2208-6509 32 pages
M08/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
Wednesday 21 May 2008 (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 2008
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–2– M08/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
Option D — Biomedical Physics
D1. Thisquestionisaboutscaling.
(a) The rateofoxygendemand,D, of an insect isproportional to themassof the insect.Therateofoxygenabsorption,R,isproportionaltothesurfaceareaoftheinsect.
Determinetheratio DR
intermsofthecharacteristiclength,L,oftheinsect.
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(b) Suggestwhyyouranswerin(a)placesapracticallimitonthesizeofinsects.
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D2. Thisquestionisaboutsoundandhearing.
(a) Distinguishbetweenconductiveandsensoryhearingloss.
Conductive: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Sensory: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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ThediagrambelowshowsasketchofthevariationwithfrequencyfoftheintensitylevelILofsoundheardbyayoungpersonwithnormalhearing.
10 100 1000 10000–20
0
20
100
80
60
40
Frequency/Hz
Inte
nsity
leve
l/d
B
(b) OnthediagramsketchthevariationwithfoftheILofanelderlyperson. [2]
(c) Atafrequencyof3.0kHzapersonhasahearinglossof15dB.Forthefrequencyof3.0kHzcalculatetheratio
minimumintensityofsoundheardbypersonwithdefectivehearingminimumintensityofsoundheardbypersonwithnormalhearing
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D3. ThisquestionisaboutX-rays.
AparallelbeamofmonochromaticX-raysofphotonenergy30keVisincidentonmuscleasshowninthediagrambelow.Theincidentintensityis 0I andthetransmittedintensityisI.
muscle
x
transmittedbeamofintensityI
parallelincidentbeamofX-raysofintensityI0
The graph below shows the variationwith the thicknessx of the muscle of the transmittedintensityI.Theunitsofintensityarearbitrary.
thickness, x/mm0 4321
0.2
0.4
0.6
0.8
1
0
transmittedintensity,I
(This question continues on the following page)
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(Question D3 continued)
(a) Defineattenuation coefficient.
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(b) Usedatafromthegraphtodeterminetheattenuationcoefficientofmuscle.
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(c) Withreferencetotheattenuationcoefficientofmuscleandofbone,outlinetheformationofanX-rayimageofalimb.
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(d) Outlinethebasisofcomputedtomography(CT)scanning.
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D4. Thisquestionisaboutenergychangesinthebody.
Amanofweight700Ndoes“push-ups”as shown in thediagrambelow. Hisbody in theupperpositionmakesanangleof 25°tothehorizontal.Thebody’scentreofmassisadistanceof1.10mfromthefeet.
lowerposition upperposition
1.10m
centreofmass
25o
(a) Calculatetheworkdoneincompleting40push-ups.
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(b) During the exercise the total energy requirement of the man is approximately 150kJ.Suggest reasons for the difference between this energy requirement and your answerin(a).
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D5. Thisquestionisaboutradiationdosimetry.
(a) Defineexposure.
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(b) Apatientisinjectedwithagammarayemitter.Theradiationfromthesourcecreatesanexposureinthebodyof8.6 10 C kg−3 −1× .
Theaverageenergyrequiredtosinglyionizeanatominthehumanbodyisapproximately40eVandthequalityfactorforgammaradiationis1.Deducethatthiscorrespondstoadoseequivalentof340mSv.
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Option E — The History and Development of Physics
E1. Thisquestionisaboutthemotionofstars.
In thecourseofonenight, starsappear tomovealongarcs. Thediagrambelowshows theimagesofthepathsofthreestarsobtainedbyacamerainwhichtheshutterremainedopenforaperiodoftime.
(a) Describehowthesepathsmaybeexplainedin
(i) thePtolemaicmodel.
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(ii) theCopernicanmodel.
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(b) Withreferencetoyouranswerto(a)(ii)estimatethetimeforwhichthecamerashutterwasopen.
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E2. Thisquestionisaboutthemotionofplanets.
(a) OutlinethecontributionsofBraheandKeplertotheunderstandingofplanetarymotion.
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(b) OutlinehowNewton’scontributionstotheunderstandingofthelawsofplanetarymotionlead to theconclusion thatKepler’sunderstandingofplanetarymotionalsoapplies tocomets.
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E3. Thisquestionisaboutthecalorictheoryofheat.
(a) Outlinethecaloric(phlogiston)theoryofheat.
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(b) Stateandexplainonepieceofevidence thatdoesnotsupport thecaloric (phlogiston)theoryofheat.
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E4. Thisquestionisabouttheinversesquarelawinelectrostatics.
ThediagramshowspartoftheapparatusthatmaybeusedtoverifytheinversesquarenatureofCoulomb’selectrostaticlaw.
torsionalbalance
(a) Withtheaidofthediagramdescribehowtheinversesquarenatureofthelawmaybeverified.
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(b) OutlinehowCoulombobtainedchargesofdifferentknownrelativemagnitudes.
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E5. Thisquestionisaboutmodelsofthehydrogenatom.
(a) The Bohr model provides a partially successful explanation of the spectrum of thehydrogenatom.Themodelpredictsthattheenergy,E,oftheelectroninthehydrogenatomisgivenby
2
10En
−182.18×= −
wheren isanintegerandE isinjoules.
(i) Byreferencetothisequation,describehowtheBohrmodelaccountsforthelinespectrumofthehydrogenatom.
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(ii) Calculatetheshortestwavelengthoflightinthespectrumofatomichydrogen.
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(iii) State one characteristic of the spectrum of atomic hydrogen which cannot beaccountedforbytheBohrmodel.
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(b) Outline by reference to position and momentum how the Schrödinger model of thehydrogenatomisconsistentwiththeHeisenberguncertaintyprinciple.
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Option F — Astrophysics
F1. Thisquestionisaboutcometsandstars.
(a) Stateonedifference(otherthansize)betweentheorbitofatypicalcometandtheorbitoftheEartharoundtheSun.
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[1]
(b) Theaveragedistancebetweenthestarsinagalaxyisabout2pc.Atypicalgalaxyhasavolumeof1012pc3.Estimatethenumberofstarsinthegalaxy.
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[2]
F2. Thisquestionisaboutmagnitudeandapparentbrightness.
(a) Defineapparent brightnessandapparent magnitude.
Apparentbrightness: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Apparentmagnitude: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(Question F2 continued)
(b) The table gives information on the peak absolute magnitude and the peak apparentbrightnessoftwoCepheidstars.
star (peak) absolutemagnitude
(peak) apparentbrightness
DeltaCephei –3.47 9.010–10Wm–2
ZetaGeminorum –4.13 7.210–10Wm–2
StateandexplainwhetherDeltaCepheiorZetaGeminorum
(i) appearsbrighterfromEarth.
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(ii) isclosertoEarth.
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[2]
(c) TheluminosityofaCepheidstarisvariable.Outlinethereasonforthisvariation.
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(Question F2 continued)
ThegraphshowsthevariationwithperiodofthepeakluminosityofCepheidstars.
Period/days
Luminosity
10000
1000
100 1 10 100
Theluminosityisgivenintermsofthesolarluminosityof3.91026W.
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(Question F2 continued)
(d) (i) OutlinehowdatafromthegraphmaybeusedtodeterminethedistanceofagalaxyfromEarth.
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(ii) ThepeakapparentbrightnessofZetaGeminorumis7.210–10Wm–2andtheperiodofvariationofluminosityisapproximately10days.
Use data from the graph on previous page to deduce that the distance toZetaGeminorumfromEarthisabout1.11019m.
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F3. Thisquestionisaboutcosmicmicrowavebackgroundradiation.
(a) Statewhatismeantbycosmicmicrowavebackgroundradiation.
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(b) Describe how the cosmic microwave background radiation provides evidence for theexpandinguniverse.
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F4. Thisquestionisaboutstellarevolution.
ApartiallycompletedHertsprung-Russel(H-R)diagramisshownbelow.
S
F
I
S
Luminosity
Temperature
The line indicates the evolutionarypath of theSun from its present position,S, to itsfinalposition,F.AnintermediatestageintheSun’sevolutionislabelledbyI.
(a) StatetheconditionfortheSuntomovefrompositionS.
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(b) StateandexplainthechangeintheluminosityoftheSunthatoccursbetweenpositionsSandI.
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(Question F4 continued)
(c) Explain,byreferencetotheChandrasekharlimit,whythefinalstageoftheevolutionarypathoftheSunisatF.
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[2]
(d) Onthediagramonthepreviouspage,drawtheevolutionarypathofamainsequencestarthathasamassof30solarmasses. [1]
F5. ThisquestionisaboutHubble’slaw.
(a) StateHubble’slaw.
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(b) DeduceanexpressionfortheageToftheUniverseintermsoftheHubbleconstantH.
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Option G — Relativity
G1. Thisquestionisaboutthespeedoflight.
A pion is an unstable particle that decays into two photons. A particular pion, travellingat0.900cwithrespecttoanobserveratrestinalaboratory,decaysintotwophotons,LandR,travellinginoppositedirectionsasshowninthediagram.
0.900cpion
laboratory
photonL photonR
photonsafterdecay
Thespeedofbothphotonsasmeasuredbytheobserveratrestwithrespecttothepionisc.
(a) CalculatethevelocityofphotonRwithrespecttotheobserverinthelaboratoryusing
(i) Galileankinematics.
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(ii) relativistickinematics.
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G2. Thisquestionisaboutrelativistickinematics.
Arocketmovingat0.80c,relativetoEarth,passestheEarthonitswaytoadistantplanet.AsmeasuredbyanobserveronEarththedistancebetweenEarthandtheplanetis6.0ly.
0.80c
rocketEarthplanet
6.0ly diagramnottoscale
(a) CalculatethedurationofthejourneyfromEarthtotheplanetaccordingtotheobserver
(i) onEarth.
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(ii) intherocket.
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(Question G2 continued)
(b) Therocketpassesaspacestation that isat restwith respect to theEarth. Theproperlengthoftherocketandtheproperlengthofthespacestationareboth40m.
(i) Defineproper length.
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(ii) Determinethelengthofthespacestationaccordingtotheobserverintherocket.
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(Question G2 continued)
(c) Tomisanobserverinarocketthatmovespastaspacestation.Jerryisanobserverinthemiddleofthespacestation.Jerrysendstwolightsignalstowardsmirrorsatthefrontandthebackofthespacestation.ThesignalsareemittedsimultaneouslyaccordingtoTomandaccordingtoJerry.
ThesignalsarereflectedoffthemirrorsandarereceivedbyJerry.
Tom
rocket
Jerry
frontmirror
spacestation
backmirror
Determine,according to Tom,whether
(i) the frontor thebackof thespacestation receives thesignalfirstorwhether thesignalsarrivesimultaneously.
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(ii) thereflectedsignalsarriveatJerrysimultaneously.
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G3. Thisquestionisaboutrelativisticmechanics.
(a) A proton of rest mass 938 MeVc–2 is accelerated from rest through a potentialdifferenceV.Withrespecttoanobserverinthelaboratorythespeedoftheprotonafteracceleration is0.998c. Calculate thevalueof theacceleratingpotentialdifferenceasmeasuredbytheobserver.
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[4]
(b) ThegraphbelowshowsthevariationwithacceleratingpotentialdifferenceVofthespeedvofaprotonafteracceleration,accordingtoNewtonianmechanics.
v
V
c
00
Onthegraph,drawalinetoshowthevariationwithacceleratingpotentialdifferenceVofthespeedvofaprotonaccordingtorelativisticmechanics. [2]
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–26– M08/4/PHYSI/HP3/ENG/TZ1/XX+
G4. Thisquestionisaboutarelativisticdecay.
ParticleXhas restmass3520MeVc–2. Itdecaysat rest ina laboratory, into two identicalparticlesY.Thetwoparticlesmoveinoppositedirectionswithmomentum1490MeVc–1withrespecttothelaboraryasshowninthediagram.
particleY
particleY
particleXatrestbeforedecay
1490MeVc–1
1490MeVc–1
Determinetherestenergy,inunitsofMeV,ofparticleY.
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G5. Thisquestionisaboutblackholes.
(a) DefinetheSchwarzchild radiusofablackhole.
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(b) SuggestwhytheSchwarzchildradiusofablackholeislikelytoincreasewithtime.
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(c) ThediagramshowsablackholewithSchwarzchildradiusR.
X
S
Schwarzchildradius
blackhole
AnobserveratXsendsasignalthatisreceivedbythespacecraftS.
(i) Onthediagram,drawalinetoindicateapossiblepathoftheradiosignal. [1]
(ii) Explainthepathyouhavedrawn.
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Option H — Optics
H1. Thisquestionisaboutrefraction.
(a) Definerefractive index.
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(b) Thediagrambelowshowsthepathofarayofredlightincidentona 45°prism.
45°
45°90°
airredlight
normal
glassprism
A B
C
ThelightundergoestotalinternalreflectionatfaceBC.
(i) Statethevalueoftheangleofincidence onfaceBC.
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(ii) DeterminetheminimumrefractiveindexoftheglassoftheprismfortotalinternalreflectionoftherayatfaceBC.
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(c) Theredlightisreplacedbybluelight.Explainwhythepathofbluelightisthesameasthatoftheredlight.
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H2. Thisquestionisaboutimageformationbyaconverginglens.
(a) Definetheprincipal focus (focal point)ofaconverginglens.
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(b) Anobjectisplaced30cminfrontofaconverginglensoffocallength15cm.Theobjectismoved5.0cmclosertothelens.Determinethedisplacementoftheimage. [4]
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H3. Thisquestionisaboutanastronomicaltelescope.
Thediagramshowstwoconverginglensesadjustedtoformanastronomicaltelescope.
objectivelens eyepiecelens
I
Theobjectivelenshasafocallengthfoandtheeyepiecelenshasafocallengthfe.TheobjectivelensformsanimageofadistantobjectatI.Thefinalimageisformedatinfinity.
(a) State,intermsoffoandfe,theseparationoftheobjectivelensandtheeyepiecelens.
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(b) On the diagram, draw rays to show the formation of the image produced by theeyepiecelens. [4]
(c) (i) Defineangular magnification.
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(ii) State,intermsoffoandfe,,theangularmagnificationofthetelescope.
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H4. Thisquestionisaboutdiffraction.
Monochromaticlightisincidentonasingleslitofwidth1.2 10 m−4× .
incidentlight 1.2 10 m−4×
Diagramnottoscale
screen
Thegraphshowsthevariationwithangle oftheintensityofthelightonthescreen.
relativeintensity
/×10–3rad
1
0.8
0.6
0.4
0.2
0.0
–6 –4 –2 0 2 4 6
(a) Usethegraphtoestimatethewavelengthofthelight.
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(b) Monochromaticlightisincidentontwoparallelslits.Afterpassingthroughtheslits,the
lightisincidentonascreen.Theseparationoftheslitsisapproximatelytwicetheslitwidth.Ontheaxesabovedrawagraphtoshowtheintensitydistributionofthelightonthescreen. [2]
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H5. Thisquestionisaboutthinfilminterference.
Thediagramshowsmonochromaticlightinair,thatisincidentonathinfilmofsiliconoxideofthicknessd.
incidentray
normal A B
air
siliconoxide
air
d
The light is incident at an angle to the normal to the surface. Light is reflected alongdirectionsAandB.
(a) StatewhylightwavesalongAandBarecoherent.
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(b) Thewavelengthof the light in thesiliconoxidefilmis452nm. The light is incidentnormallyonthesurfacesothat =0.CalculatetheminimumthicknessofthefilmsuchthatlightalongAandBundergoesdestructiveinterference.
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(c) Thelightincidentonthefilmisreplacedbywhitelight.Stateandexplaintheappearanceofthefilminthiscase.
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