0 5 4 0
2209-6509
–6– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
E4. ThisquestionisaboutHubble’slaw.
(a) StateHubble’slaw.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(b) Suggestwhy,inverifyingHubble’slaw,datafromnearbygalaxiescannotbeused.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
0 6 4 0
2209-6509
–7–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
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) Abroadcastingcompanyhasbeengivenpermissiontobroadcast inafrequencyrangeof320kHz.Thetransmissionshavethebandwidthfoundin(a)(iii).
Determinehowmanyradiostationsthecompanycanoperateinthisfrequencyrange.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
0 7 4 0
2209-6509
–8– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
F2. Thisquestionisabouttransmissionandsamplingofsignals.
(a) Theblockdiagramillustratestheprinciplesofthetransmissionandreceptionofdigitalsignals.
P Q R
S
analogue signal
sampling signal
ADC
clock
clock
DAC
communication link
DescribethefunctionofeachoftheblockslabeledP,Q,RandS.
P: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Q: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
R: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
S: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[4]
(This question continues on page 10)
0 8 4 0
2209-6509
–10– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
(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 / mV 4-bit binary number
2.000–2.999 2 0010
3.000–3.999 3 0011
4.000–4.999 4 0100
(This question continues on the following page)
V/mV
t/ms
1 0 4 0
2209-6509
–11–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
(Question F2 continued)
Determinethe
(i) 4-bitbinarynumbercorrespondingtothesampleatt=0.07ms.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(ii) bit-rateofthedigitaltransmission.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(c) Stateoneadvantageandonedisadvantageofincreasingthesamplingfrequencyusedtosampleananaloguesignal.
Advantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Disadvantage:. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
1 1 4 0
2209-6509
–12– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
F3. Thisquestionisaboutopticalfibres.
(a) Stateonecauseofattenuationandone causeofdispersioninanopticalfibre.
Attenuation: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(ii) Inorderforthepoweroftheoutputsignaltobeequaltotheinputpoweranamplifierisinstalledattheendofthefibre.
Statethegain,indecibels(dB),oftheamplifierattheendofthefibre.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(c) Thesignaltonoiseratio(SNR),indB,isdefinedasSNR signal
noise
=10 logPP
wherePsignal andPnoise arethepowersofthesignalandnoiserespectively.
TheSNRofthesignalin(b)beforeamplificationwas20dB.CalculatetheSNRafteramplification.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
1 2 4 0
2209-6509
–13–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
F4. Thisquestionisabouttheoperationalamplifier.
Diagram1showsanon-invertingamplifiercircuit.
Diagram 1
+
–
0V
90 k
10 k
VinVout
0V
(a) Suggestwhytheamplifierisreferredtoasnon-inverting.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(b) Theinputvoltagefortheamplifierin(a)isVin mV= 2 0. .
Calculatethe
(i) gainGoftheamplifier.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(ii) outputvoltageVout .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(This question continues on the following page)
1 3 4 0
2209-6509
–14– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
(Question F4 continued)
(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.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[3]
(This question continues on the following page)
1 4 4 0
2209-6509
–15–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
(Question F4 continued)
(d) Diagram3showsacircuitinwhichthebatteryhasanemfof6.0Vandnegligibleinternalresistance.Two2 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).
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(iii) Thecircuitindiagram3ismodifiedtoincludethecircuitshownindiagram2.
Diagram 4
2.0 MΩ
2.0 MΩ
V
6.0 VA
B
+
100 k
Explainwhythevoltmeterreadsthevalueofthepotentialdifferenceasstatedin(d)(i).
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
1 5 4 0
2209-6509
–16– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
Option G — Electromagnetic waves
G1. Thisquestionisaboutthecolourofthesky.
Outlinewhytheskyappearsblueduringthedayandredduringasunset.
Bluesky: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Redsky: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
[2]
G2. Thisquestionisaboutimageformationinaconvexlens.
(a) Definenear point.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[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]
(This question continues on the following page)
1 6 4 0
2209-6509
–17–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
(Question G2 continued)
(c) Aparticularlenshasafocallengthof9.0cmandtheimageisformedatthenearpointwhichis25cmfromthelens.
Assumingthattheeyeisveryclosetothelensdeterminethe
(i) distanceoftheobjectfromthelens.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(ii) angularmagnificationofthelens.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(d) Theangularmagnificationofthelensincreaseswithdecreasingfocallength.
Stateonedisadvantageofusingveryshortfocallengthlenses.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
1 7 4 0
2209-6509
–18– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
G3. Thisquestionisaboutinterference.
Monochromatic,coherentlightisincidentontwonarrowparallelslitswhosewidthsaresmallcomparedtotheirseparation.Afterpassingthroughtheslitsthelightisbroughttoafocusonascreenproducinginterferencefringes.PointXisthemidpointoftheslits.
screen
light
X
slit
slit
Theangularpositionofapointonthescreenisdeterminedbytheangleθ .
(a) (i) Explainwhytheintensityoflightatθ = 0 willbeamaximum.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[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 .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(This question continues on the following page)
1 8 4 0
2209-6509
–19–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
(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)withreferenceto
(i) thevalueoftheintensityatθ = 0 .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(ii) theangularpositionofthepointsofmaximumintensity.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(iii) theangularwidthofthefringes.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
1 9 4 0
2209-6509
–20– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
G4. ThisquestionisaboutX-rayspectraandX-raydiffraction.
(a) Electronsareacceleratedfromrestbyapotentialdifference.TheystrikeametaltargetandtheresultingX-rayspectrumisshownbelow.
Intensity
0
0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0
λ/ 10 m-10×
(i) Stateandexplainwhatmaybededucedabouttheenergylevelsoftheatomsofthemetalfromthefactthatthisspectrumdoesnotcontainanycharacteristiclines.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(ii) Outline the mechanism by which the photons of wavelength 2 0 10 10. × − mareproduced.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(iii) Calculate the potential difference through which the electrons have beenaccelerated.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(This question continues on the following page)
2 0 4 0
2209-6509
–21–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
(Question G4 continued)
(b) X-raysareincidentonacrystalsurfacemakinganangleθ1 withthesurface.ThescatteredX-raysmakeanangle θ2 with thesurface. In thediagrambelowthecircles, thatareseparatedbyadistanced,representlatticeionsofthecrystal.
d
12
incidentX-rays
scattered X-rays
d
Thepathdifferencebetweenthetwoscatteredraysis d (cos cos )θ θ1 2− .
(i) State and explain the condition for constructive interference between the twoscatteredraysshown.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(ii) ThewavelengthoftheX-raysis 4 20 10 10. × − m.AmaximumintheintensityofthescatteredX-raysisfirstobservedatanangleθ = 34 5. °°.Determinetheseparationoftheatomicplanesthatgiverisetothismaximum.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
2 1 4 0
2209-6509
–22– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
Option H — Relativity
H1. ThisquestionisabouttheMichelson-Morleyexperiment.
The diagram shows the type of arrangement that was used in the Michelson-Morleyexperiment.
light source
telescope
orbital speed of earth
semi-transparentmirror S
v
mirror M2
mirror M1
ThespeedoflightinfreespaceiscandtheorbitalspeedofEarthisv.
(a) State
(i) thepurposeoftheMichelson-Morleyexperiment.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(ii) usingaGalileantransformation,thespeedoflightalongthepathfromthemirrorM1tothesemi-transparentmirrorSintermsofcandv.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(This question continues on the following page)
2 2 4 0
2209-6509
–23–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
(Question H1 continued)
(b) With theapparatus in thepositionshown,an interferencepatternwasobserved in thefieldofviewofthetelescope.Theapparatuswasthenrotatedby90º.
State
(i) whatwasexpectedtobeobserved.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(ii) whatwasactuallyobserved.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(iii) howtheresultoftheMichelson-Morleyexperimentisexplainedinthetheoryofspecialrelativity.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
2 3 4 0
2209-6509
–24– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
H2. Thisquestionisaboutsimultaneity.
(a) Definewhatismeantbyaproper time interval.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(b) Albert is at restwith respect to theground. Hermann is in a carriage that ismovingwithspeedvrelativetoAlbertinthedirectionshown.Twoflashesoflightareemittedfromthebackandthefrontofthecarriage.AccordingtoHermann’sclocktheyarriveatHermann’spositionsimultaneously.
vHermann
Albert
Explainwithreferencetotheconceptofpropertime,whythearrivalofthelightpulsesatHermannwillalsobesimultaneoustoAlbert.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[3]
2 4 4 0
2209-6509
–25–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
H3. 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 = 53.
(a) Calculate
(i) thetimetakenforthejourneytotheplanetasmeasuredbyanobserveronEarth.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(ii) thedistancebetweentheEarthandtheplanet,asmeasuredbyAmanda.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(iii) Amanda’sageasthespacecraftgoespasttheplanet,accordingtoAmanda.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[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.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[3]
2 5 4 0
2209-6509
–26– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
H4. Thisquestionisaboutrelativisticmechanics.
The graph shows the variation with speed v of the total energyE of a particle called thekaon,K–.TherestmassoftheK–is 490MeVc−2 anditselectricchargeisthesameasthatoftheelectron.
E/MeV
2000
1500
1000
500
00 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
v/c
(a) SuggesthowthegraphmaybeusedinordertoobtaintherestmassoftheK–.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(b) UsethegraphtodeterminethepotentialdifferencerequiredtoaccelerateaK–fromresttoaspeedof0.95c.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(This question continues on the following page)
2 6 4 0
2209-6509
–27–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
(Question H4 continued)
(c) TheK–isunstableanddecaysintoamuonandanantineutrinoaccordingtothereaction
K− −→ +µ v
The restmassof themuon is105MeVc–2. The restmassof theantineutrinomaybeassumedtobezero.
TheK–isatrestwhenitdecays.
(i) Showthattotalenergyisconservedifthemomentumofthemuonis234MeVc–1.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(ii) Determinethekineticenergyofthemuon.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[3]
2 7 4 0
2209-6509
–28– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
H5. Thisquestionisaboutblackholes
(a) DefinewhatismeantbytheSchwarzschild radiusofablackhole.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(b) AprobeisatrestasmalldistancefromablackholeofSchwarzschildradius6 7 104. × m .Theprobeemitsmonochromaticlightpulsesthatarereceivedbyaspacecraftveryfarfromtheblackhole.
Schwarzschild radius
probe to spacecraft
Accordingtoaclockintheprobethepulseshaveafrequencyof 4 5 1014. × Hz ,withonepulsebeingemittedeverytwoseconds.Thefrequencyofthelightasmeasuredbyaclockinthespacecraftis3 0 1014. × Hz .
(i) State the name of the phenomenon responsible for the observed change in thefrequencyofthelight.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(ii) Determine,accordingtothespacecraftclock,howoftenthepulsesarereceivedbythespacecraft.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(iii) Determinethedistanceoftheprobefromthecentreoftheblackhole.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
2 8 4 0
2209-6509
–30– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
Option I — Medical physics
I1. Thisquestionisabouttheearandhearing.
Soundwavesareincidentontheeardrumofaperson.Thegraphshowsthevariationwithtimetofthedifference∆P betweenthepressureattheeardrumandatmosphericpressure.
∆P /×10–2 Pa
3
2
1
0
–1
–2
–3
0.5 1 1.5 20 t / ms
(a) Thegraphbelowshowsthevariationwithtime tof thevelocityvof thecentreof theeardrum.
v/×10–5ms–1
10
5
0
–5
–10
0.5 1 1.5 20 t / ms
(This question continues on the following page)
3 0 4 0
2209-6509
–31–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
(Question I1 continued)
The average power carried by the soundwave is given by P F vav
max max
2= whereFmax is the
maximumforceexertedontheeardrum.
Usedatafromthegraphsoppositeto
(i) show that the average intensity of the sound at the eardrum is approximately1 8 10 6 2. × − −Wm .Theareaoftheeardrum,A,is42mm2.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[3]
(ii) estimatethemaximumsoundintensitylevel,indB,attheeardrum.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(b) The area of the ovalwindowwhere the stirrup is attached is 3.2mm2. The ossiclesamplifytheforcebyafactorof1.5.
Estimatethemaximumpressureattheinnerear.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(c) Outline the role of the ossicles and the oval window in the transmission ofsoundtotheinnerear.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
3 1 4 0
2209-6509
–32– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
I2. Thisquestionisaboutultrasoundimaging.
(a) Describe
(i) whatismeantbyultrasound.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(ii) howultrasoundmaybeproduced.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(b) Thetablegivesinformationonthespeedofsound,thedensityandtheacousticimpedanceforvariousmaterials.
Material Speed of sound / ms–1 Density / kgm–3 Acoustic impedance / kg m–2 s–1
Air 330 1.3 430
Bone 2800 1.5 ×103
Tissue 1600 1.0 ×103 1.6 ×106
Calculatetheacousticimpedanceofboneandenteryouranswerinthetableabove. [1]
(This question continues on the following page)
3 2 4 0
2209-6509
–33–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
(Question I2 continued)
(c) UltrasoundofintensityI0istravelinginamediumofimpedanceZ1andisincidentonamediumofimpedanceZ2.ThereflectedultrasoundhasintensityIRgivenby
I I Z ZZ ZR = −
+
0
1 2
1 2
2
(i) With reference to the equation above explain why ultrasound would not be aneffectivemethodforabrainscan.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(ii) Using data from the table in (b) determine the ratioIIR
0 of ultrasound entering
tissuefromair.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(iii) Usingyouranswerto(c)(ii),explainthepurposeofthegelthatisappliedtotheskinbeforeanultrasoundscan.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(This question continues on the following page)
3 3 4 0
2209-6509
–34– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
(Question I2 continued)
(d) Apulseofultrasoundisemittedfromatransducerplacedonapatient’sskin.Thepulseisreflectedbythestomachandisreceivedbackatthetransducer.Thegraph(anAscan)showshowthevoltageduetothetransmittedandthereflectedpulsevarieswithtime.Thespeedofsoundintissueis1600ms-1.
Voltage
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 60 64 t/s0
(i) Using data from the graph determine the distance between the stomach andthetransducer.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(ii) OutlinetwodifferencesbetweenanAscanandaBscan.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
3 4 4 0
2209-6509
–35–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
I3. Thisquestionisaboutradiationtherapy.
(a) Totreatthyroidcancer,radioactiveiodine-131isadministeredtoapatient.
(i) Statehowtheradioactiveiodinemaybeadministeredtothepatient.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(ii) Statethereasonwhyiodineisused.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(iii) State twodifferences,comparedwithnormalcells, in the responseofcancerouscellstoexposuretoradiation.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(b) Thephysicalhalf-lifeofiodine-131is8daysanditsbiologicalhalf-lifeis12days.
(i) Distinguishbetweenphysicalandbiologicalhalf-lives.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(ii) Calculatetheeffectivehalf-lifeofiodine-131.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(iii) A patientwho has received treatmentwith iodine-131must remain in isolationuntiltheactivityoftheiodineinthebodyreducestoaboutonefourthofitsinitialactivity.
Estimatethenumberofdaysapatientmustremaininisolation.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
3 5 4 0
2209-6509
–36– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
Option J — Particle physics
J1. Thisquestionisaboutfundamentalinteractions. Thediagrambelowshowstwofundamentalinteractionvertices,onefortheelectromagnetic
andtheotherfortheweakinteractions.
photon
chargedfermion
chargedfermion
chargedfermion
chargedfermion
Z
Electromagneticinteraction Weakinteraction
(a) Explainwhyinbothverticestheincomingandtheoutgoingchargedfermionsabovemusthavethesameelectriccharge.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(b) The process e e− + − ++ → +µ µ occursmostly via the electromagnetic interaction andlessfrequentlyviatheweakinteraction.
DrawaFeynmandiagramfortheprocess e e− + − ++ → +µ µ accordingto
(i) theelectromagneticinteraction. [1]
(ii) theweakinteraction. [1]
(This question continues on the following page)
3 6 4 0
2209-6509
–37–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
(Question J1 continued)
(iii) IdentifythevirtualparticlesineachoftheFeynmandiagramsthatyoudrewin(i)and(ii).
Virtualparticlein(i): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Virtualparticlein(ii): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(c) State one reason why the process e e− + − ++ → +µ µ is more likely to involve theelectromagneticinteractionratherthantheweakinteraction.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[1]
(d) ElectronsareacceleratedtoatotalenergyEandthencollidewithstationarypositrons.
DeterminetheminimumtotalenergyEoftheelectronforthereactione e− + − ++ → +µ µ totakeplace.
Electronrestmass=0.511MeVc–2. Muonrestmass=105MeVc–2.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[3]
3 7 4 0
2209-6509
–38– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
J2. Thisquestionisaboutparticledectors.
(a) (i) Describetheoperatingprincipleofthebubblechamber.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(ii) Outline how two particle properties or characteristics are measured using abubblechamber.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(b) Theproportionalwiresparkchamberhasnowreplacedthebubblechamber.
Outlinetwoadvantagesofthisdetectorcomparedtothebubblechamber.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
3 8 4 0
2209-6509
–39–
Turn over
M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
J3. Thisquestionisaboutquarks. The diagrambelow 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.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[3]
3 9 4 0
2209-6509
–40– M09/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
J4. Thisquestionisaboutcosmologyandstrings. (a) Itisassumedthatinthefirst10–2saftertheBigBangquarksbehavedasfreeparticles
thatcouldnotbindintonucleons.
Suggestareasonforthis.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(b) At a time of 10–2s after theBigBang the average thermal energy per particle in theuniversewasapproximately50MeV.
Estimatethetemperatureoftheuniverse10–2saftertheBigBang.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(c) Intheveryearlyuniverseitisthoughtthatthetotalnumberofparticleswasonlyveryslightlylargerthanthenumberofantiparticles.
Explainwhythematterinthepresentuniverseismadepredominantlybyparticlesandnotantiparticles.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(d) Outlinewhyphysicistswereledtoconsiderstringtheories.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
(e) Many string theories suggest that space is 10 dimensional rather than the usual 3+1dimensions(3forspaceand1fortime).
Assuming that string theory is correct, explain why we are not aware of the extradimensions.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
[2]
4 0 4 0
Top Related