sica ivel eio rueba 3 PAST PAPERS - SUBJECT/Group 4 - Sciences... · (b) La rueda abandona los...

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36EP01

Número de convocatoria del alumno

FísicaNivel medioPrueba 3

33 páginas

Viernes 11 de mayo de 2018 (mañana)

1 hora

Instrucciones para los alumnos

yy Escriba su número de convocatoria en las casillas de arriba.yy No abra esta prueba hasta que se lo autoricen.yy Escriba sus respuestas en las casillas provistas a tal efecto.yy En esta prueba es necesario usar una calculadora.yy Se necesita una copia sin anotaciones del cuadernillo de datos de física para esta prueba.yy La puntuación máxima para esta prueba de examen es [35 puntos].

Sección A PreguntasConteste todas las preguntas. 1 – 2

Sección B PreguntasConteste todas las preguntas de una de las opciones.

Opción A — Relatividad 3 – 5

Opción B — Física en ingeniería 6 – 7

Opción C — Toma de imágenes 8 – 10

Opción D — Astrofísica 11 – 12

© International Baccalaureate Organization 2018

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX

2218 – 6530

Sección A

Conteste todas las preguntas. Escriba sus respuestas en las casillas provistas a tal efecto.

1. Afindedeterminarlaaceleracióndebidaalagravedad,sesueltadesdeelreposounapequeñaesferametálicaysemideeltiempoqueinvierteencaerunadistanciaconocidahastaabrirunatrampilla.

puntodeliberaciónesfera

no a escala

trampilla

Sedisponedelossiguientesdatos.

Diámetrodelaesferametálica =12,0! 0,1 mm Distanciaentreelpuntodeliberaciónylatrampilla =654 ! 2 mm Tiempomedidodelacaída =0,363! 0,002 s

(a) Determineladistanciarecorrida,enm,porelcentrodemasadelaesfera,incluyendoensurespuestaunaestimacióndelaincertidumbreabsoluta. [2]

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(Esta pregunta continúa en la página siguiente)

36EP02

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 2 –

(Pregunta 1: continuación)

(b) Apartirdelasiguienteecuación

aceleracióndebidaalagravedad( )

×= 22 distanciarecorridaporcentrodemasadelaesfera

tiempomedidodecaída

calcule,paraestosdatos,laaceleracióndebidaalagravedad,incluyendoensurespuestaunaestimacióndelaincertidumbreabsoluta. [4]

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36EP03

Véase al dorso

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 3 –

No escriba en esta página.

Las respuestas que se escriban en estapáginanoseráncorregidas.

36EP04

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 4 –

2. Unaalumnallevaacabounexperimentoparadeterminarlavariacióndeintensidaddelaluzfrentealadistanciaaunafuentedeluzpuntual.LafuentedeluzseencuentraenelcentrodeunapantallaesféricatransparentederadioC.Laalumnamideladistanciax entre la superficiedelapantallayunsensorquemidelaintensidad I delaluz.

pantalla

C x

sensordeluz

fuentedeluzpuntual

LafuentedeluzemiteradiaciónconunapotenciaconstantePytodaestaradiaciónsetransmiteatravésdelapantalla.LarelaciónentreI yx vienedadapor

24 ( )P

C=

+π xI

(a) Estarelaciónpuedeescribirsetambiéncomosigue.

1 K KC= +xI

Muestre que 2KP

=π . [1]

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(Esta pregunta continúa en la página siguiente)

36EP05

Véase al dorso

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 5 –

(Pregunta 2: continuación)

(b) Laalumnaobtieneunconjuntodedatosylosutilizapararepresentarunagráficadela

variaciónde 1I

frente a x.

12/ W m1 −

I

50 10 15 20 25

45

40

35

30

25

20

15

10

5

0 – 5 0 5 10 15 20 25

x/cm

(i) EstimeC. [2]

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(Esta pregunta continúa en la página siguiente)

36EP06

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 6 –

(Pregunta 2: continuación)

(ii) DetermineP,hastaelnúmerocorrectodecifrassignificativasincluyendo suunidad. [4]

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(c) Expliqueladesventajaquetieneunagráficade I frente a 21xparaelanálisisde(b)(i)

y(b)(ii). [2]

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36EP07

Véase al dorso

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 7 –

Sección B

Conteste todaslaspreguntasdeunadelasopciones. Escriba sus respuestas en las casillas provistas a tal efecto.

Opción A — Relatividad

3. LoscohetesAyBsedesplazanensentidosopuestosdesdelaTierraalolargodeunamismalínearecta.

cohete A Tierra coheteB

EnelsistemadereferenciadelaTierra,larapidezdelcoheteAes0,75cylarapidezdelcoheteBes0,50c.

(a) Calcule,paraelsistemadereferenciadelcoheteA,larapidezdelcoheteBsegún

(i) latransformacióndeGalileo. [1]

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(ii) latransformacióndeLorentz. [2]

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(b) Resuma,enrelaciónconlarelatividadespecial,cuáldesuscálculosen(a)esmásprobablequeseaválido. [1]

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(La opción A continúa en la página siguiente)

36EP08

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 8 –

(Opción A: continuación)

4. AlpasarjuntoalaTierraunanaveespacial,tantounobservadorenlaTierracomounobservadorenlanaveespacialponenenmarchasusrelojes.Lahorainicialenlosdosrelojeseslas12delamedianoche.Lanaveespacialsedesplazaaunavelocidadconstantecon =1,25.UnaestaciónespacialpermaneceestacionariaconrespectoalaTierraytransportarelojesquetambiénmuestranlahoradelaTierra.

(a) CalculelavelocidaddelanaveespacialrespectoalaTierra. [1]

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(b) Lanaveespacialpasajuntoalaestaciónespacial90minutosdespuéssegúnlamedicióndelrelojdelanaveespacial.Determine,paraelsistemadereferenciadelaTierra,ladistanciaentrelaTierraylaestaciónespacial. [3]

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(c) Cuandolanaveespacialpasajuntoalaestaciónespacial,laestaciónespacialenvíaunaseñalderadioalaTierra.LarecepcióndeestaseñalenlaTierraeselsucesoA.DeterminelahoraenelrelojdelaTierraalaqueocurreelsucesoA. [2]

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(La opción A continúa en la página siguiente)

36EP09

Véase al dorso

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX–9–

(Continuación: opción A, pregunta 4)

(d) PartedelaseñalderadiosereflejaenlasuperficiedelaTierrayestaseñalreflejadasedetectadespuésenlanaveespacial.Ladeteccióndeestaseñalesel sucesoB.Semuestraeldiagramadeespacio-tiempoparalaTierra,mostrandolaestaciónespacialylanaveespacial.Losdosejesestándibujadosaigualescala.

estación espacial

nave espacial

00

ct

xTierra

(La opción A continúa en la página siguiente)

36EP10

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX–10–

(Continuación: opción A, pregunta 4)

(i) ConstruyaelsucesoAyelsucesoBsobreeldiagramadeespacio-tiempo. [3]

(ii) Estime,apartirdeldiagramadeespacio-tiempo,lahoraalacualocurreelsucesoBparalanaveespacial. [2]

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(La opción A continúa en la página 13)

36EP11

Véase al dorso

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 11 –

No escriba en esta página.

Las respuestas que se escriban en estapáginanoseráncorregidas.

36EP12

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 12 –

(Opción A: continuación)

5. (a) Expliquequésignificalaafirmacióndequeelintervalodeespacio-tiempoesunacantidadinvariante. [1]

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(b) ElobservadorAdetectalacreación(suceso1)ydesintegración(suceso2)deunapartículanuclear.Trassucreación,lapartículasedesplazaaunarapidezconstanteconrespectoaA.TalcomolamideA,ladistanciaentrelossucesosesde15 myeltiempoentrelossucesosesde9,0 × 10– 8 s.ElobservadorBsedesplazacon lapartícula.

Paraelsuceso1yelsuceso2,

(i) calculeelintervalodeespacio-tiempo. [1]

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(ii) determineeltiempoentreambossegúnelobservadorB. [2]

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(c) ResumaporquélostiemposobservadossondiferentesparaAyB. [1]

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Fin de la opción A

36EP13

Véase al dorso

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 13 –

Opción B — Física en ingeniería

6. Unaruedademasa0,25 kgconstadeuncilindromontadosobreunejecentral.Elejetieneunradiode1,2 cmyelcilindrotieneunradiode4,0 cm.Elejereposasobredosraíles,haciendoqueelcilindropuedagirarlibrementeentrelosraíles.

cilindro

raíles

ejecentral

(La opción B continúa en la página siguiente)

36EP14

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 14 –

(Continuación: opción B, pregunta 6)

(a) Sesueltadesdeelreposolaruedaestacionaria,quebajarodandocuestaabajodesdeelpuntoAhastaelpuntoBconelejerodandosobrelosraílessindeslizamiento.

A no a escala

0,36 mraíl

pista plana

B C

(i) Elmomentodeinerciadelaruedaesde1,3 × 10–  4 kg m2.Resumaquéseentiendepormomentodeinercia. [1]

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(ii) AldesplazarsedesdeelpuntoAhastaelpuntoB,elcentrodemasadelaruedacaeunadistanciaverticalde0,36 m.Muestrequelarapidezdetraslacióndelaruedaesdealrededorde1 m s– 1trassudesplazamiento. [3]

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(iii) DeterminelavelocidadangulardelaruedaenB. [1]

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(La opción B continúa en la página 17)

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(Continuación: opción B, pregunta 6)

(b) LaruedaabandonalosraílesenelpuntoBysedesplazasobrelapistaplanahastaelpuntoC.DuranteuncortotiempolaruedasedeslizaysurgeunafuerzaderozamientoF enelbordedelarueda,comosemuestra.

sentidodelarotación

F

DescribaelefectodeF sobre

(i) larapidezlinealdelarueda. [2]

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(ii) larapidezangulardelarueda. [2]

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(Opción B: continuación)

7. Seencajaunpistónenuncilindro.Unamasafijadeungasidealllenaelespaciosobre elpistón.

cilindro gasideal

pistón(enmovimientolibre)

Elgasseexpandeisobáricamente.Sedisponedelossiguientesdatos.

Cantidaddegas =243 mol Volumeninicialdelgas =47,1 m3

Temperaturainicialdelgas =–  12,0 ˚C Temperaturafinaldelgas =+ 19,0 ˚C Presióninicialdelgas =11,2  kPa

(a) Muestrequeelvolumenfinaldelgasesdealrededorde 53 m3. [2]

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(b) Calcule,enJ,eltrabajoefectuadoporelgasduranteestaexpansión. [2]

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(Continuación: opción B, pregunta 7)

(c) Determinelaenergíatérmicaqueentraenelgasduranteestaexpansión. [3]

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(d) Elgasvuelveasuestadooriginalporcompresiónadiabáticaseguidadeunenfriamientoavolumenconstante.

(i) Dibujeaproximadamente,sobreeldiagramapV,elciclocompletodecambiosparaelgas,etiquetandoclaramenteloscambios.Selerepresentalaexpansiónmostradaen(a)y(b). [2]

p

00 V

(ii) Resumaelcambioenentropíadelgasduranteelenfriamientoavolumenconstante. [1]

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Véase al dorso

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M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX–20–

(Continuación: opción B, pregunta 7)

(e) Haydiversasversionesequivalentesdelasegundaleydelatermodinámica.Resumalaventajaquesuponedisponerdeformasalternativasdeunaley. [1]

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Fin de la opción B

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Opción C — Toma de imágenes

8. Semuestraundiagramaderayosparaunalenteconvergente.ElobjetoestámarcadocomoOylaimagencomoI.

2,0 cm

O

I

lente convergente

(a) Utilizandoeldiagramaderayos,

(i) determinelalongitudfocaldelalente. [2]

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(ii) calculeelaumentolineal. [1]

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(Continuación: opción C, pregunta 8)

(b) Acontinuaciónsemuestraundiagramaderayosincompletoqueconstadeunrayo deluzrojayotrodeluzazul,queincidensobreunalenteconvergentedevidrio. Enestalentedevidrio,elíndicederefracciónparalaluzazulesmayorqueelíndicederefracciónparalaluzroja.

rayodeluzroja

rayodeluzazul

ejeprincipal

lentedevidrioconvergente

Utilizandoeldiagrama,resumaelfenómenodelaaberracióncromática. [2]

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Véase al dorso

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 23 –

(Opción C: continuación)

9. Eldiagramarepresentauntelescopioreflectanteópticoastronómicosimplejuntoconlatrayectoriadevariosrayosdeluz.

espejoprimario

espejosecundario

telescopioreflectante

(a) Identifique,conlaletraX,laposicióndelfocodelespejoprimario. [1]

(b) Sedicequeestaconfiguraciónqueempleaelespejosecundarioaumentalalongitudfocaldelespejoprimario.Indiqueporquéestosuponeunaventaja. [1]

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(c) Distingaentreestaconfiguraciónylaconfiguraciónnewtoniana. [2]

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(Continuación: opción C, pregunta 9)

(d) Unradiotelescopiotienetambiénunespejoprimario.Identifiqueunadiferenciaenlamaneraenquesetratalaradiacióndeesteespejoprimario. [1]

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Véase al dorso

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 25 –

(Opción C: continuación)

10. (a) Unafibraópticaconíndicederefracciónde1,4475seencuentrarodeadaporaire. Elángulocríticoparalainterfasenúcleo – airees44. Sugiera,medianteuncálculo, porquéelusodeunrevestimientoconíndicederefracción1,4444mejoraelrendimientodelafibraóptica. [3]

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(b) Unafibraópticadelongitud185kmtieneunaatenuaciónde0,200 dB km– 1. Lapotenciadeentradaalcableesde400,0 mW.Lapotenciadesalidadelcablenodebecaerpordebajode2,0 mW.

(i) Calculelaatenuaciónmáximapermitidaparalaseñal. [2]

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(ii) Unamplificadorpuedeaumentarlapotenciadelaseñalen12dB.Determineelmínimonúmerodeamplificadoresnecesario. [2]

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M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 26 –

(Continuación: opción C, pregunta 10)

(iii) Enlagráficasemuestralavariaciónconlalongituddeondadelíndicederefraccióndelvidriodelqueestácompuestalafibraóptica.

índicederefracción

A B longituddeonda

Dosrayosdeluzentranenlafibraenelmismoinstantealolargodelosejes. ElrayoAtieneunalongituddeonda  A yelrayoBtieneunalongituddeonda  B.Discutaelefectoquetieneladiferenciaenlongituddeondasobrelosrayoscuandopasanporlafibra. [2]

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(c) Enmuchoslugares,lasfibrasópticasrevestidasestánsustituyendoaloscablesdecobre.Indiqueunejemplodecómohaimpactadolatecnologíadefibraópticaen lasociedad. [1]

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Fin de la opción C

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Véase al dorso

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 27 –

Opción D — Astrofísica

11. (a) Lasestrellasdelasecuenciaprincipalestánenequilibriobajolaaccióndefuerzas.Resumacómosealcanzaesteequilibrio. [2]

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(b) UnaestrellaPdelasecuenciaprincipal,tiene1,3veceslamasadelSol.CalculelaluminosidaddePconrespectoalSol. [1]

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(Continuación: opción D, pregunta 11)

(c) LosdatossiguientescorrespondenalaestrellaGacrux.

Radio =58,5 × 109 m Temperatura =3600 K Distancia =88 añosluz

(i) LaluminosidaddelSolL? esde3,85 × 1026 W.DeterminelaluminosidaddeGacruxrespectoalSol. [3]

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(ii) LadistanciaaGacruxpuededeterminarseapartirdelaparalajeestelar. Resumaporquéestemétodonoesadecuadoparatodaslasestrellas. [1]

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(La opción D continúa en la página siguiente)

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(Continuación: opción D, pregunta 11)

(d) SemuestraundiagramadeHertzsprung–Russell(HR).

luminosidad/ L?

106

105

104

103

102

10

1

10– 1

10– 2

10– 3

20 000 10 000 5000 2500 temperatura / K

SobreeldiagramaHR,

(i) dibujelasecuenciaprincipal. [1]

(ii) representelaposición,utilizandolaletraP,delaestrellaPdelasecuenciaprincipalquehacalculadoen(b). [1]

(iii) representelaposición,utilizandolaletraG,deGacrux. [1]

(La opción D continúa en la página siguiente)

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M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX–30–

(Continuación: opción D, pregunta 11)

(e) Discuta,enrelaciónconsuvariacióndemasa,laevolucióndelaestrellaPdesdelasecuenciaprincipalhastasufasefinalestable. [3]

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(La opción D continúa en la página siguiente)

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Véase al dorso

M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 31 –

(Opción D: continuación)

12. Sobrelagráficasemuestranlosdatosdegalaxiasdistantes.

velocidad/×104 km s–  1

5,0

4,0

3,0

2,0

1,0

0,0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

100 200 300 400 500 600

A

0 100 200 300 400 500 600 700 distancia / Mpc

(a) Estime,utilizandolosdatos,laedaddeluniverso.Désurespuestaensegundos. [3]

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M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX– 32 –

(Continuación: opción D, pregunta 12)

(b) Identifiquelasuposiciónquehahechoensurespuestaa(a). [1]

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(c) Sobrelagráfica,unagalaxiaestámarcadacomoA.Determineeltamañodeluniverso,respectoasutamañoactual,cuandoseemitiólaluzdeesagalaxiaA. [3]

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Fin de la opción D

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– 33 – M18/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX

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