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8808-6506 33 pages
N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
Wednesday 5 November 2008 (morning)
PhysicssTANDARD levelPAPeR 3
INSTRUCTIONS TO CANDIDATES
• Write your session number in the boxes above.• Do not open
this examination paper until instructed to do so.• Answer all of
the questions from two of the Options 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 2008
0133
88086506
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–2– N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
Option A — Mechanics Extension
A1.
Thisquestionisaboutgravitationalfieldstrengthandescapespeed.
(a) Definegravitational field strength.
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(b)
DeducefromNewton’slawofuniversalgravitationthatthegravitationalfieldstrengthgat
thesurfaceofaplanetofmassMandradiusR isproportional to M
R2.
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(c)
ThegravitationalfieldstrengthatthesurfaceofVenusgVisrelatedtothegravitationalfieldstrengthatthesurfaceoftheEarthgEby
gV =0.87× gE.
TheradiusofVenusR VisrelatedtotheradiusoftheEarthR Eby
RV =0.96× RE.
CalculatethemassofVenusMVintermsofthemassoftheEarthME.
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N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
(Question A1 continued)
(d) (i) DeducethattheescapespeedvfromthesurfaceofVenusis
v g R= 2 V V .
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(ii)
StatewhethertheescapespeedfromthesurfaceofVenusisequalto,greaterthan,or
less than theescapespeedfromthesurfaceof theEarth.
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–4– N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
A2. Thisquestionisaboutfrictionandrotationalequilibrium.
Auniformblockofmass5.0kgisatrestonahorizontalsurface.AforceFisappliedtotheblockasshown.
mass = 5.0kg F
surface
ThemagnitudeofF is gradually increaseduntil the block starts
tomove, afterwhich timeF is held constant and theblock continues
togain speed. Thevariationwith time t of theforceF
isshownbelow.
F/N 20
15
10
5
00 1 2 3 4 5 t/s
(a) Stateandexplainthevalueof themaximum frictionalforce acting
between the objectand thesurface.
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N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
(Question A2 continued)
(b) Thevalueof themaximumfrictional forcecanbeused tocalculate
thecoefficientoffrictionbetweentheblockandthesurface.Explainwhetherthevaluecalculatedwouldbethecoefficientofstaticfrictionorthecoefficientofdynamicfriction.
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(c) Att =
4.0s,theaccelerationoftheblockis0.60ms–2.Calculatethecoefficientoffrictionactingatthattimebetweentheblockandthesurface.
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(d)
TheblockisbroughttorestandtheforceFnowactsverticallyontheblockasshown.ThemagnitudeofFisgraduallyincreasedbutitsdirectionremainsvertical.WhentheblockbeginstomoveitrotatesabouttheedgeP.
F
mass = 5.0kg
surface P
(i)
CalculatetheminimumvalueofFthatwilljustcausetheblocktobegintorotate.
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(ii)
StatethevalueofFforwhichtheblockcompletelylosescontactwiththesurface.
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0533
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–6– N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
Option B — Quantum Physics and Nuclear Physics
B1.
Thisquestionisabouttheevidenceforthequantizationofenergyinatoms.
(a) Statewhatismeantbythephrasethe quantization of energy in
atoms.
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(b)
Bymeansofalabelleddiagram,outlineanexperimentalset-upbywhichX-rayscanbeemittedfromasampleoftungsten.
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N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
(Question B1 continued)
(c) ThegraphbelowshowstheX-rayspectrumofasampleoftungsten.
intensity
0 wavelength
ExplainwhichfeaturesofthisX-rayspectrumprovideevidenceforthequantizationofenergylevelsintungstenatoms.
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(d) One of the lines in the emission spectrum of atomic hydrogen
has a wavelengthof 410nm. Determine what quantitative information
can be deduced about some oftheenergy levels in
thehydrogenatomfromthiswavelengthvalue.
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–8– N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
B2. Thisquestionisaboutβ+ -decay.
Anucleusofnitrogen-13, 713 N,undergoesβ+
--decaytoproduceanisotopeofcarbon.
(a) Determine the three particles that result from the decay of
a nucleus of
nitrogen-13.Statethemassnumberandtheatomicnumberforeachparticle.
1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) Identifywhichparticlefromyouranswerto(a)containsquarks.
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(c)
Thehalf-lifeofnitrogen-13is10minutes.Determinethedecayconstantfornitrogen-13.
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(d) Asampleinitiallycontains0.13mgofnitrogen-13.
Calculatethe
(i) initialrateofemissionofβ+ -particlesfromthesample.
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(ii) massofnitrogen-13remainingafter15minutes.
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Option C — Energy Extension
C1. Thisquestionisaboutthethermodynamicsofanidealgas.
Thediagrambelowshowsthepressure-volume(p-V)relationofafixedmassofanidealgasundergoingathermodynamiccycle.
p/×105Pa
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
A
B C
D
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 V/×10–3m3
(a) DuringthechangeA→B,explainwhether
(i)
theinternalenergyofthegasincreases,decreasesorstaysthesame.
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(ii)
thermalenergyistransferredbetweenthegasanditssurroundings.
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[2]
(b) During the change B→C, explain whether work is done either
by the gas on itssurroundingsorbythesurroundingsonthegas.
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(This question continues on the following page)
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N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
(Question C1 continued)
(c) Calculatetheoverallenergytransferredduringonecycle.
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[2]
(d)
Explainwhether,afteracompletecycle,theinternalenergyofthegasoverallincreases,decreasesorstaysthesame.
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1133
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8808-6506
–12– N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
C2. Thisquestionisaboutthegenerationofelectricalpower.
Fossil fuel power stations and solar power stations can be used
for the generation ofelectrical power.
(a) State and explain whether the sources of energy in each of
these power stations isclassifiedas renewableornon-renewable.
Fossil fuelpower:
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Solar power:
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[2]
(b)
Discussthemainenergytransformationsthatareinvolvedintheuseoffossilfuelstogenerateelectricalenergy.
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(c) Photovoltaic cells and active solar heaters are both solar
power devices. Outline thedifferencebetweenthesetwodevices.
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(Question C2 continued)
(d) State one disadvantage of fossil fuel power production and
one disadvantage ofsolarpowerdevices.
Fossilfuelpowerproduction:
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Solarpowerdevices:
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Option D — Biomedical Physics
D1. Thisquestionisaboutscaling.
Twomammals,XandY,havesimilarbodyshapes.ThemassofmammalXis40kg,whereasthemassofmammalYis10kg.
(a) (i) DeducethattheratiolengthofmammalXlengthofmammalY
hasavalueof1.6.
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(ii) Stateoneassumptionmadeinthecalculationin(a)(i).
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(b)
MammalXandmammalYarebothexposedtoaverycoldenvironment.ExplainwhythebodytemperatureofmammalXwouldfallmoreslowlythanthatofmammalY.
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D2. Thisquestionisabouthearing.
The graph below shows the variation with frequency of the
threshold of hearing for twoidentical
twinbrothers,FrankandAlbert.
soundintensitylevel/dB
100
80
60
40
20
0
–20
–40
Key:FrankAlbert
101 102 103 104 frequency/Hz
FrankandAlberthaveworkedindifferentplacesformanyyears.
Oneworkplacewasveryquietand theotherwasverynoisy.
(a) Suggest, with reference to the graph, which brother is
likely to have worked in thenoisyworkplace.
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(b) Forafrequencyof10000Hz,calculate theratio
intensityofthesoundjustdetectablebyFrankintensityoffthesoundjustdetectablebyAlbert
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(Question D2 continued)
(c) Stateone feature of the graph that suggests one of the
brothers suffers from sensoryhearingloss.
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(d)
Apersonwithadamagedcochleawillhavelossofhearingatselectednarrowfrequencyranges.Explainhowthisphenomenonleadstoalossofspeechdiscrimination.
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D3. ThisquestionisaboutX-rayimaging.
(a)
OutlinehowaCT(ComputedTomography)X-rayimageisproducedandstatethenatureoftheimage.
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(b) DescribetheuseofbariuminX-rayimaging.
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Option E — The History and Development of Physics
E1. Thisquestionisaboutthemotionofstarsandplanets.
Threeobservationsthatcanbemadeconcerningthe apparent relative
motion of planets andstars are:
• starsdonotmoverelativetoeachother •
planetsmoverelativetothefixedstars •
planetschangedirectionintheirmotion.
(a)
Explain,withtheaidofadiagram,howtheAristotelianmodelorthePtolemaicmodelaccountedforthesethreeobservations.
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(b) Discuss the differences between the Ptolemaic model and
Kepler’s model of thesolarsystem.
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E2. Thisquestionisaboutthecalorictheory.
(a)
Describehowthecalorictheoryaccountedforthermalconduction.
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(b)
Discusstheobservationsanddeductions,madebyCountRumfordin1798,thatdisprovedthecaloric
theory.
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E3. Thisquestionisabouttheoriesofelectriccharge.
(a)
Apieceofplasticwhenrubbedwithaclothbecomeselectricallycharged.Outlinehowthisphenomenon
isexplainedbythe
(i) twofluidmodelofDuFay.
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(ii) modernatomicmodelofmatter.
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[3]
(b)
Inthelate19thcentury,JJThomsonmeasuredthecharge-to-massratioforanelectron.Outlinehowthismeasurementwasmade.
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Option F — Astrophysics
F1. Thisquestionisaboutmeasuringstellardistances.
(a) Describewhatismeantby
(i) apparentbrightness.
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(ii) apparentmagnitude.
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[2]
(iii) absolutemagnitude.
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(b)
Statethepropertyofastarthatismostcloselyrelatedtoitsabsolutemagnitude.
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[1]
(c) ThestarRoss128hasanapparentmagnitude that is less than
itsabsolutemagnitude.Explain,withreferencetothisstatement,whythemethodofstellarparallaxmaybeusedtomeasurethedistanceofRoss128fromEarth.
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–22– N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
(Question F1 continued)
(d)
Describehowtheobservedspectrumofverydistantstarscanbeusedtoestimatetheirabsolutemagnitude.
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[4]
(e)
TheapparentbrightnessofRoss128is7.9×10–15Wm–2anditsluminosityis1.1×1021W.Determineinparsecs,thedistanceofRoss128fromEarth.
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Turn over
N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
F2.
ThisquestionisabouttheDopplershiftandtheexpansionoftheuniverse.
When light from distant galaxies is analysed, the spectral lines
are observed to have beenDopplershifted.
(a) StatethereasonforthisDopplershift.
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(b)
PenziasandWilsondiscoveredthattherewasauniformsourceofmicrowaveradiationfromeverydirection
in theuniverse. Explainhow thisdiscovery supports the theorythat
theuniverse isexpanding.
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(c) It is suggested that the rate of expansion of the
universemight have been
graduallyincreasingsincetheBigBang.Stateanddescribetheeffect,ifany,thatthistheorywouldpredictabouttheobservedDopplershiftoflightfromdistantgalaxies.
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–24– N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
Option G — Relativity
G1. ThisquestionisaboutSpecialRelativity.
Two inertial observers, Alice and Bob, are moving towards each
other along the
samestraightlinewithconstantrelativespeedv.OneithersideofAlicearetwolamps,XandY,equaldistancesawayfromAliceandatrest
inher referenceframe.
ThediagrambelowrepresentsthesituationaccordingtoBob’sreferenceframe.
v
lampX Alice lampY Bob
Alicehasaswitchthatcontrolseachofthelamps.Thelampsareinitiallyswitchedoff.
(a) Describewhatismeantbyaninertialreferenceframe.
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[1]
(b) Alice closes the switch, producing an electromagnetic signal
that travels fromher to the lamps. When either lamp receives the
electromagnetic signal it turns on.State and explain the order in
which the signal arrives at the lamps (X first,Y
firstorsimultaneously)
(i) accordingtoAlice.
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(ii) accordingtoBob.
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–25–
Turn over
N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
(Question G1 continued)
(c) Explain, in termsof
thepathtakenbyelectromagneticwavesfromtheswitchtoBob,whyBobreceives
light fromlampYbefore light fromlampX.
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[2]
(d)
Twoeventsaredefinedasfollows:eventP:theswitchforlampXisclosed•eventQ:thelightfromlampXarrivesatAlice.•
AlicemeasuresatimetAandBobmeasuresatimetBbetweenthesetwoevents.
(i)
Discuss,withreferencetopropertime,thedifferenceinvaluebetweentAandtB.
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(ii)
Stateandexplainwhetheryouranswerto(d)(i)wouldbedifferentforthesituationinwhichAlicewasmovingawayfromBobatspeedvasmeasuredbyBob.
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–26– N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
(Question G1 continued)
(e)
Alicemeasuresthedistancebetweenthelampstobe30.0m.Thespeedvis0.90c.
(i)
Explainwhethertheproperlengthbetweenthetwolampsisgreaterthan,equaltoorlessthan30.0m.
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(ii) Calculatethedistancebetweenthelamps,asmeasuredbyBob.
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Turn over
N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
G2.
Thisquestionisaboutrelativisticvelocityadditionandrelativisticmass.
A particle, P, is moving at constant velocity 0.950c along the
x-axis, with respect to
aninertiallaboratoryreferenceframe.Thediagrambelowrepresentsthissituationaccordingtothe
laboratoryreferenceframe.
0.950c
P
Theparticledecays.OneofthedecayproductsisasmallerparticleQofrestmass940MeVc–2thatisejectedatvelocity0.900calongthex-axisrelativetoP’sreferenceframe.
ThediagrambelowrepresentsthesituationaccordingtoP’sreferenceframe.Theotherdecayproductsarenotshown.
0.900c
P Q
(a)
CalculatethevelocityofparticleQasmeasuredinthelaboratoryreferenceframe.
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[2]
(b)
CalculatethedifferencebetweenthemassofparticleQinP’sreferenceframeandthelaboratoryreferenceframe.
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–28– N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
Option H — Optics
H1. Thisquestionisaboutdispersion.
Diagram1belowshows two identicalprismsAandB. PrismB is
invertedwith respect toprismA.
Diagram 1
A B
AnarrowbeamofwhitelightisincidentonaglassprismAasshownindiagram2.
Diagram 2
AA
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(Question H1 continued)
AllthelightincidentonprismApassesthroughprismB.
(a) (i) Ondiagram
2opposite,drawlinestoshowthepathofarayofredlightandthepathofarayofbluelightasitpassesthroughandemergesfromprismA.LabelthepathsR
for redandB forblue. [2]
(ii) Ondiagram 2 opposite, draw prismB in the path of the light
that has passedthrough prism A. Draw lines, continuing from those
from (a), to show thepathof therayof red light and the path of the
ray of blue light as they passthrough and emerge from prism B.
[2]
(b)
AscreenisplacedinthepathofthelightemergingfromprismB.Describetheappearanceofthelightonthescreen.
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–30– N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
H2.
Thisquestionisaboutthereflectionandrefractionoflaserlight.
(a) Definerefractive index.
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[1]
(b) Abeamoflaserlightisincidentonaglass/airboundary.
air
glass
(i)
Onthediagramabove,drawraystoshowthereflectedray(labelthisL)andtherefractedray(labelthisR).
[1]
(ii)
Theangleofincidenceofthebeamisgraduallyincreased.Deducehowthepathofthelaserlightwouldchangeforanglesofincidenceupto80.Therefractiveindexoftheglassis1.5.
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–32– N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
(Option H continued)
H3. Thefollowingquestionisaboutanastronomicaltelescope.
Atelescopeinnormaladjustmentispointedatadistantobject.Parallellightraysareincidentontheobjectivelens,asshowninthediagrambelow.
objectivelens eyepiecelens
F
The lenses are positioned so that their focal points are at the
same location, labelledF onthediagram.
(a) (i)
Onthediagramabove,constructaraydiagramtolocatethefinalimage.
[3]
(ii)
Onthediagramabove,labelwiththeletterEwheretheeyeshouldbeplacedinordertoviewtheimage.
[1]
(iii)
State,withabriefexplanation,thelocationofthefinalimage.
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(This question continues on the following page)
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8808-6506
–33– N08/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
(Question H3 continued)
(b) Useyourdiagramtoexplainwhytheimageproducedbyatelescopeis
(i) magnified.
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(ii) inverted.
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