+ All Categories
Home > Documents > IB Physics Syllabus

IB Physics Syllabus

Date post: 03-Nov-2014
Category:
Upload: ks-wang
View: 224 times
Download: 6 times
Share this document with a friend
Description:
IB Physics
Popular Tags:
126
Physics HL Syllabus (2009) Marc Wierzbitzki Including notes on HL Option E (Astrophysics) and H (Relativity) IB Session May 2012 16
Transcript
Page 1: IB Physics Syllabus

     

Physics  HL  Syllabus  (2009)    Marc  Wierzbitzki  Including  notes  on  HL  Option  E  (Astrophysics)  and  H  (Relativity)  

IB  Session  May  201216  

Page 2: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    2  

 

TABLE  OF  CONTENT  

1.1  THE  REALM  OF  PHYSICS   4  1.2  MEASUREMENT  AND  UNCERTAINTIES   5  1.3  VECTORS  AND  SCALARS   7  

2.1  KINEMATICS   8  2.2  FORCES  AND  DYNAMICS   9  2.3  WORK,  ENERGY  AND  POWER   11  2.4  UNIFORM  CIRCULAR  MOTION   12  

3.1  THERMAL  CONCEPTS   14  3.2  THERMAL  PROPERTIES  OF  MATTER   15  

4.1  KINEMATICS  OF  SIMPLE  HARMONIC  MOTION  (SHM)   21  4.2  ENERGY  CHANGES  DURING  SIMPLE  HARMONIC  MOTION  (SHM)   22  4.3  FORCED  OSCILLATIONS  AND  RESONANCE   23  4.4  WAVE  CHARACTERISTICS   24  4.5  WAVE  PROPERTIES   26  

5.1  ELECTRIC  POTENTIAL  DIFFERENCE,  CURRENT  AND  RESISTANCE   29  5.2  ELECTRIC  CIRCUITS   31  

6.1  GRAVITATIONAL  FORCE  AND  FIELD   34  6.3  MAGNETIC  FORCE  AND  FIELD   36  

7.1  THE  ATOM   39  7.2  RADIOACTIVE  DECAY   41  7.3  NUCLEAR  REACTIONS,  FISSION  AND  FUSION   42  

8.1  ENERGY  DEGRADATION  AND  POWER  GENERATION   46  8.2  WORLD  ENERGY  SOURCES   46  8.3  FOSSIL  FUEL  POWER  PRODUCTION   47  8.4  NON-­‐FOSSIL  FUEL  POWER  PRODUCTION   48  8.5  GREENHOUSE  EFFECT   53  8.6  GLOBAL  WARMING   55  

9.1  PROJECTILE  MOTION   58  9.2  GRAVITATIONAL  FIELD,  POTENTIAL  AND  ENERGY   58  9.3  ELECTRIC  FIELD,  POTENTIAL  AND  ENERGY   60  9.4  ORBITAL  MOTION   62  

10.1  THERMODYNAMICS   64  10.2  PROCESSES   65  10.3  SECOND  LAW  OF  THERMODYNAMICS  AND  ENTROPY   66  

11.1  STANDING  (STATIONARY)  WAVES   68  

Page 3: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    3  

11.2  DOPPLER  EFFECT   69  11.3  DIFFRACTION   70  11.4  RESOLUTION   71  11.5  POLARIZATION   72  

12.1  INDUCED  ELECTROMOTIVE  FORCE  (EMF)   75  12.2  ALTERNATING  CURRENT   76  12.3  TRANSMISSION  OF  ELECTRICAL  POWER   78  

13.1  QUANTUM  PHYSICS   80  13.2  NUCLEAR  PHYSICS   84  

14.1  ANALOGUE  AND  DIGITAL  SIGNALS   88  14.2  DATA  CAPTURE;  DIGITAL  IMAGING  USING  CHARGE-­‐COUPLED  DEVICES  (CCDS)   90  

E1  INTRODUCTION  TO  THE  UNIVERSE   93  E3  STELLAR  DISTANCES   99  E4  COSMOLOGY   102  E5  STELLAR  PROCESSES  AND  STELLAR  EVOLUTION   107  E6  GALAXIES  AND  THE  EXPANDING  UNIVERSE   110  

H1  INTRODUCTION  TO  RELATIVITY   113  H2  CONCEPTS  AND  POSTULATES  OF  SPECIAL  RELATIVITY   113  H3  RELATIVISTIC  KINEMATICS   114  H4  SOME  CONSEQUENCES  OF  SPECIAL  RELATIVITY   117  H5  EVIDENCE  TO  SUPPORT  SPECIAL  RELATIVITY   119  H6  RELATIVISTIC  MOMENTUM  AND  ENERGY   121  H7  GENERAL  RELATIVITY   122  H8  EVIDENCE  TO  SUPPORT  GENERAL  RELATIVITY   125        

Page 4: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    4  

1.1  The  realm  of  physics       Assessment  statement   Teacher’s  notes    1.1.1   State  and  compare  

quantities  to  the  nearest  order  to  magnitude.  

  Comparison  between  orders  of  magnitude  can  easily  be  made  because  working  out  the  ration  between  two  powers  of  ten  is  just  a  matter  of  adding  or  subtracting  whole  numbers.  The  diameter  of  an  atom,  10-­‐10,  does  not  sound  that  much  bigger  than  the  diameter  of  a  proton  in  its  nucleus,  10-­‐15,  but  the  ratio  between  them  is  105  or  100,000  times  bigger.  This  is  the  same  ration  as  between  the  size  of  a  railway  station  and  the  diameter  of  the  Earth.    

1.1.2   State  the  ranges  of  magnitude  of  distances,  masses  and  times  that  occur  in  the  universe,  from  smallest  to  greatest.  

Distances:  from  10–15  m  to  10+25  m  (sub-­‐nuclear  particles  to  extent  of  the  visible  universe).  Masses:  from  10–30  kg  to  10+50  kg  (electron  to  mass  of  the  universe).  Times:  from  10–23  s  to  10+18  s  (passage  of  light  across  a  nucleus  to  the  age  of  the  universe).  

Distance:  1026   Radius  of  observable  

Universe  1021   Radius  of  local  galaxy  1017   Distance  to  nearest  star  1011   Distance  from  Earth  to  Sun  109   Distance  from  Earth  to  Moon  107   Radius  of  Earth  105   Deepest  part  of  the  ocean  /  

highest  mountain  102   Tallest  building  10-­‐2   Length  of  fingernail  10-­‐4   Thickness  of  piece  of  paper  10-­‐6   Wavelength  of  light  10-­‐10   Diameter  of  hydrogen  atom  10-­‐12   Wavelength  of  gamma  ray  10-­‐15   Diameter  of  proton    Mass:  1052   Total  mass  of  observable  

Universe  1042   Mass  of  local  galaxy  1030   Mass  of  Sun  1025   Mass  of  Earth  1021   Total  mass  of  oceans  1018   Total  mass  of  atmosphere  109   Laden  oil  super  tanker  104     Elephant  102   Human  10-­‐2   Mouse  10-­‐7   Grain  of  sand  10-­‐10   Blood  corpuscle  10-­‐14   Bacterium  10-­‐22   Haemoglobin  molecule  10-­‐27   Proton  10-­‐30   Electron    Time:  1018   Age  of  the  universe  1017   Age  of  the  Earth  1014   Age  of  species  –  homo  

sapiens  109   Typical  human  lifespan  107     1  year  105   1  day  100   One  heartbeat  10-­‐3   Period  of  high-­‐frequency  

sound  

Page 5: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    5  

10-­‐8   Passage  of  light  across  a  room  

10-­‐13   Vibration  of  an  ion  in  a  solid  10-­‐15   Period  of  visible  light  10-­‐19   Passage  of  light  across  an  

atom  10-­‐23   Passage  of  light  across  a  

nucleus    

1.1.3   State  ratios  of  quantities  as  differences  of  orders  of  magnitude.  

For  example,  the  ratio  of  the  diameter  of  the  hydrogen  atom  to  its  nucleus  is  about  105,  or  a  difference  of  five  orders  of  magnitude.  

See  1.1.1  

1.1.4   Estimate  approximate  values  of  everyday  quantities  to  one  or  two  significant  figures  and  /or  to  the  nearest  order  of  magnitude.  

  See  1.1.2  

   

1.2  Measurement  and  uncertainties       Assessment  statement   Teacher’s  notes    1.2.1      

State  the  fundamental  units  in  the  SI  system.  

Students  need  to  know  the  following:  kilogram,  metre,  second,  ampere,  mole  and  kelvin.  

Kilogram  Metre  Second  Ampere  Mole  Kelvin  (Candela)  

1.2.2   Distinguish  between  fundamental  and  derived  units  and  give  examples  of  derived  units.  

  Fundamental  units  are  the  SI  units  stated  above.  Derived  units  are  combinations  of  SI  units,  such  as  𝑠𝑝𝑒𝑒𝑑 = !"#$"%

!"#$%&  

1.2.3   Convert  between  different  units  of  quantities.  

For  example,  J  and  kW  h,  J  and  eV,  year  and  second,  and  between  other  systems  and  SI.  

 

1.2.4   State  units  in  the  accepted  SI  format.  

Students  should  use  m  s–2  not  m/s2  and  m  s–1  not  m/s.  

 

1.2.5   State  values  in  scientific  notation  and  in  multiples  of  units  with  appropriate  prefixes.  

For  example,  use  nanoseconds  or  gigajoules  

 

1.2.6   Describe  and  give  examples  of  random  and  systematic  errors.  

  Repeating  readings  does  not  reduce  systematic  errors.  Sources  of  random  errors  include  the  readability  of  the  instrument,  the  observer  being  less  than  perfect  and  the  effects  of  a  change  in  the  surroundings.  Sources  of  systematic  errors  include  and  instrument  being  wrongly  calibrated,  the  observer  being  less  than  perfect  in  the  same  way  every  measurement,  …  

1.2.7   Distinguish  between  precision  and  accuracy.  

A  measurement  may  have  great  precision  yet  may  be  inaccurate  (for  example,  if  the  instrument  

An  accurate  experiment  is  one  that  has  a  small  systematic  error,  whereas  a  precise  experiment  is  

Page 6: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    6  

has  a  zero  offset  error).   one  that  has  a  small  random  error.    

1.2.8   Explain  how  the  effects  of  random  errors  may  be  reduced.  

Students  should  be  aware  that  systematic  errors  are  not  reduced  by  repeating  readings.  

Repeat  the  readings  to  reduce  random  human  error.    

1.2.9   Calculate  quantities  and  results  of  calculations  to  the  appropriate  number  of  significant  figures.  

The  number  of  significant  figures  should  reflect  the  precision  of  the  value  or  of  the  input  data  to  a  calculation.  Only  a  simple  rule  is  required:  for  multiplication  and  division,  the  number  of  significant  digits  in  a  result  should  not  exceed  that  of  the  least  precise  value  upon  which  it  depends.  The  number  of  significant  figures  in  any  answer  should  reflect  the  number  of  significant  figures  in  the  given  data.  

For  multiplication  and  division,  the  number  of  significant  digits  in  a  result  should  not  exceed  that  of  the  least  precise  value  upon  which  it  depends.  The  number  of  significant  figures  in  any  answer  should  reflect  the  number  of  significant  figures  in  the  given  data.  

1.2.10   State  uncertainties  as  absolute,  fractional  and  percentage  uncertainties.  

   

1.2.11   Determine  the  uncertainties  in  results.  

A  simple  approximate  method  rather  than  root  mean  squared  calculations  is  sufficient  to  determine  maximum  uncertainties.  For  functions  such  as  addition  and  subtraction,  absolute  uncertainties  may  be  added.  For  multiplication,  division  and  powers,  percentage  uncertainties  may  be  added.  For  other  functions  (for  example,  trigonometric  functions),  the  mean,  highest  and  lowest  possible  answers  may  be  calculated  to  obtain  the  uncertainty  range.  If  one  uncertainty  is  much  larger  than  others,  the  approximate  uncertainty  in  the  calculated  result  may  be  taken  as  due  to  that  quantity  alone.  

For  functions  such  as  addition  and  subtraction,  absolute  uncertainties  may  be  added.  For  multiplication,  division  and  powers,  percentage  uncertainties  may  be  added.  For  other  functions  (for  example,  trigonometric  functions),  the  mean,  highest  and  lowest  possible  answers  may  be  calculated  to  obtain  the  uncertainty  range.  

1.2.12   Identify  uncertainties  as  error  bars  in  graphs.  

   

1.2.13   State  random  uncertainty  as  an  uncertainty  range  (±)  and  represent  it  graphically  as  an  “error  bar”.  

Error  bars  need  be  considered  only  when  the  uncertainty  in  one  or  both  of  the  plotted  quantities  is  significant.  Error  bars  will  not  be  expected  for  trigonometric  or  logarithmic  functions.  

 

1.2.14   Determine  the  uncertainties  in  the  gradient  and  intercepts  of  a  straight-­‐line  graph.  

Only  a  simple  approach  is  needed.  To  determine  the  uncertainty  in  the  gradient  and  intercept,  error  bars  need  only  be  added  to  the  first  and  the  last  data  points.  

 

Page 7: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    7  

1.3  Vectors  and  scalars       Assessment  statement   Teacher’s  notes    1.3.1   Distinguish  between  

vector  and  scalar  quantities,  and  give  examples  of  each.  

A  vector  is  represented  in  print  by  a  bold  italicized  symbol,  for  example,  F.  

A  quantity  that  has  magnitude  and  direction  is  called  a  vector  quantity  whereas  one  that  has  only  magnitude  is  called  a  scalar  quantity.    

1.3.2   Determine  the  sum  or  difference  of  two  vectors  by  a  graphical  method.  

Multiplication  and  division  of  vectors  by  scalars  is  also  required.  

 

1.3.3   Resolve  vectors  into  

perpendicular  components  along  chosen  axes.  

For  example,  resolving  parallel  and  perpendicular  to  an  inclined  plane.  

 

   

Page 8: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    8  

2.1  Kinematics       Assessment  statement   Teacher’s  notes    2.1.1   Define  displacement,  

velocity,  speed  and  acceleration.  

Quantities  should  be  identified  as  scalar  or  vector  quantities.  See  sub-­‐topic  1.3.  

Displacement:  the  distance  moved  in  a  particular  direction  Velocity:  the  rate  of  change  of  displacement  Speed:  the  rate  of  change  of  distance  Acceleration:  the  rate  of  change  of  velocity  

2.1.2   Explain  the  difference  between  instantaneous  and  average  values  of  speed,  velocity  and  acceleration.  

  An  instantaneous  value  of  speed,  velocity  or  acceleration  is  one  at  a  particular  point  in  time.    An  average  value  of  speed,  velocity  or  acceleration  is  taken  over  a  period  of  time.  

2.1.3   Outline  the  conditions  under  which  the  equations  for  uniformly  accelerated  motion  may  be  applied.  

.   The  equations  for  uniformly  accelerated  motion  can  only  be  applied  if  the  acceleration  is  constant.  They  are  as  follows:    

 2.1.4   Identify  the  acceleration  

of  a  body  falling  in  a  vacuum  near  the  Earth’s  surface  with  the  acceleration  g  of  free  fall.  

  When  we  ignore  the  effect  of  air  resistance  on  an  object  falling  due  to  gravity  we  say  that  the  object  is  under  free  fall.  Free  fall  is  an  example  of  uniformly  accelerated  motion  as  the  only  force  acting  on  the  object  is  gravity.  In  the  absence  of  air  resistance,  all  falling  objects  have  the  same  acceleration,  independent  of  their  mass.    

2.1.5   Solve  problems  involving  the  equations  of  uniformly  accelerated  motion.  

  Example:  A  car  accelerated  uniformly  from  rest.  After  10s  it  has  travelled  200m.    Average  acceleration:    

𝑠 = 𝑢𝑡 +12𝑎𝑡!  

200 = 0 ∗ 10 +12𝑎 ∗ 10!  

𝑎 = 4    Instantaneous  speed  after  10s:    

𝑣! = 𝑢! + 2𝑎𝑠  𝑣! = 0 + 2 ∗ 4 ∗ 10  

𝑣 = 8.9  2.1.6   Describe  the  effects  of  air  

resistance  on  falling  objects.  

Only  qualitative  descriptions  are  expected.  Students  should  understand  what  is  meant  by  terminal  speed.  

Air  resistance  eventually  affects  all  objects  that  are  in  motion.  Due  to  air  resistance  objects  can  reach  terminal  velocity.  This  is  a  point  by  which  the  velocity  remains  constant  and  acceleration  is  zero.      

Page 9: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    9  

2.1.7   Draw  and  analyse  distance–time  graphs,  displacement–time  graphs,  velocity–time  graphs  and  acceleration–time  graphs.  

Students  should  be  able  to  sketch  and  label  these  graphs  for  various  situations.  They  should  also  be  able  to  write  descriptions  of  the  motions  represented  by  such  graphs.  

 2.1.8   Calculate  and  interpret  the  

gradients  of  displacement–time  graphs  and  velocity–time  graphs,  and  the  areas  under  velocity–time  graphs  and  acceleration–time  graphs.  

   

2.1.9   Determine  relative  velocity  in  one  and  in  two  dimensions.  

  If  two  things  are  moving  in  the  same  straight  line  but  are  travelling  at  different  speeds,  then  we  can  work  out  their  relative  velocities.    

   

2.2  Forces  and  dynamics       Assessment  statement   Teacher’s  notes    2.2.1   Calculate  the  weight  of  a  

body  using  the  expression  W  =  mg.  

  The  weight  of  a  body  is  the  gravitational  force  experienced  by  that  body.    

2.2.2   Identify  the  forces  acting  on  an  object  and  draw  free-­‐body  diagrams  representing  the  forces  acting.  

Each  force  should  be  labelled  by  name  or  given  a  commonly  accepted  symbol.  Vectors  should  have  lengths  approximately  proportional  to  their  magnitudes.  See  sub-­‐topic  1.3.  

 

2.2.3   Determine  the  resultant  force  in  different  situations.  

  The  resultant  force  is  the  overall  force  acting  on  an  object  when  all  individual  forces  have  been  added  together.    

   

2.2.4   State  Newton’s  first  law  of  motion.  

  ‘An  object  continues  in  uniform  motion  in  a  straight  line  or  at  rest  unless  a  resultant  external  force  acts.’  All  it  says  is  that  a  resultant  force  causes  acceleration.    

2.2.5   Describe  examples  of  Newton’s  first  law.  

   

2.2.6   State  the  condition  for  translational  equilibrium.  

  If  the  resultant  force  on  an  object  is  zero  then  it  is  said  to  be  in  

Page 10: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    10  

translational  equilibrium.  2.2.7   Solve  problems  involving  

translational  equilibrium.      

2.2.8   State  Newton’s  second  law  of  motion.  

  A  correct  statement  of  Newton’s  second  law  using  momentum  would  be  ‘the  resultant  force  is  proportional  to  the  rate  of  change  of  momentum.’  ‘The  resultant  force  is  proportional  to  the  acceleration.’  ‘The  resultant  force  is  equal  to  the  product  of  the  mass  and  the  acceleration.’  

2.2.9   Solve  problems  involving  Newton’s  second  law.  

  If  a  mass  of  3kg  is  accelerated  in  a  straight  line  by  a  resultant  force  of  12N  then  the  acceleration  must  be  4m  s-­‐2  since  F=ma.    

2.2.10   Define  linear  momentum  and  impulse.  

  Linear  momentum  is  defined  as  the  product  of  mass  and  velocity.  It  is  a  vector.  The  change  or  momentum  is  called  the  impulse.    

2.2.11   Determine  the  impulse  due  to  a  time-­‐varying  force  by  interpreting  a  force–time  graph.  

 2.2.12   State  the  law  of  

conservation  of  linear  momentum.  

  ‘The  total  linear  momentum  of  a  system  is  of  interacting  particles  remains  constant  provided  there  is  no  resultant  external  force.’  

2.2.13   Solve  problems  involving  momentum  and  impulse.  

   

2.2.14   State  Newton’s  third  law  of  motion.  

  ‘When  two  bodies  A  and  B  interact,  the  force  that  A  exerts  on  B  is  equal  and  opposite  to  the  force  that  B  exerts  on  A.’  

2.2.15   Discuss  examples  of  Newton’s  third  law.  

Students  should  understand  that  when  two  bodies  A  and  B  interact,  the  force  that  A  exerts  on  B  is  equal  and  opposite  to  the  force  that  B  exerts  on  A.  

         

Page 11: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    11  

2.3  Work,  energy  and  power       Assessment  statement   Teacher’s  notes    2.3.1   Outline  what  is  meant  by  

work.  Students  should  be  familiar  with  situations  where  the  displacement  is  not  in  the  same  direction  as  the  force.  

Work  is  done  when  a  force  moves  its  point  of  application  in  the  direction  of  the  force.  If  the  force  moves  to  right  angles  to  the  direction  of  the  force,  then  no  work  has  been  done.    

𝑊𝑜𝑟𝑘  𝑑𝑜𝑛𝑒 = 𝐹𝑠𝑐𝑜𝑠𝜃  It  is  a  scalar  quantity.    

2.3.2   Determine  the  work  done  by  a  non-­‐constant  force  by  interpreting  a  force–displacement  graph.  

A  typical  example  would  be  calculating  the  work  done  in  extending  a  spring.  See  2.3.7.  

The  total  work  done  is  the  area  under  the  force-­‐displacement  graph.    

 2.3.3   Solve  problems  involving  

the  work  done  by  a  force.      

2.3.4   Outline  what  is  meant  by  kinetic  energy.  

  The  energy  that  an  object  has  as  a  result  of  its  motion.  

2.3.5   Outline  what  is  meant  by  change  in  gravitational  potential  energy.  

   

2.3.6   State  the  principle  of  conservation  of  energy.  

  Overall  the  total  energy  of  any  closed  system  must  be  constant.  Energy  is  neither  created  nor  destroyed,  it  just  changes  form.  There  is  not  change  in  the  total  energy  in  the  Universe.  

2.3.7   List  different  forms  of  energy  and  describe  examples  of  the  transformation  of  energy  from  one  form  to  another.  

  -­‐ Kinetic  energy  -­‐ Gravitational  potential  -­‐ Elastic  potential  energy  -­‐ Electrostatic  potential  -­‐ Thermal  energy  -­‐ Electrical  energy  -­‐ Chemical  energy  -­‐ Nuclear  energy  -­‐ Internal  energy  -­‐ Radiant  energy  -­‐ Solar  energy  -­‐ Light  energy  

2.3.8   Distinguish  between  elastic  and  inelastic  collisions.  

Students  should  be  familiar  with  elastic  and  inelastic  collisions  and  explosions.  Knowledge  of  the  coefficient  of  restitution  is  not  required.  

A  collision  in  which  no  mechanical  energy  is  lost  is  called  an  elastic  collision.  Most  collisions  are  inelastic  because  kinetic  energy  is  transformed  to  other  forms  of  energy.  If  you  are  asked  whether  a  collision  is  elastic  or  inelastic,  calculate  the  kinetic  energy  before  and  after  the  collision  

2.3.9   Define  power.     Power  is  defined  as  the  rate  at  which  energy  is  transferred.  This  

Page 12: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    12  

is  the  same  as  the  rate  at  which  work  is  done.    

2.3.10   Define  and  apply  the  concept  of  efficiency.  

  We  define  efficiency  as  the  ratio  of  useful  energy  to  the  total  energy  transferred.  It  is  often  expressed  as  a  percentage.    

2.3.11   Solve  problems  involving  momentum,  work,  energy  and  power.  

   

   

2.4  Uniform  circular  motion       Assessment  statement   Teacher’s  notes    2.4.1   Draw  a  vector  diagram  to  

illustrate  that  the  acceleration  of  a  particle  moving  with  constant  speed  in  a  circle  is  directed  towards  the  centre  of  the  circle.  

 

 

2.4.2   Apply  the  expression  for  centripetal  acceleration.  

  The  acceleration  of  a  particle  travelling  in  circular  motion  is  called  the  centripetal  acceleration.  The  force  needed  to  cause  the  centripetal  acceleration  is  called  the  centripetal  force.    The  acceleration  of  any  object  moving  at  constant  speed  in  a  circle  is  given  by:  

𝑎 =𝑣!

𝑟  

The  centripetal  acceleration  is  required  for  an  object  to  move  in  a  circle  at  constant  speed.    

2.4.3   Identify  the  force  producing  circular  motion  in  various  situations.  

Examples  include  gravitational  force  acting  on  the  Moon  and  friction  acting  sideways  on  the  tyres  of  a  car  turning  a  corner.  

Centripetal  force:  𝐹 = 𝑚𝑎 = !!!

!  

 (Ball  at  the  end  of  a  string,  swung  vertically)  

2.4.4   Solve  problems  involving  circular  motion.  

Problems  on  banked  motion  (aircraft  and  vehicles  going  round  banked  tracks)  will  not  be  included.  

Example:  A  car  of  mass  1500kg  is  travelling  at  constant  speed  of  20ms-­‐1  around  a  circular  track  of  radius  50m.  The  resultant  force  

Page 13: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    13  

that  must  be  acting  on  it  works  out  to  be:    

𝐹 =1500 20 !

50= 12000𝑁  

The  centripetal  force  does  not  do  any  work.  

     

Page 14: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    14  

3.1  Thermal  concepts       Assessment  statement   Teacher’s  notes    3.1.1   State  that  temperature  

determines  the  direction  of  thermal  energy  transfer  between  two  objects.  

Students  should  be  familiar  with  the  concept  of  thermal  equilibrium.  

Hot  and  cold  are  just  labels  that  identify  the  direction  in  which  thermal  energy  will  be  naturally  transferred  when  two  objects  are  placed  in  thermal  contact.  Thermal  energy  naturally  flows  from  hot  to  cold.  Eventually,  two  objects  would  be  expected  to  reach  the  same  temperature  –  thermal  equilibrium.    

3.1.2   State  the  relation  between  the  Kelvin  and  Celsius  scales  of  temperature.  

T/K  =  t/°C  +  273  is  sufficient.    

3.1.3   State  that  the  internal  energy  of  a  substance  is  the  total  potential  energy  and  random  kinetic  energy  of  the  molecules  of  the  substance.  

Students  should  know  that  the  kinetic  energy  of  the  molecules  arises  from  their  random/translational/  rotational  motion  and  that  the  potential  energy  of  the  molecules  arises  from  the  forces  between  the  molecules.  

The  molecules  have  kinetic  energy  because  they  are  moving.  To  be  absolutely  precise,  a  molecule  can  have  either  translational  kinetic  energy  (the  whole  molecule  is  moving  in  a  certain  direction)  or  rotational  kinetic  energy  (the  molecule  is  rotating  about  one  or  more  axes).  The  molecules  have  potential  energy  because  of  the  intermolecular  forces.  If  we  imagine  pulling  two  molecules  further  apart,  this  would  require  work  against  intermolecular  forces.    

3.1.4   Explain  and  distinguish  between  the  macroscopic  concepts  of  temperature,  internal  energy  and  thermal  energy  (heat).  

Students  should  understand  that  the  term  thermal  energy  refers  to  the  non-­‐mechanical  transfer  of  energy  between  a  system  and  its  surroundings.  In  this  respect  it  is  just  as  incorrect  to  refer  to  the  “thermal  energy  in  a  body”  as  it  would  be  to  refer  to  the  “work  in  a  body”.  

The  macroscopic  point  of  view  considers  the  system  as  a  whole  and  sees  how  it  interacts  with  its  surroundings.  The  microscopic  point  of  view  looks  inside  the  system  to  see  how  its  component  parts  interact  with  each  other.    

3.1.5   Define  the  mole  and  molar  mass.  

  Mole:  the  mole  is  the  basic  SI  unit  for  ‘amount  of  substance’.  One  mole  of  any  substance  is  equal  to  the  amount  of  that  substance  that  contains  the  same  number  of  atoms  as  0.012kg  of  carbon-­‐12.    Molar  Mass:  The  mass  of  one  mole  of  a  substance  is  called  the  molar  mass.  A  simple  rule  applies.  If  an  element  has  a  certain  mass  number,  A,  then  the  molar  mass  will  be  A  grams.    

3.1.6   Define  the  Avogadro  constant.  

  The  number  of  atoms  in  0.012kg  or  carbon-­‐12  (6.02x1023)  

   

Page 15: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    15  

3.2  Thermal  properties  of  matter       Assessment  statement   Teacher’s  notes    3.2.1   Define  specific  heat  

capacity  and  thermal  capacity.  

  Thermal  capacity:  The  energy  required  to  raise  the  temperature  of  an  object  by  1K.  (C)    Specific  heat  capacity:  The  energy  required  to  raise  a  unit  mass  of  a  substance  by  1K.  (c)  

3.2.2   Solve  problems  involving  specific  heat  capacities  and  thermal  capacities.  

  e.g.  When  a  car  brakes,  an  amount  of  thermal  energy  equal  to  112500J  is  generated  in  the  brake  drums.  If  the  mass  of  the  brake  drums  is  28kg  and  their  specific  heat  capacity  is  460.5J  kg-­‐1  K-­‐1,  what  is  the  change  in  their  temperature?    From  𝑄 = 𝑚𝑐Δ𝑇  we  find:  

Δ𝑇 =𝑄𝑚𝑐

=11250028 ∗ 460.5

= 8.7°𝐶    e.g.  A  piece  of  iron  of  mass  200g  and  temperature  300°C  is  dropped  into  1.00kg  of  water  of  temperature  20°C.  What  will  be  the  eventual  temperature  of  the  water?  (Take  c  for  iron  as  470  and  for  water  as  4200)    Let  T  be  the  final  unknown  temperature.  The  iron  will  also  be  at  this  temperature,  so    Amount  of  thermal  energy  lost  by  the  iron  

= 𝑚!𝑐!(300 − 𝑇)  and  the  amount  of  thermal  energy  gained  by  the  water  

= 𝑚!𝑐!(𝑇 − 20)  Conservation  of  energy  demands  that  thermal  energy  lost  =  thermal  energy  gained:  𝑚!𝑐!(𝑇 − 20) = 𝑚!𝑐!(300 − 𝑇)  

àT=26°C  Note  how  the  large  specific  heat  capacity  of  water  leads  to  a  small  increase  in  the  temperature  of  water  compared  with  the  huge  drop  in  the  temperature  of  iron.    

3.2.3   Explain  the  physical  differences  between  the  solid,  liquid  and  gaseous  phases  in  terms  of  molecular  structure  and  particle  motion.  

Only  a  simple  model  is  required.  

A  solid  is  made  up  of  particles  that  are  arranged  in  a  solid  3D  shape.  There  is  a  strong  force  of  attraction  between  the  particles.  If  the  solid  was  to  be  heated  the  particles  would  gain  more  energy  and  start  to  vibrate  more  vigorously.    

Page 16: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    16  

 In  a  liquid  the  particles  are  free  to  move  around.  A  liquid  will  mould  itself  to  the  shape  of  the  container  it  is  in.  There  is  still  a  force  of  attraction  between  the  particles.    

 In  a  gas  the  particles  are  free  to  move  around.  The  particles  have  a  lot  of  energy  so  they  move  quickly.  Collisions  between  the  molecules  and  the  sides  of  the  container  are  responsible  for  the  pressure  a  gas  exerts.  There  is  almost  no  force  of  attraction  between  the  molecules  in  a  gas.      

 3.2.4   Describe  and  explain  the  

process  of  phase  changes  in  terms  of  molecular  behaviour.  

Students  should  be  familiar  with  the  terms  melting,  freezing,  evaporating,  boiling  and  condensing,  and  should  be  able  to  describe  each  in  terms  of  the  changes  in  molecular  potential  and  random  kinetic  energies  of  molecules.  

Kinetic  theory  can  be  used  to  explain  what  happens  when  a  substance  is  heated.  To  change  from  a  solid  to  a  liquid  the  particles  must  gain  sufficient  kinetic  energy  to  overcome  the  forces  between  them  and  break  away  from  their  fixed  positions.  While  the  substance  changes  state  its  temperature  does  not  change.  Once  the  phase  change  has  been  completed  the  particles  begin  to  gain  more  kinetic  energy  and  the  temperature  of  the  substance  increases  again.  As  the  boiling  point  is  reached  the  particles  gain  enough  kinetic  energy  to  completely  overcome  the  intermolecular  forces  and  escape  into  the  gaseous  state.      

Page 17: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    17  

 3.2.5   Explain  in  terms  of  

molecular  behaviour  why  temperature  does  not  change  during  a  phase  change.  

  The  input  energy  is  used  to  break  or  create  bonds  and  so  the  energy  is  not  turned  into  kinetic  energy  of  the  particles.    

3.2.6   Distinguish  between  evaporation  and  boiling.  

  Evaporation  is  the  change  of  state  from  liquid  to  gas  that  occurs  below  the  boiling  point  of  that  liquid.  In  a  liquid,  a  small  amount  of  the  molecules  have  enough  kinetic  energy  to  leave  the  surface  of  the  liquid  and  become  a  gas.  As  the  high-­‐energy  molecules  leave  the  liquid,  the  temperature  of  the  remaining  liquid  falls.    Rate  of  evaporation  depends  on:  -­‐ The  surface  area  of  the  liquid.  As  molecules  leave  from  the  surface  of  the  liquid  only,  a  bigger  surface  area  will  mean  a  greater  rate  of  evaporation.    

-­‐ The  temperature  of  the  liquid.  If  the  liquid  is  warmer  then  more  molecules  will  have  sufficient  kinetic  energy  to  escape.    

-­‐ The  pressure  of  the  air  above  the  liquid.  If  the  pressure  is  higher  more  kinetic  energy  will  be  required.    

-­‐ The  movement  of  air.  If  there  is  a  drought  across  the  liquid  the  rate  of  evaporation  will  increase.      Boiling  occurs  when  the  whole  liquid  is  heated  to  its  boiling  point.  All  the  molecules  have  sufficient  kinetic  energy  to  turn  into  a  gas.    

3.2.7   Define  specific  latent  heat.  

  The  thermal  energy  required  to  melt  a  unit  mass  of  material  at  its  melting  point  is  called  the  specific  latent  heat  of  fusion  and  the  termal  energy  required  to  vaporize  a  unit  mass  at  its  boiling  point  is  called  the  specific  latent  heat  of  vaporization.  Thus  to  melt  or  vaporize  a  mass  m,  we  require  a  quantitiy  of  thermal  energy    

𝑄 = 𝑚𝐿!  𝑎𝑛𝑑  𝑄 = 𝑚𝐿!    respectively.  The  units  are  J  kg-­‐1.  

3.2.8   Solve  problems  involving  specific  latent  heats.  

Problems  may  include  specific  heat  calculations.  

e.g.  An  ice  cube  of  mass  25g  and  temperature  -­‐10°C  is  dropped  into  a  glass  of  water  of  mass  300g  and  temperature  20°C.  What  is  the  

Page 18: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    18  

temperature  eventually?  (c=2200,  L=334)    Let  this  final  temperature  be  T.  Ignoring  thermal  energy  lost  by  the  glass  itself,  water  will  cool  down  by  losing  thermal  energy.  This  thermal  energy  will  be  taken  up  by  the  ice  to  increase  its  temperature  from  -­‐10°C  to  0°C  (thermal  energy  required  25*10-­‐3*2200*10),  melt  the  ice  cube  into  water  at  0°C  (thermal  energy  required  25*10-­‐3*334*103)  and  increase  the  temperature  of  the  former  ice  cube  from  0°C  to  the  final  temperature  T.    Thus,  0.3 ∗ 4200 ∗ 20 − 𝑇 =25 ∗ 10!! ∗ 2200 ∗ 10 + 25 ∗10!! ∗ 334 ∗ 10! + 20 ∗ 10!! ∗4200 ∗ T  Solving  for  T  gives  T=11.9°C.        e.g.  Thermal  energy  is  provided  at  a  constant  rate  of  833J  s-­‐1  to  1kg  of  copper  at  the  melting  temperature.  If  it  takes  4  minutes  to  completely  melt  the  copper,  find  the  latent  heat  of  fusion  of  copper.      The  thermal  energy  needed  to  melt  1kg  of  copper  is  L,  the  specific  latent  heat  of  fusion.  In  4  minutes  the  heat  supplied  is  833*60*4=200kJ,  as  m=1kg,  L=200kJ  kg-­‐1.  

3.2.9   Define  pressure.     Pressure  is  the  normal  force  per  unit  area.  The  pressure  in  a  gas  results  from  the  collision  of  the  gas  molecules  with  the  walls  of  its  container  (not  from  collisions  between  molecules)  

3.2.10   State  the  assumptions  of  the  kinetic  model  of  an  ideal  gas.  

  Kinetic  theory  uses  the  model  of  small  particles  bouncing  around  to  describe  the  properties  of  gases  and  matter.    Assumptions:    -­‐ Matter  consists  of  large  numbers  of  tiny  particles  

-­‐ Particles  are  in  constant  motion  moving  in  straight  lines  and  thus  have  kinetic  energy    

-­‐ All  collisions  between  particles  and  the  sides  of  the  container  are  elastic  

-­‐ There  are  no  forces  of  attraction  or  repulsion  between  the  particles  

-­‐ The  average  kinetic  energy  per  particle  is  proportional  to  the  Kelvin  temperature  of  the  gas  

-­‐ Molecules  move  with  a  range  of  speeds  

Page 19: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    19  

-­‐ The  volume  of  the  molecules  is  negligible  compared  with  the  volume  of  the  gas  itself  

-­‐ Molecules  exert  no  forces  on  each  other  or  the  container  except  when  in  contact  

-­‐ The  duration  of  collisions  is  very  small  compared  with  the  time  between  collisions  

-­‐ The  molecules  obey  Newton’s  laws  of  mechanics  

3.2.11   State  that  temperature  is  a  measure  of  the  average  random  kinetic  energy  of  the  molecules  of  an  ideal  gas.  

  Temperature  is  a  measure  of  the  average  kinetic  energy  per  particle  of  an  ideal  gas.  

3.2.12   Explain  the  macroscopic  behaviour  of  an  ideal  gas  in  terms  of  a  molecular  model.  

Only  qualitative  explanations  are  required.  Students  should,  for  example,  be  able  to  explain  how  a  change  in  volume  results  in  a  change  in  the  frequency  of  particle  collisions  with  the  container  and  how  this  relates  to  a  change  in  pressure  and/or  temperature.  

Pressure  law:  Macroscopically,  at  a  constant  volume  the  pressure  of  a  gas  is  proportional  to  its  temperature.  Microscopically  this  can  be  analysed  as  follows:  -­‐ If  the  temperature  of  a  gas  goes  up,  the  molecules  have  more  average  kinetic  energy  –  they  are  moving  faster  on  average  

-­‐ Fast  moving  molecules  will  have  a  greater  change  of  momentum  when  they  hit  the  walls  of  the  container  

-­‐ Thus  the  microscopic  force  from  each  molecule  will  be  greater  

-­‐ The  molecules  are  moving  faster  so  they  hit  the  walls  more  often  

-­‐ For  both  reasons,  the  total  force  on  the  wall  goes  up,  thus  the  pressure  increases.      Charles’s  law:  Macroscopically,  at  a  constant  pressure,  the  volume  of  a  gas  is  proportional  to  its  temperature  in  Kelvin.  This  can  be  analysed  as  follows:  -­‐ A  higher  temperature  means  faster  moving  molecules  

-­‐ Faster  moving  molecules  hit  the  walls  with  a  greater  microscopic  force  

-­‐ If  the  volume  of  the  gas  increases,  then  the  rate  at  which  these  collisions  take  place  on  a  unit  area  of  the  wall  must  go  down  

-­‐ The  average  force  on  a  unit  area  of  the  wall  can  thus  be  the  same  

-­‐ Thus  the  pressure  remains  the  same    Boyle’s  law:  Macroscopically,  at  a  constant  temperature,  the  pressure  of  a  gas  is  inversely  proportional  to  its  volume.  This  can  be  analysed  as  follows:  -­‐ The  constant  temperature  of  a  gas  

Page 20: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    20  

means  that  the  molecules  have  a  constant  average  speed  

-­‐ The  microscopic  fore  that  each  molecule  exerts  on  the  wall  will  remain  constant  

-­‐ Increasing  the  volume  of  the  container  decreases  the  rate  with  which  the  molecules  hit  the  wall  –  average  total  force  decreases  

-­‐ If  the  average  total  force  decreases  the  pressure  decreases  

               

Page 21: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    21  

4.1  Kinematics  of  simple  harmonic  motion  (SHM)       Assessment  statement   Teacher’s  notes    4.1.1   Describe  examples  of  

oscillations.     An  example  of  a  SHM  would  be  a  

mass  oscillating  between  two  springs  or  a  pendulum  for  small  angles  of  osciallation.    

4.1.2   Define  the  terms  displacement,  amplitude,  frequency,  period  and  phase  difference.  

The  connection  between  frequency  and  period  should  be  known.  

Displacement:  The  instantaneous  distance  of  the  moving  object  from  its  mean  position.  Amplitude:  The  maximum  displacement  from  the  mean  position.    Frequency:  The  number  of  oscillations  completed  per  unit  time  The  SI  measurement  is  the  number  of  cycles  per  second  or  Hertz.    Period:  the  time  taken  for  one  complete  oscillation.    Phase  difference:  This  is  a  measure  of  how  “in  step”  different  particles  are.  If  moving  together  they  are  in  phase.  It  is  measured  in  either  degrees  or  radians.  A  phase  difference  of  90°  is  a  quarter  out  of  cycle.    

4.1.3   Define  simple  harmonic  motion  (SHM)  and  state  the  defining  equation  as    a  =  −w2x  .  

Students  are  expected  to  understand  the  significance  of  the  negative  sign  in  the  equation  and  to  recall  the  connection  between  w  and  T.  

Simple  harmonic  motion  is  defined  as  the  motion  that  takes  place  when  the  acceleration  of  the  object  is  always  directed  towards,  and  is  proportional  to,  its  displacement  from  a  fixed  point.  This  acceleration  is  caused  by  a  restoring  force  that  must  always  be  pointed  towards  the  mean  position  and  also  proportional  to  the  displacement  from  the  mean  position.    The  constant  of  proportionality  between  acceleration  and  displacement  is  often  identified  as  the  square  of  a  constant  w  which  is  referred  o  as  the  angular  frequency.  a  =  −w2x  

 4.1.4   Solve  problems  using  the  

defining  equation  for  SHM.      

4.1.5   Apply  the  equations      

Page 22: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    22  

𝑣 = 𝑣!𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡  ,  𝑣 = 𝑣!𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡,  𝑣 =±𝜔 (𝑥!! − 𝑥!),  𝑥 =𝑥!𝑠𝑖𝑛𝜔𝑡,  𝑥 = 𝑥!𝑐𝑜𝑠𝜔𝑡  as  solutions  to  defining  equations  for  SHM.    

4.1.6   Solve  problems,  both  graphically  and  by  calculation,  for  acceleration,  velocity  and  displacement  during  SHM.  

   

   

4.2  Energy  changes  during  simple  harmonic  motion  (SHM)       Assessment  statement   Teacher’s  notes    4.2.1   Describe  the  interchange  

between  kinetic  energy  and  potential  energy  during  SHM.  

  In  a  SHM  the  total  energy  is  interchanged  between  kinetic  and  potential  energy.  If  no  resistive  force  acts  on  the  motion  the  total  energy  is  constant  and  is  said  to  be  undamped.  Potential  energy  increases  as  we  move  away  from  the  equilibrium  position  and  kinetic  energy  decreases.  EP  can  be  expressed  as  a  sine  curve,  EK  as  a  cosine  curve.    

 4.2.2   Apply  the  expressions  

for  the  kinetic  energy  of  a  particle  undergoing  SHM,  for  the  total  energy  and  for  the  potential  energy.  

   

4.2.3   Solve  problems,  both  graphically  and  by  calculation,  involving  energy  changes  during  SHM.  

   

         

Page 23: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    23  

4.3  Forced  oscillations  and  resonance       Assessment  statement   Teacher’s  notes    4.3.1   State  what  is  meant  by  

damping.  It  is  sufficient  for  students  to  know  that  damping  involves  a  force  that  is  always  in  the  opposite  direction  to  the  direction  of  motion  of  the  oscillating  particle  and  that  the  force  is  a  dissipative  force.  

Damping  is  a  force  that  is  always  in  the  opposite  direction  of  the  motion  of  the  oscillating  particle  and  the  force  is  dissipative.    

4.3.2   Describe  examples  of  damped  oscillations.  

Reference  should  be  made  to  the  degree  of  damping  and  the  importance  of  critical  damping.  A  detailed  account  of  degrees  of  damping  is  not  required.  

This  happens  on  cars  in  their  suspensions,  when  it  vibrates  the  damper  tries  to  reduce  the  number  of  oscillations,  to  reduce  the  possible  effects.  On  a  piano  the  pedals  reduce  the  oscillations  of  the  springs  of  the  piano.  One  pedal  reduces  the  damping  and  one  cuts  the  oscillations  completely.    

4.3.3   State  what  is  meant  by  natural  frequency  of  vibration  and  forced  oscillations.  

  The  natural  frequency  is  the  frequency  that  an  object  will  oscillate  at  if  it  is  moved  from  its  equilibrium  position  and  then  released.  Objects  can  also  be  made  to  oscillate  by  an  external  force,  which  is  known  as  forced  oscillation.    

4.3.4   Describe  graphically  the  variation  with  forced  frequency  of  the  amplitude  of  vibration  of  an  object  close  to  its  natural  frequency  of  vibration.  

Students  should  be  able  to  describe  qualitatively  factors  that  affect  the  frequency  response  and  sharpness  of  the  curve.  

 4.3.5   State  what  is  meant  by  

resonance.     Resonance  occurs  when  a  system  is  

subject  to  an  oscillating  force  at  exactly  the  same  frequency  as  the  natural  frequency  of  oscillation  of  the  system.    

4.3.6   Describe  examples  of  resonance  where  the  effect  is  useful  and  where  it  should  be  avoided.  

Examples  may  include  quartz  oscillators,  microwave  generators  and  vibrations  in  machinery.  

Musical  instruments:  Many  musical  instruments  produce  their  sounds  by  arranging  for  column  of  air  or  a  string  to  be  driven  at  its  natural  frequency  which  causes  the  amplitude  of  the  oscillation  to  increase.  Vibrations  in  machinery:  When  in  operation,  the  moving  parts  of  machinery  provide  regular  driving  forces  on  the  other  sections  of  the  machinery.  If  the  driving  frequency  is  equal  to  the  natural  frequency,  the  amplitude  of  a  particular  vibration  may  get  dangerously  high.  E.g.  at  a  particular  engine  speed  a  truck’s  rear  view  mirror  can  be  seen  to  vibrate.    

   

Page 24: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    24  

4.4  Wave  characteristics       Assessment  statement   Teacher’s  notes    4.4.1   Describe  a  wave  pulse  and  

a  continuous  progressive  (travelling)  wave.  

Students  should  be  able  to  distinguish  between  oscillations  and  wave  motion,  and  appreciate  that,  in  many  examples,  the  oscillations  of  the  particles  are  simple  harmonic.  

A  continuous  wave  involves  a  succession  of  individual  oscillations.  A  wave  pulse  involves  just  one  oscillation.    

4.4.2   State  that  progressive  (travelling)  waves  transfer  energy.  

Students  should  understand  that  there  is  no  net  motion  of  the  medium  through  which  the  wave  travels.  

Light,  sound  and  ripples  on  the  surface  of  a  pond  are  all  examples  of  wave  motion.  They  all  transfer  energy  from  one  place  to  another,  they  do  so  without  a  net  motion  of  the  medium  through  which  they  travel  and  they  all  involve  oscillations  of  one  sort  or  another.  The  oscillations  are  SHM.    

4.4.3   Describe  and  give  examples  of  transverse  and  of  longitudinal  waves.  

Students  should  describe  the  waves  in  terms  of  the  direction  of  oscillation  of  particles  in  the  wave  relative  to  the  direction  of  transfer  of  energy  by  the  wave.  Students  should  know  that  sound  waves  are  longitudinal,  that  light  waves  are  transverse  and  that  transverse  waves  cannot  be  propagated  in  gases.  

Transverse  waves:    Oscillations  are  at  right  angles  to  the  direction  of  energy  transfer.  E.g.  water  ripples,  light  wave    Longitudinal  waves:  Oscillations  are  parallel  to  the  direction  of  energy  transfer.  E.g.  sound  waves,  compression  waves  down  a  spring.    

4.4.4   Describe  waves  in  two  dimensions,  including  the  concepts  of  wavefronts  and  of  rays.  

  Wave  fronts  highlight  the  parts  of  the  wave  that  are  moving  together.    Rays  highlight  the  direction  of  energy  transfer.    

4.4.5   Describe  the  terms  crest,  trough,  compression  and  rarefaction.  

  The  top  of  the  wave  is  known  as  the  crest,  whereas  the  bottom  of  the  wave  is  known  as  the  trough.  A  point  on  the  wave  where  everything  is  ‘bunched  together’  (high  pressure)  is  known  as  compression.  A  point  where  everything  is  ‘far  apart’  (low  pressure)  is  known  as  a  rarefaction.    

4.4.6   Define  the  terms  displacement,  amplitude,  frequency,  period,  wavelength,  wave  speed  and  intensity.  

Students  should  know  that  intensity  is  proportional  to  amplitude2.  

Displacement:  This  measures  the  change  that  has  taken  place  that  has  taken  place  as  a  result  of  a  wave  passing  a  particular  point.  Zero  displacement  refers  to  the  mean  position.    Amplitude:  This  is  the  maximum  displacement  from  the  mean  position.  If  the  wave  does  not  lose  any  of  its  energy  its  amplitude  is  constant.    Frequency:  This  is  the  number  of  oscillations  that  take  place  in  one  second.  The  unit  used  is  Hertz.      Period:  This  is  the  time  taken  for  

Page 25: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    25  

one  complete  oscillation.  It  is  the  time  taken  for  one  complete  wave  to  pass  any  given  point.    Wavelength:  This  is  the  shortest  distance  along  the  wave  between  two  points  that  are  in  phase  with  one  another.  For  example,  the  distance  from  one  crest    to  the  next  crest  on  a  water  ripple.    Wave  Speed:  This  is  the  speed  at  which  the  wave  fronts  pass  a  stationary  observer.    Intensity:  The  intensity  of  a  wave  is  the  power  per  unit  area  that  is  received  by  the  observer.  The  intensity  of  a  wave  is  proportional  to  the  square  of  its  amplitude:  𝐼   ∝ 𝐴!  

4.4.7   Draw  and  explain  displacement–time  graphs  and  displacement–position  graphs  for  transverse  and  for  longitudinal  waves.  

  Displacement-­‐time:  Represents  the  oscillation  for  one  point  on  the  wave.  All  the  other  points  on  the  wave  will  oscillate  in  a  similar  manner,  but  they  will  not  start  their  oscillation  at  exactly  the  same  time.    Displacement-­‐position:  Represents  a  ‘snap  shot’  of  all  the  points  along  the  wave  at  one  instant  of  time  At  a  later  time,  the  wave  will  have  moved  on  but  it  will  retain  the  same  shape.      The  graphs  can  be  used  to  represent  longitudinal  and  transverse  waves  because  the  y-­‐axis  records  only  the  value  of  the  displacement.  It  does  not  specify  the  direction  of  this  displacement.    

4.4.8   Derive  and  apply  the  relationship  between  wave  speed,  wavelength  and  frequency.  

  There  is  a  simple  relationship  that  links  wave  speed,  wavelength  and  frequency.  It  applies  to  all  waves.  The  time  taken  for  one  complete  oscillation  is  the  period  of  the  wave,  T.  In  this  time,  the  wave  pattern  will  have  moved  on  by  one  wavelength.  This  means  that  the  speed  of  the  wave  must  be  given  by:    

𝑣 =𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒𝑡𝑖𝑚𝑒

=𝜆𝑇  

since  !!= 𝑓  

𝑣 = 𝑓𝜆  

Page 26: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    26  

4.4.9   State  that  all  electromagnetic  waves  travel  with  the  same  speed  in  free  space,  and  recall  the  orders  of  magnitude  of  the  wavelengths  of  the  principal  radiations  in  the  electromagnetic  spectrum.  

     

4.5  Wave  properties       Assessment  

statement  Teacher’s  notes    

4.5.1   Describe  the  reflection  and  transmission  of  waves  at  a  boundary  between  two  media.  

This  should  include  the  sketching  of  incident,  reflected  and  transmitted  waves.  

In  general,  when  any  wave  meets  the  boundary  between  two  different  media  it  is  partially  reflected  and  partially  transmitted.    

 Reflection:  in  this  case  the  law  of  refraction  applies:  incident  angle  =  reflected  angle  when  measured  from  the  normal.    Refraction:  in  this  case  the  wave  is  refracted  towards  the  normal  (when  slowing  down)  and  away  from  the  normal  (when  getting  faster)  

4.5.2   State  and  apply  Snell’s  law.  

Students  should  be  able  to  define  refractive  index  in  terms  of  the  ratio  of  the  speeds  of  the  wave  in  the  two  media  and  also  in  terms  of  the  angles  of  incidence  and  refraction.  

Snell’s  law  (an  experimental  law  of  refraction)  states  that  the  ratio    

sin 𝑖sin  (𝑟)

= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡  

for  a  given  frequency.  The  ratio  is  equal  to  the  ratio  of  the  speeds  in  the  different  media  

sin 𝑖sin  (𝑟)

=𝑣!𝑣!  

4.5.3   Explain  and  discuss  qualitatively  the  diffraction  of  waves  at  apertures  and  obstacles.  

The  effect  of  wavelength  compared  to  aperture  or  obstacle  dimensions  should  be  discussed.  

When  waves  pass  through  apertures  they  tend  to  spread  out.  Waves  also  spread  around  obstacles.  This  is  known  as  diffraction.  Diffraction  becomes  relatively  more  important  when  the  wavelength  is  large  in  comparison  to  the  size  of  the  object.  The  wavelength  needs  to  be  of  the  same  order  of  magnitude  as  the  aperture  for  diffraction  to  be  

Page 27: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    27  

noticeable.    

 

 4.5.4   Describe  examples  of  

diffraction.     E.g.  ocean  waves  diffract  through  the  harbour  

opening  and  spread  out,  closely  spaced  tracks  on  a  CD  or  DVD  create  the  rainbow  pattern  because  light  is  diffracted.    Diffraction  provides  the  reason  why  we  can  hear  something  even  if  we  cannot  see  it.    

4.5.5   State  the  principle  of  superposition  and  explain  what  is  meant  by  constructive  interference  and  by  destructive  interference.  

  Superposition:  When  two  waves  of  the  same  type  meet,  they  interfere  and  we  can  work  out  the  resulting  wave  using  the  principle  of  superposition.  The  overall  disturbance  at  any  point  and  at  any  time  where  the  waves  meet  is  the  vector  sum  of  the  disturbances  that  would  have  been  produced  by  each  f  the  individual  waves.    Constructive  interference:  Takes  place  when  the  two  waves  are  in  phase.  There  is  zero  phase  difference  between  them.    Destructive  interference:  Takes  place  when  the  two  waves  are  exactly  out  of  phase.    

4.5.6   State  and  apply  the  conditions  for  constructive  and  for  destructive  interference  in  terms  of  path  difference  and  phase  difference.  

  See  above.    Constructive  interference  occurs  when  two  waves  are  exactly  in  phase,  which  means  that  the  path  difference  is  zero.    Destructive  interference  occurs  when  two  waves  are  out  of  phase.    

4.5.7   Apply  the  principle  of  superposition  to  determine  the  

 

Page 28: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    28  

resultant  of  two  waves.  

                         

Page 29: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    29  

5.1  Electric  potential  difference,  current  and  resistance       Assessment  statement   Teacher’s  notes    5.1.1   Define  electric  potential  

difference.     Electric  potential  difference  is  

defined  as  the  energy  difference  per  unit  charge  in  an  electric  field.    Electric  potential  energy:  The  energy  that  a  charge  has  as  a  result  of  its  position  in  an  electric  field.    

5.1.2   Determine  the  change  in  potential  energy  when  a  charge  moves  between  two  points  at  different  potentials.  

  To  move  a  charge  in  an  electric  field,  work  must  be  done.  The  change  in  electric  potential  energy  (work  done)  is  the  potential  difference.    

 When  a  charge  moves  from  A  to  B  it  gains  electrical  potential  energy.  Work  must  be  done  to  move  the  charge.    Change  in  p.d.  =  Force  X  distance  =  F  x  d  =  Eq  x  d  where  E  is  the  electric  field  strength  

5.1.3   Define  the  electronvolt.     The  electronvolt  is  the  energy  that  would  be  gained  by  an  electron  moving  through  a  potential  difference  of  1  volt.    

5.1.4   Solve  problems  involving  electric  potential  difference.  

  e.g.  Calculate  the  speed  of  an  electron  accelerated  in  a  vacuum  by  a  p.d.  of  1000V.  KE  of  electron  =  V  x  e  =  1000  x  1.6  x  10-­‐19  =  1.6  x  10-­‐16J  0.5mv2=1.6  x  10-­‐16J  v=1.87x107  m/s  

5.1.5   Define  electric  current.   It  is  sufficient  for  students  to  know  that  current  is  defined  in  terms  of  the  force  per  unit  length  between  parallel  current-­‐carrying  conductors.  

Current  is  defined  as  the  rate  of  flow  of  electrical  charge.  If  a  current  flows  in  just  one  direction  it  is  known  as  direct  current.  A  current  that  constantly  changes  direction  is  known  as  an  alternating  current.    Current  flows  through  an  object  when  there  is  a  potential  difference  across  the  object.    

5.1.6   Define  resistance.   Students  should  be  aware  that  R  =  V/I  is  a  general  definition  of  

Resistance  is  the  mathematical  ratio  between  potential  difference  

Page 30: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    30  

resistance.  It  is  not  a  statement  of  Ohm’s  law.  Students  should  understand  what  is  meant  by  resistor.  

and  current.  If  something  has  a  high  resistance,  it  means  that  you  would  need  a  large  potential  difference  across  it  in  order  to  get  a  current  to  flow.  We  define  a  new  unit,  the  ohm,  to  be  equal  to  one  volt  per  amp.    A  device  with  constant  resistance  (in  other  words  an  ohmic  device)  is  called  a  resistor)  

5.1.7   Apply  the  equation  for  resistance.  

  𝑅 = 𝑝𝑙𝐴  

The  resistance  of  a  wire  (at  constant  T)  depends  upon  its  length,  the  cross  sectional  area  and  its  resistivity.  The  resistivity  of  a  material  tells  us  how  well  a  material  conducts.    

5.1.8   State  Ohm’s  law.     Ohm’s  law  states  that  the  current  flowing  through  a  piece  of  metal  is  proportional  to  the  potential  difference  across  it  providing  the  temperature  remains  constant.    

5.1.9   Compare  ohmic  and  non-­‐ohmic  behaviour.  

For  example,  students  should  be  able  to  draw  the  I–V  characteristics  of  an  ohmic  resistor  and  a  filament  lamp.  

 If  current  and  p.d.  difference  are  proportional  the  device  is  said  to  be  ohmic.  Devices  where  current  and  p.d.  are  not  proportional  (filament  lamp,  diode)  are  said  to  be  non-­‐ohmic.    

5.1.10   Derive  and  apply  expressions  for  electrical  power  dissipation  in  resistors.  

  Since  potential  difference:  𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦  𝑑𝑖𝑓𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒  𝑓𝑙𝑜𝑤𝑒𝑑

 

And  current:  𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒  𝑓𝑙𝑜𝑤𝑒𝑑𝑡𝑖𝑚𝑒  𝑡𝑎𝑘𝑒𝑛

 Multiplying  current  x  p.d.:  

𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦  𝑑𝑖𝑓𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒𝑡𝑖𝑚𝑒  𝑡𝑎𝑘𝑒𝑛

 This  energy  difference  per  time  is  the  power  dissipated  by  the  resistor,  All  this  energy  is  going  into  heating  up  the  resistor.    P  =  V  x  I(P  =  I2  x  R)  

5.1.11   Solve  problems  involving  potential  difference,  current  and  resistance.  

  e.g.  A  1.2  kW  electric  kettle  is  plugged  into  the  250V  mains  supply.  Calculate  the  current  drawn  and  its  resistance.    I  =  1200  /  250  =  4.8  A  R  =  250  /  4.8  =  52  Ohm  

   

Page 31: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    31  

5.2  Electric  circuits       Assessment  statement   Teacher’s  notes    5.2.1   Define  electromotive  

force  (e.m.f.).     The  total  energy  difference  per  unit  

charge  is  called  the  electromotive  force  (e.m.f.).  However,  it  is  not  a  force  but  an  energy  difference  per  charge  measured  in  volts.  In  practical  terms,  e.m.f.  is  exactly  the  same  as  potential  difference  if  no  current  flows.    

5.2.2   Describe  the  concept  of  internal  resistance.  

  When  a  battery  supplies  a  current  to  an  external  circuit  it  gets  warm.  This  is  due  to  the  battery  having  a  small  internal  resistance.    

 The  e.m.f.  of  the  supply  is  the  sum  of  the  potential  dropped  across  the  internal  resistor  and  the  external  resistor.    e.m.f.  =  Ir  +  IR    When  a  6V  battery  is  connected  in  a  circuit  some  energy  will  be  used  up  inside  the  battery  itself.  In  other  words,  the  battery  has  some  internal  resistance.  The  total  energy  difference  per  unit  charge  around  the  circuit  is  still  6V,  but  some  of  this  energy  is  used  up  inside  the  battery.  The  energy  difference  per  unit  charge  from  one  terminal  to  the  other  is  less  than  the  total  made  available  by  the  chemical  reaction  in  the  battery.    

5.2.3   Apply  the  equations  for  resistors  in  series  and  in  parallel.  

This  includes  combinations  of  resistors  and  also  complete  circuits  involving  internal  resistance.  

 Resistors  in  series:  Rt  =  R1  +  R2  +  …    

 

Page 32: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    32  

Resistors  in  parallel:    1𝑅!=1𝑅!+1𝑅!+⋯  

5.2.4   Draw  circuit  diagrams.   Students  should  be  able  to  recognize  and  use  the  accepted  circuit  symbols.  

 5.2.5   Describe  the  use  of  ideal  

ammeters  and  ideal  voltmeters.  

  A  current  measuring  meter  is  called  an  ammeter.  It  should  be  connected  in  series  at  the  point  where  the  current  needs  to  be  measured.  A  perfect  ammeter  would  have  zero  resistance.  This  means  that  no  potential  difference  is  dropped  across  them.    A  meter  that  measures  potential  difference  is  called  a  voltmeter.  It  should  be  placed  in  parallel  with  the  component  or  components  being  considered.  A  perfect  voltmeter  has  infinite  resistance.    

5.2.6   Describe  a  potential  divider.  

  Two  resistors  ‘divide  up’  the  potential  difference  of  the  battery.  You  can  calculate  the  ‘share’  taken  by  one  resistor  using  from  the  ratio  of  the  resistances  but  this  approach  does  not  work  unless  the  voltmeter’s  resistance  also  is  considered.    A  variable  potential  divider  is  often  the  best  way  to  produce  a  variable  power  supply.  When  designing  the  potential  divider,  the  smallest  resistor  that  is  going  to  be  connected  needs  to  be  taken  into  account:  the  potentiometer’s  resistance  should  be  significantly  smaller.    

5.2.7   Explain  the  use  of  sensors  in  potential  divider  circuits.  

Sensors  should  include  light-­‐dependent  resistors  (LDRs),  negative  temperature  coefficient  (NTC)  thermistors  and  strain  gauges.  

A  light  dependent  resistor  (LDR)  is  a  device  whose  resistance  depends  on  the  amount  of  light  shining  on  its  surface.  An  increase  in  light  causes  a  decrease  in  resistance.    A  thermistor  is  a  resistor  whose  value  of  resistance  depends  on  its  temperature.  Most  are  semi-­‐conducting  devices  that  have  a  negative  temperature  coefficient  (NTC).  This  means  that  an  increase  in  temperature  causes  a  decrease  in  resistance.    Both  of  these  devices  can  be  used  in  potential  divider  circuits  to  create  sensor  circuits.  The  output  potential  difference  of  a  sensor  circuit  depends  on  an  external  factor.    Another  possible  sensor  is  a  strain  gauge  whose  output  voltage  depends  

Page 33: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    33  

on  a  small  extension  or  compression  that  occurs  which  results  in  a  change  of  length.    

5.2.8   Solve  problems  involving  electric  circuits.  

Students  should  appreciate  that  many  circuit  problems  may  be  solved  by  regarding  the  circuit  as  a  potential  divider.  Students  should  be  aware  that  ammeters  and  voltmeters  have  their  own  resistance.  

 

                   

Page 34: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    34  

6.1  Gravitational  force  and  field       Assessment  statement   Teacher’s  notes    6.1.1   State  Newton’s  universal  

law  of  gravitation.  Students  should  be  aware  that  the  masses  in  the  force  law  are  point  masses.  The  force  between  two  spherical  masses  whose  separation  is  large  compared  to  their  radii  is  the  same  as  if  the  two  spheres  were  point  masses  with  their  masses  concentrated  at  the  centres  of  the  spheres.  

It  is  called  ‘universal’  gravitation  because  at  the  core  of  this  theory  is  the  statemtn  that  every  mass  in  the  Universe  attracts  all  other  masses.  The  value  of  the  attraction  between  two  point  masses  is  given  by  an  equation:    

𝐹 =𝐺𝑚!𝑚!

𝑟!  

Important:    -­‐ the  law  only  deals  with  point  masses  

-­‐ the  masses  in  the  equation  are  gravitational  masses,  not  inertial  masses  

-­‐ there  is  a  force  acting  on  each  of  the  masses,  these  forces  are  equal  and  opposite  

-­‐ the  forces  are  always  attractive  -­‐ the  forces  only  become  significant  if  one  or  both  objects  involved  are  massive  

-­‐ the  interaction  between  spherical  masses  turns  out  to  be  the  same  as  if  the  masses  were  concentrated  at  the  centres  of  the  spheres  

6.1.2   Define  gravitational  field  strength.  

  The  gravitational  field  is  defined  as  the  force  per  unit  mass.  Gravitational  field  strength  is  the  force  per  unit  mass  on  a  particle  in  a  gravitational  field.    

6.1.3   Determine  the  gravitational  field  due  to  one  or  more  point  masses.  

  Field  strengths  are  vectors  and  therefore  the  gravitational  field  due  to  one  or  more  point  masses  can  be  found  by  vector  addition.    

6.1.4   Derive  an  expression  for  gravitational  field  strength  at  the  surface  of  a  planet,  assuming  that  all  its  mass  is  concentrated  at  its  centre.  

  The  gravitational  field  strength  at  the  surface  of  a  planet  must  be  the  same  as  the  acceleration  due  to  gravity  on  the  surface.    Field  strength  is  defined  to  be  !"#$%!"##

= 𝑎𝑐𝑐𝑒𝑙𝑒𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛  (𝐹 = 𝑚𝑎)  

𝐹 =𝐺𝑚!𝑚!

𝑟!  

𝑔 =𝐹𝑚  

Combining  this  gives:  

𝑔 =𝐺𝑀𝑟!  

For  the  earth:  M  =  6.0  x  1024kg  r  =  6.4  x  106m  

𝑔 =6.67  𝑥  10!!!𝑥  6.0  𝑥  10!"

6.4  𝑥  10! !    

𝑔 = 9.8  𝑚𝑠!!  6.1.5   Solve  problems  involving  

gravitational  forces  and      

Page 35: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    35  

fields.      6.2  Electric  force  and  field       Assessment  statement   Teacher’s  notes    6.2.1   State  that  there  are  two  

types  of  electric  charge.     Two  types  of  charge  exist  –  

positive  and  negative.  Equal  amounts  of  positive  and  negative  charge  cancel  each  other.  Matter  that  contains  not  charge  ,  or  matter  that  contains  equal  amounts  of  positive  and  negative  charge,  is  said  to  be  electrically  neutral.    

6.2.2   State  and  apply  the  law  of  conservation  of  charge.  

  A  very  important  experimental  observation  is  that  charge  is  always  conserved.  Charged  objects  can  be  created  by  friction.  In  this  process  electrons  are  physically  moved  from  one  object  to  another    -­‐  in  order  for  the  charge  to  remain  on  the  object,  it  normally  needs  to  be  an  insulator.    Charge  can  be  added  or  removed  from  an  object  but  it  cannot  be  destroyed.  The  quantity  of  electric  charge  is  always  conserved.    

6.2.3   Describe  and  explain  the  difference  in  the  electrical  properties  of  conductors  and  insulators.  

  A  material  that  allows  the  flow  of  charge  through  it  is  called  an  electrical  conductor.  If  charge  cannot  flow  through  a  material  it  is  called  an  electrical  insulator.  In  solid  conductors  the  flow  of  charge  is  always  as  a  result  of  the  flow  of  electrons  from  atom  to  atom.    

6.2.4   State  Coulomb’s  law.   Students  should  be  aware  that  the  charges  in  the  force  law  are  point  charges.  

Coulomb’s  law  is  used  to  calculate  the  force  of  attraction  or  repulsion  between  two  point  charges.    

𝐹 =𝑘𝑞!𝑞!𝑟!

 This  can  also  be  stated  as:  

𝐹 =𝑞!𝑞!4𝜋𝜀!𝑟!

 

Where  𝜀!  is  the  permittivity  of  free  space.    If  there  are  two  or  more  charges  near  another  charge,  the  overall  force  can  be  worked  out  using  vector  addition.    

6.2.5   Define  electric  field  strength.  

Students  should  understand  the  concept  of  a  test  charge.  

Electric  field  strength  is  defined  as  the  force  experienced  per  coulomb  by  a  small  test  charge  in  an  electric  field.    

Page 36: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    36  

𝐸 =𝐹𝑞!  

6.2.6   Determine  the  electric  field  strength  due  to  one  or  more  point  charges.  

  Field  strengths  are  vectors  and  therefore  the  electric  field  due  to  one  or  more  point  charges  can  be  found  by  vector  addition.    

6.2.7   Draw  the  electric  field  patterns  for  different  charge  configurations.  

These  include  the  fields  due  to  the  following  charge  configurations:  a  point  charge,  a  charged  sphere,  two  point  charges,  and  oppositely  charged  parallel  plates.  The  latter  includes  the  edge  effect.  Students  should  understand  what  is  meant  by  radial  field.  

 

 In  a  radial  field  the  field  lines  diverge  radially  outward  from  a  point  source  or  converge  radially  inwards  towards  a  point  source.  

 6.2.8   Solve  problems  involving  

electric  charges,  forces  and  fields.  

   

   

6.3  Magnetic  force  and  field       Assessment  statement   Teacher’s  notes    6.3.1   State  that  moving  

charges  give  rise  to  magnetic  fields.  

  An  electric  current  can  cause  a  magnetic  field.    

6.3.2   Draw  magnetic  field  patterns  due  to  currents.  

These  include  the  fields  due  to  currents  in  a  straight  wire,  a  flat  circular  coil  and  a  solenoid.  

 

Page 37: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    37  

 

 6.3.3   Determine  the  direction  

of  the  force  on  a  current-­‐carrying  conductor  in  a  magnetic  field.  

Different  rules  may  be  used  to  determine  the  force  direction.  Knowledge  of  any  particular  rule  is  not  required.  

When  a  current  carrying  wire  is  placed  between  the  poles  of  a  magnet  it  experiences  a  force.  This  causes  the  wire  to  move.    

 The  direction  in  which  the  wire  will  move  can  be  predicted  using  Fleming’s  Left  Hand  rule:  

 6.3.4   Determine  the  direction  

of  the  force  on  a  charge  moving  in  a  magnetic  field.  

  A  single  charge  moving  through  a  magnetic  field  also  feels  a  force  in  exactly  the  same  way  that  a  current  feels  a  force.  In  this  case,  the  force  is  proportional  to:  -­‐ the  magnitude  of  the  magnetic  field  B  -­‐ the  magnitude  of  the  charge  q  -­‐ the  velocity  of  the  charge  v  -­‐ the  sine  of  the  angle  between  the  velocity  and  the  field  

𝐹 = 𝐵𝑞𝑣𝑠𝑖𝑛𝜃  Since  the  force  on  a  moving  charge  is  always  at  right  angles  to  the  velocity  of  the  charge  the  resultant  motion  can  be  circular.    

Page 38: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    38  

6.3.5   Define  the  magnitude  and  direction  of  a  magnetic  field.  

  The  magnetic  field  strength,  B,  is  defined  as  follows:    

𝐵 =𝐹

𝐼𝐿𝑠𝑖𝑛𝜃  

A  new  unit,  the  tesla,  is  introduced.  1T  is  equal  to  1NA-­‐1m-­‐1.  The  direction  that  the  North  pole  of  a  small  test  compass  would  point  if  placed  in  the  field  (N  to  S)  

6.3.6   Solve  problems  involving  magnetic  forces,  fields  and  currents.  

   

                   

Page 39: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    39  

7.1  The  atom       Assessment  

statement  Teacher’s  notes    

7.1.1   Describe  a  model  of  the  atom  that  features  a  small  nucleus  surrounded  by  electrons.  

Students  should  be  able  to  describe  a  simple  model  involving  electrons  kept  in  orbit  around  the  nucleus  as  a  result  of  the  electrostatic  attraction  between  the  electrons  and  the  nucleus.  

 The  atomic  (nuclear)  model  describes  a  very  small  central  nucleus  surrounded  by  electrons  arranged  in  different  energy  levels.  The  nucleus  itself  contains  protons  and  neutrons  (collectively  called  nucleons).  All  of  the  positive  charge  and  almost  all  the  mass  of  the  atom  is  in  the  nucleus.  Overall  an  atom  is  neutral.  The  vast  majority  of  the  volume  is  noting  at  all  –  a  vacuum.    

7.1.2   Outline  the  evidence  that  supports  a  nuclear  model  of  the  atom.  

A  qualitative  description  of  the  Geiger–Marsden  experiment  and  an  interpretation  of  the  results  are  all  that  is  required.  

One  of  the  most  convincing  pieces  of  evidence  for  the  nuclear  model  comes  from  the  Geiger-­‐Marsden  experiment.  Positive  alpha  particles  were  fired  at  a  thin  gold  leaf.  The  relative  size  and  velocity  of  the  particles  meant  that  most  of  them  were  expected  to  travel  straight  through  he  gold  leaf.  The  idea  was  to  see  if  there  was  any  detectable  structure  within  the  gold  atoms.  The  amazing  discovery  was  that  some  of  the  alpha  particles  were  deflected  through  huge  angles.    

 They  were  surprised  that  some  of  the  alpha  particles  were  deflected  as  they  passed  through  the  gold.  From  this  they  deduced  that  the  atom  was  made  up  of  a  small  positively  charged  nucleus  surrounded  by  space.      

Page 40: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    40  

 Evidence  for  electron  energy  levels  comes  from  emission  and  absorption  spectra.  The  existence  of  isotopes  provides  evidence  for  neutrons.      

7.1.3      

Outline  one  limitation  of  the  simple  model  of  the  nuclear  atom.  

  The  problem  with  this  theory  was  that  accelerating  charges  are  known  to  lose  energy.  If  the  orbiting  electrons  were  to  lose  energy  they  would  spiral  into  the  nucleus.    Also,  this  model  does  not  explain  the  emission  and  absorption  spectrum.      The  model  does  not  account  for  how  the  protons  and  neutrons  stay  together  in  the  nucleus.    

7.1.4   Outline  evidence  for  the  existence  of  atomic  energy  levels.  

Students  should  be  familiar  with  emission  and  absorption  spectra,  but  the  details  of  atomic  models  are  not  required.  Students  should  understand  that  light  is  not  a  continuous  wave  but  is  emitted  as  “packets”  or  “photons”  of  energy,  each  of  energy  hf.  

Evidence  for  electron  energy  levels  comes  from  emission  and  absorption  spectra.    An  energy  level  of  0  corresponds  to  the  electron  escaping  from  the  atom.  Electrons  attached  to  an  atom  have  negative  energy  levels.    

7.1.5   Explain  the  terms  nuclide,  isotope  and  nucleon.  

  Nuclide:  The  name  given  to  a  particular  species  of  atom  (one  whose  nucleus  contains  a  specified  number  of  protons  and  a  specified  number  of  neutrons)  Isotope:  Elements  that  contain  the  same  number  of  protons  but  a  different  number  of  neutrons.    Nucleon:  Protons  and  neutrons  are  collectively  called  nucleons.  

7.1.6   Define  nucleon  number  A,  proton  number  Z  and  neutron  number  N.  

  A:  Nucleon  number  –  Number  of  nucleons  (protons  +  neutrons)  in  the  nucleus  Z:  Proton  number  –  also  called  atomic  number,  equal  to  number  of  protons  in  the  nucleus  N:  Neutron  number  –  Number  of  neutrons  in  the  nucleus    N  =  A  –  Z      

Page 41: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    41  

 7.1.7   Describe  the  

interactions  in  a  nucleus.  

Students  need  only  know  about  the  Coulomb  interaction  between  protons  and  the  strong,  short-­‐range  nuclear  interaction  between  nucleons.  

The  protons  in  a  nucleus  are  all  positive.  Since  like  charges  repel,  they  must  be  repelling  one  another  all  the  time.  This  means  there  must  be  another  force  keeping  the  nucleus  together.    We  know  a  few  things  about  this  force:  -­‐ It  must  be  strong  -­‐ It  must  be  very  short-­‐ranged  as  we  do  not  observe  this  force  anywhere  other  than  inside  the  nucleus  

-­‐ It  is  likely  to  involve  the  neutrons  as  well  The  name  given  to  this  force  is  the  strong  nuclear  force.    

   

7.2  Radioactive  decay       Assessment  statement   Teacher’s  notes    7.2.1   Describe  the  

phenomenon  of  natural  radioactive  decay.  

The  inclusion  of  the  antineutrino  in  beta−decay  is  required.  

Radioactive  decay  is  a  random  process  and  is  not  affected  by  external  influences.  Some  nuclei  are  more  stable  than  others.  When  an  unstable  nucleus  disintegrates  to  acquire  a  more  stable  state,  radiations  are  emitted.    

7.2.2   Describe  the  properties  of  alpha  and  beta  particles  and  gamma  radiation.  

Property   Alpha   Beta   Gamma  Effect  on  photographic  film  

Yes   Yes   Yes  

Appropriate  number  of  irons  produced  in  air  

104  per  mm  travelled  

102  per  mm  travelled  

1  per  mm  travelled  

Typical  material  needed  to  absorb  

10-­‐2  mm  aluminium,  piece  of  paper  

A  few  mm  aluminium  

10cm  lead  

Penetration  ability  

Low     Medium   High  

Typical  path  length  in  air  

A  few  cm   Less  than  one  m   Effectively  infinite  

Deflection  by  E  and  B  fields  

Behaves  like  a  positive  charge  

Behaves  like  a  negative  charge  

Not  deflected  

speed   About  107  m/s   About  108  m/s   Speed  of  light    

7.2.3   Describe  the  ionizing  properties  of  alpha  and  beta  particles  and  gamma  radiation.  

  All  three  radiations  are  ionizing,  which  means  that  as  they  go  through  a  substance,  collisions  occur  which  cause  electrons  to  be  removed  from  atoms.  Atoms  that  have  lost  or  gained  electrons  are  called  ions.  When  ionisations  occur  in  biologically  important  molecules,  such  as  DNA,  mutations  can  occur.    

7.2.4   Outline  the  biological  effects  of  ionizing  radiation.  

Students  should  be  familiar  with  the  direct  and  indirect  effects  of  radiation  on  structures  within  cells.  A  simple  account  of  short-­‐term  

At  the  molecular  level,  an  ionisation  could  cause  damage  directly  to  a  biologically  important  molecule  such  as  DNA.    This  could  cause  it  to  cease  functioning.  Molecular  damage  can  

Page 42: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    42  

and  long-­‐term  effects  of  radiation  on  the  body  is  required.  

result  in  a  disruption  to  the  functions  that  are  taking  place  within  the  cells  that  make  up  the  organism.  As  well  as  potentially  causing  the  cell  to  die,  this  could  just  prevent  cells  from  dividing  and  multiplying.  If  malignant  cells  continue  to  grow  then  this  is  called  cancer.    

7.2.5   Explain  why  some  nuclei  are  stable  while  others  are  unstable.  

An  explanation  in  terms  of  relative  numbers  of  protons  and  neutrons  and  the  forces  involved  is  all  that  is  required.  

The  stability  of  a  particular  nuclide  depends  greatly  on  the  numbers  of  neutrons  present.    -­‐ For  small  nuclei,  the  number  of  neutrons  tends  to  equal  the  number  of  protons  

-­‐ For  large  nuclei  there  are  more  neutrons  than  protons  

-­‐ Nuclides  above  the  band  of  stability  have  too  many  neutrons  and  will  tend  to  decay  with  either  alpha  or  beta  decay.    

-­‐ Nuclides  below  the  band  of  stability  have  too  few  neutrons  and  will  tend  to  emit  positrons.    

7.2.6   State  that  radioactive  decay  is  a  random  and  spontaneous  process  and  that  the  rate  of  decay  decreases  exponentially  with  time.  

Exponential  decay  need  not  be  treated  analytically.  It  is  sufficient  to  know  that  any  quantity  that  reduces  to  half  its  initial  value  in  a  constant  time  decays  exponentially.  The  nature  of  the  decay  is  independent  of  the  initial  amount.  

Radioactive  decay  is  a  random  process  and  is  not  affected  by  external  influences.  

7.2.7   Define  the  term  radioactive  half-­‐life.  

  The  time  taken  for  the  number  (or  mass)  of  radioactive  nuclei  present  to  fall  to  half  its  value.  This  length  of  time  is  constant  at  any  point  in  time    -­‐  showing  that  radioactive  decay  is  exponential.    

7.2.8   Determine  the  half-­‐life  of  a  nuclide  from  a  decay  curve.  

 

 7.2.9   Solve  radioactive  decay  

problems  involving  integral  numbers  of  half-­‐lives.  

   

   

7.3  Nuclear  reactions,  fission  and  fusion       Assessment  statement   Teacher’s  notes    7.3.1   Describe  and  give  an  

example  of  an  artificial     Artificial  transmutation  is  the  

process  whereby  a  nucleus  is  

Page 43: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    43  

(induced)  transmutation.   artificially  made  from  another  nucleus.  It  is  different  from  regular  radioactivity  in  that  the  reaction  is  not  spontaneous;  it  is  made  to  happen.  When  nitrogen  gas  was  bombarded  by  alpha-­‐particles  it  was  found  that  there  were  two  products:  oxygen  gas  and  positively  charged  particles.    

𝑁!!" + 𝐻𝑒!! → 𝑂!!" + 𝑃!!  

7.3.2   Construct  and  complete  nuclear  equations.  

 

 

 7.3.3   Define  the  term  unified  

atomic  mass  unit.     In  order  to  compare  atomic  

masses  we  often  use  unified  

Page 44: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    44  

mass  units,  u.  These  are  defined  in  terms  of  the  most  common  isotope  of  carbon,  cabon-­‐12.  One  unified  mass  unit  is  defined  as  exactly  one  twelfth  the  mass  of  a  caron-­‐12  atom.  Essentially,  the  mass  of  a  proton  and  the  mass  of  a  neutron  are  both  1u.    

7.3.4   Apply  the  Einstein  mass–energy  equivalence  relationship.  

Students  must  be  familiar  with  the  units  MeV  c  −2  and  GeV  c  −2  for  mass.  

If  an  object  increases  in  energy,  then  its  mass  also  increases.  The  relationship  between  mass  and  energy  is  described  by  Einstein’s  famous  equation:    

𝐸 = 𝑚𝑐!  When  energy  is  released,  there  is  also  a  decrease  in  mass  of  the  products.    In  Einstein’s  equation,  1kg  of  mass  is  equivalent  to  9x1016J  of  energy.  Since  mass  and  energy  are  equivalent  it  is  sometimes  useful  to  work  in  units  that  avoid  having  to  do  repeated  multiplications  by  the  speed  of  light.  A  new  possible  unit  for  mass  is  thus  MeV  c  −2.  If  1  MeV  c  −2  worth  of  mass  is  converted  you  get  1MeV  worth  of  energy.    

7.3.5   Define  the  concepts  of  mass  defect,  binding  energy  and  binding  energy  per  nucleon.  

  Mass  defect:  The  difference  between  the  mass  of  a  nucleus  and  the  masses  of  its  component  nucleons.    Binding  energy:  The  amount  of  energy  that  is  released  when  a  nucleus  is  assembled  from  its  component  nucleons.  It  comes  from  a  decrease  in  mass.  The  binding  energy  would  also  be  the  energy  that  needs  to  be  added  in  order  to  separate  a  nucleus  into  its  individual  nucleons.    Binding  energy  per  nucleon:  A  useful  measure  of  the  stability  of  a  nucleus  is  its  binding  energy.  This  is  the  energy  that  needs  to  be  supplied  to  remove  a  nucleon  from  the  nucleus.  Nuclides  that  have  the  largest  binding  energy  per  nucleon  are  therefore  the  most  stable.    The  total  binding  energy  divided  by  the  total  number  of  nucleons.    

7.3.6   Draw  and  annotate  a  graph  showing  the  variation  with  nucleon  number  of  the  binding  energy  per  nucleon.  

Students  should  be  familiar  with  binding  energies  plotted  as  positive  quantities.  

Page 45: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    45  

 Nucleons  in  iron  have  the  most  binding  energy,  so  they  are  the  most  stable.  Nuclides  therefore  become  more  stable  if  they  change  in  mass  closer  to  that  of  the  mass  of  iron.  Therefore  nuclides  heavier  than  iron  tend  to  break  apart  (fission)  and  nuclides  lighter  than  iron  tend  to  join  (fuse)  with  other  light  nuclides.      

7.3.7   Solve  problems  involving  mass  defect  and  binding  energy.  

   

7.3.8   Describe  the  processes  of  nuclear  fission  and  nuclear  fusion.  

  Fission:  Fission  is  the  name  given  to  the  nuclear  reaction  whereby  large  nuclei  are  induced  to  break  up  into  smaller  nuclei  and  release  energy  in  the  process.  It  is  the  reaction  that  is  used  in  nuclear  reactors  and  atomic  bombs.  A  typical  single  reaction  might  involve  bombarding  a  uranium  nucleus  with  a  neutron.  This  can  cause  the  uranium  nucleus  to  break  up  into  two  smaller  nuclei.    Fusion:  Fusion  is  the  name  given  to  the  nuclear  reaction  whereby  small  nuclei  are  induced  to  join  together  into  larger  nuclei  and  release  energy  in  the  process.  It  is  the  reaction  that  fuels  all  stars.    

7.3.9   Apply  the  graph  in  7.3.6  to  account  for  the  energy  release  in  the  processes  of  fission  and  fusion.  

   

7.3.10   State  that  nuclear  fusion  is  the  main  source  of  the  Sun’s  energy.  

  Fusion  is  the  name  given  to  the  nuclear  reaction  whereby  small  nuclei  are  induced  to  join  together  into  larger  nuclei  and  release  energy  in  the  process.  It  is  the  reaction  that  fuels  all  stars.  

7.3.11   Solve  problems  involving  fission  and  fusion  reactions.  

   

Page 46: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    46  

8.1  Energy  degradation  and  power  generation       Assessment  statement   Teacher’s  notes    8.1.1   State  that  thermal  energy  

may  be  completely  converted  to  work  in  a  single  process,  but  that  continuous  conversion  of  this  energy  into  work  requires  a  cyclical  process  and  the  transfer  of  some  energy  from  the  system.  

  In  principle,  thermal  energy  can  be  completely  converted  to  work  in  a  single  process,  nut  the  continuous  conversion  of  this  energy  into  work  implies  the  use  of  machines  that  are  continuously  repeating  their  actions  in  a  fixed  cycle.  Any  cyclical  process  must  involve  the  transfer  of  some  energy  from  the  system  to  the  surroundings  that  is  no  longer  available  to  perform  useful  work.    

8.1.2   Explain  what  is  meant  by  degraded  energy.  

Students  should  understand  that,  in  any  process  that  involves  energy  transformations,  the  energy  that  is  transferred  to  the  surroundings  (thermal  energy)  is  no  longer  available  to  perform  useful  work.  

Any  cyclical  process  must  involve  the  transfer  of  some  energy  from  the  system  to  the  surroundings  that  is  no  longer  available  to  perform  useful  work.  This  unavailable  energy  is  known  as  degraded  energy,  in  accordance  with  the  principle  of  the  second  law  of  thermodynamics.    

8.1.3   Construct  and  analyse  energy  flow  diagrams  (Sankey  diagrams)  and  identify  where  the  energy  is  degraded.  

It  is  expected  that  students  will  be  able  to  construct  flow  diagrams  for  various  systems  including  those  described  in  sub-­‐topics  8.3  and  8.4.  

 8.1.4   Outline  the  principal  

mechanisms  involved  in  the  production  of  electrical  power.  

Students  should  know  that  electrical  energy  may  be  produced  by  rotating  coils  in  a  magnetic  field.  In  sub-­‐topics  8.2  and  8.3  students  look  in  more  detail  at  energy  sources  used  to  provide  the  energy  to  rotate  the  coils.  

In  all  electrical  power  stations  the  process  is  essentially  the  same.  A  fuel  is  used  to  release  thermal  energy.  This  thermal  energy  is  used  to  boil  water  and  to  make  steam,  which  is  used  to  turn  turbines  and  the  motion  of  the  turbines  is  used  to  generate  electrical  energy.  Transformers  alter  the  potential  difference.    

   

8.2  World  energy  sources       Assessment  statement   Teacher’s  notes    8.2.1   Identify  different  world  

energy  sources.  Students  should  be  able  to  recognize  those  sources  

Renewable   Non-­‐renewable  Hydroelectric   Coal  Photovoltaic     Oil  

Page 47: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    47  

associated  with  CO2  emission.  Students  should  also  appreciate  that,  in  most  instances,  the  Sun  is  the  prime  energy  source  for  world  energy.  

Solar  heaters   Natural  gas  Wind   Nuclear  Biofuels    Most  of  the  energy  used  by  humans  can  be  traced  back  to  energy  radiated  from  the  Sun,  but  not  quite  all  of  it.  Possible  sources  are:  -­‐ The  Sun’s  radiated  energy  -­‐ Gravitational  energy  of  the  Sun  and  the  Moon  

-­‐ Nuclear  energy  stored  within  atoms  -­‐ The  Earth’s  internal  heat  energy  

8.2.2   Outline  and  distinguish  between  renewable  and  non-­‐renewable  energy  sources.  

  Renewable  source  of  energy  are  those  that  cannot  be  used  up,  whereas  non-­‐renewable  source  of  energy  can  be  used  up,  cannot  easily  be  replaced  and  will  eventually  run  out.    

8.2.3   Define  the  energy  density  of  a  fuel.  

Energy  density  is  measured  in  J  kg–1.  

Energy  density  provides  a  useful  comparison  between  fuels  and  is  defined  as  the  energy  liberated  per  unit  mass  of  fuel  consumed.    𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦  𝑑𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦 =

𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦  𝑟𝑒𝑙𝑒𝑎𝑠𝑒  𝑓𝑟𝑜𝑚  𝑓𝑢𝑒𝑙𝑚𝑎𝑠𝑠  𝑜𝑓  𝑓𝑢𝑒𝑙  𝑐𝑜𝑛𝑠𝑢𝑚𝑒𝑑  

 8.2.4   Discuss  how  choice  of  

fuel  is  influenced  by  its  energy  density.  

The  values  of  energy  density  of  different  fuels  will  be  provided.  

Fuel  choice  can  be  particularly  influenced  by  energy  density  when  the  fuel  needs  to  be  transported:  the  greater  the  mass  of  fuel  that  needs  to  be  transported,  the  greater  the  cost.  

8.2.5   State  the  relative  proportions  of  world  use  of  the  different  energy  sources  that  are  available.  

Only  approximate  values  are  needed.  

 8.2.6   Discuss  the  relative  

advantages  and  disadvantages  of  various  energy  sources.  

The  discussion  applies  to  all  the  sources  identified  in  sub-­‐topics  8.2,  8.3  and  8.4.  

See  sections  below  +  common  sense.    

   

8.3  Fossil  fuel  power  production       Assessment  statement   Teacher’s  notes    8.3.1   Outline  the  historical  and  

geographical  reasons  for  the  widespread  use  of  fossil  fuels.  

Students  should  appreciate  that  industrialization  led  to  a  higher  rate  of  energy  usage,  leading  to  industry  being  developed  near  to  large  deposits  of  fossil  fuels.  

As  the  industrial  revolution  spread,  the  rate  of  energy  usage  greatly  increased  and  industry  tended  to  develop  near  to  existing  deposits  of  fossil  fuels.  Infrastructure  was  created  to  allow  coal  and  other  fossil  fuels  to  be  easily  transported  as  the  

Page 48: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    48  

higher  rates  of  energy  usage  demanded  the  use  of  fuels  with  a  high  energy  density.  This  encouraged  the  growth  of  industries  near  the  raw  materials.    

8.3.2   Discuss  the  energy  density  of  fossil  fuels  with  respect  to  the  demands  of  power  stations.  

Students  should  be  able  to  estimate  the  rate  of  fuel  consumption  by  power  stations.  

 

8.3.3   Discuss  the  relative  advantages  and  disadvantages  associated  with  the  transportation  and  storage  of  fossil  fuels.  

  Advantages:    -­‐ Very  high  energy  density  -­‐ Easy  to  transport  -­‐ Still  cheap  compared  to  other  sources  

-­‐ Can  be  built  anywhere  with  good  transportation  links  

-­‐ Can  be  used  directly  at  home  to  provide  heating  

Disadvantages:  -­‐ Combustion  products  can  produce  pollution,  acid  rain,  contain  greenhouse  gases  

-­‐ Extraction  of  fossil  fuels  can  damage  the  environment  

-­‐ Non-­‐renewable  8.3.4   State  the  overall  efficiency  

of  power  stations  fuelled  by  different  fossil  fuels.  

Only  approximate  values  are  required.  

Fuel   Typical  E   Maximum  E  Coal   35%   42%  Nt.  gas   45%   52%  Oil   38%   45%  

 

8.3.5   Describe  the  environmental  problems  associated  with  the  recovery  of  fossil  fuels  and  their  use  in  power  stations.  

  -­‐ Combustion  products  can  produce  pollution,  acid  rain,  contain  greenhouse  gases  

-­‐ Extraction  of  fossil  fuels  can  damage  the  environment  

-­‐ Non-­‐renewable      

8.4  Non-­‐fossil  fuel  power  production       Assessment  

statement  Teacher’s  notes    

8.4.1   Describe  how  neutrons  produced  in  a  fission  reaction  may  be  used  to  initiate  further  fission  reactions  (chain  reaction).  

Students  should  know  that  only  low-­‐energy  neutrons  (~1  eV)  favour  nuclear  fission.  They  should  also  know  about  critical  mass.  

In  each  individual  reaction,  an  incoming  neutron  causes  a  uranium  nucleus  to  split  apart.  The  fragments  are  moving  fast.  In  other  words  the  temperature  is  very  high.  Among  the  fragments  are  more  neutrons.  If  these  neutrons  go  on  to  initiate  further  reactions  then  a  chain  reaction  is  created.  Critical  mass:  minimum  mass  for  chain  reaction  to  occur.    

8.4.2   Distinguish  between  controlled  nuclear  fission  (power  production)  and  uncontrolled  nuclear  

Students  should  be  aware  of  the  moral  and  ethical  issues  associated  with  nuclear  weapons.  

The  design  of  a  nuclear  reactor  needs  to  ensure  that,  on  average,  only  one  neutron  from  each  reaction  goes  on  to  initiate  a  further  reaction.  If  more  reactions  took  place  then  the  number  

Page 49: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    49  

fission  (nuclear  weapons).  

of  reactions  would  run  out  of  control.  If  fewer  reaction  took  place,  then  the  number  of  reactions  would  be  decreasing  and  the  fission  process  would  soon  stop.    

8.4.3   Describe  what  is  meant  by  fuel  enrichment.  

  Naturally  occurring  uranium  contains  less  than  1%  of  uranium-­‐235.  Enrichment  is  the  process  by  which  this  percentage  composition  is  increased  to  make  nuclear  fission  more  likely  (to  about  3%).    

8.4.4   Describe  the  main  energy  transformations  that  take  place  in  a  nuclear  power  station.  

 -­‐ Water  is  heated  by  heat  energy  created  through  nuclear  fission  -­‐ Energy  is  lost  to  surroundings  -­‐ Steam  turns  a  turbine  (heat  to  kinetic)  -­‐ Energy  is  lost  (friction)  -­‐ Turbine  powers  a  generator  -­‐ Energy  is  lost  (friction,  heat,  sound)  -­‐ Energy  is  transformed  into  electrical  energy  

8.4.5   Discuss  the  role  of  the  moderator  and  the  control  rods  in  the  production  of  controlled  fission  in  a  thermal  fission  reactor.  

  Three  important  components  in  the  design  of  all  nuclear  reactors  are  the  moderator,  the  control  rods  and  the  heat  exchanger:  -­‐ Collisions  between  the  neutrons  and  the  nuclei  of  the  moderator  slow  them  down  and  allow  further  reactions  to  take  place  

-­‐ The  control  rods  are  movable  rods  that  readily  absorb  neutrons.  They  can  be  introduced  or  removed  from  the  reaction  chamber  in  order  to  control  the  chain  reaction.    

8.4.6   Discuss  the  role  of  the  heat  exchanger  in  a  fission  reactor.  

  The  heat  exchanger  allows  the  nuclear  reactions  to  occur  in  a  place  that  is  sealed  off  from  the  rest  of  the  environment.  The  reactions  increase  the  temperature  in  the  core.  This  thermal  energy  is  transferred  to  water  and  the  steam  that  is  produced  turns  the  turbine.  

8.4.7   Describe  how  neutron  capture  by  a  nucleus  of  uranium-­‐238  (238U)  results  in  the  production  of  a  nucleus  

 Plutonium-­‐239  is  also  capable  of  sustaining  fission  reactions.  This  nuclide  is  formed  as  a  by-­‐product  of  a  conventional  nuclear  reactor.  A  uranium-­‐238  nucleus  can  capture  fast  moving  neutrons  to  form  

Page 50: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    50  

of  plutonium-­‐239  (239Pu).  

uranium-­‐239.  This  undergoes  beta-­‐decay  to  neptunium-­‐239,  which  undergoes  further  beta-­‐decay  to  plutonium-­‐239.  Reprocessing  involves  treating  used  fuel  waste  from  nuclear  reactors  to  recover  uranium  and  plutonium  and  to  deal  with  other  waste  products.  A  fast  breeder  reactor  is  one  design  that  utilizes  plutonium-­‐239.    

8.4.8   Describe  the  importance  of  plutonium-­‐239  (239Pu)  as  a  nuclear  fuel.  

It  is  sufficient  for  students  to  know  that  plutonium-­‐239  (239Pu)  is  used  as  a  fuel  in  other  types  of  reactors.  

A  fast  breeder  reactor  is  one  design  that  utilizes  plutonium-­‐239.  It  is  capable  of  sustaining  fission  reactions.    

8.4.9   Discuss  safety  issues  and  risks  associated  with  the  production  of  nuclear  power.  

Such  issues  involve:  •  The  possibility  of  thermal  meltdown  and  how  it  might  arise  •  Problems  associated  with  nuclear  waste  •  Problems  associated  with  the  mining  of  uranium  •  The  possibility  that  a  nuclear  power  programme  may  be  used  as  a  means  to  produce  nuclear  weapons.  

-­‐ If  the  control  rods  were  all  removed,  the  reaction  would  rapidly  increase  its  rate  of  production.  Completely  uncontrolled  nuclear  fission  would  cause  an  explosion  and  thermal  meltdown  in  the  core.  The  radioactive  material  in  the  reactor  could  be  distributed  around  the  surrounding  area  causing  many  fatalities.    

-­‐ A  significant  amount  of  material  produced  will  remain  dangerously  radioactive  for  millions  of  years.  The  current  solution  is  to  bury  this  waste  in  geologically  secure  sites.    

-­‐ The  uranium  is  mined  from  underground  and  any  mining  operation  involves  significant  risk.    

-­‐ The  transportation  of  the  uranium  from  the  mine  to  a  power  station  needs  to  be  secure  (same  for  transportation  of  waste).  

-­‐ By-­‐products  of  the  civilian  use  of  nuclear  power  can  be  used  to  produce  nuclear  weapons.  

8.4.10   Outline  the  problems  associated  with  producing  nuclear  power  using  nuclear  fusion.  

It  is  sufficient  that  students  appreciate  the  problem  of  maintaining  and  confining  a  high-­‐temperature,  high-­‐density  plasma.  

Fusion  reactors  offer  the  theoretical  potential  of  significant  power  generation  without  many  of  the  problems  associated  with  current  fission  reactors.  The  fuel  used,  hydrogen,  is  in  plentiful  supply  and  the  reaction  (if  it  could  be  sustained)  would  not  produce  significant  amounts  of  radioactive  waste.    The  reaction  requires  creating  temperatures  high  enough  to  ionize  atomic  hydrogen  into  a  plasma  state  in  which  electrons  and  photons  are  not  bound  in  atoms  nut  move  independently.  Currently  the  principal  design  challenges  are  associated  with  maintaining  and  confining  the  plasma  at  sufficiently  high  temperature  and  density  for  fusion  to  take  place.    

8.4.11   Solve  problems  on  the  production  of  nuclear  power.  

   

8.4.12   Distinguish  between  a  photovoltaic  cell  and  a  

Students  should  be  able  to  describe  the  energy  transfers  

Photovoltaic  cell:  Converts  a  portion  of  the  radiated  energy  directly  into  a  

Page 51: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    51  

solar  heating  panel.   involved  and  outline  appropriate  uses  of  these  devices.  

potential  difference.    Active  solar  heater:  Designed  to  capture  as  much  thermal  energy  as  possible.  The  hot  water  that  it  typically  produces  can  be  used  domestically  and  would  save  on  the  use  of  electrical  energy.    

8.4.13   Outline  reasons  for  seasonal  and  regional  variations  in  the  solar  power  incident  per  unit  area  of  the  Earth’s  surface.  

 

 Scattering  and  absorption  in  the  atmosphere  means  that  often  less  energy  arrives  at  the  Earth’s  surface.  The  amount  that  arrives  depends  greatly  on  the  weather  conditions.    Different  parts  of  the  Earth’s  surface  will  receive  different  amounts  of  solar  radiation.  It  will  also  vary  with  the  seasons  since  this  will  affect  how  spread  out  the  rays  have  become.    

8.4.14   Solve  problems  involving  specific  applications  of  photovoltaic  cells  and  solar  heating  panels.  

   

8.4.15   Distinguish  between  different  hydroelectric  schemes.  

Students  should  know  that  the  different  schemes  are  based  on:  •  water  storage  in  lakes  •  tidal  water  storage  •  pump  storage.  

Water  storage  in  lakes:  Tidal  water  storage:  Pump  storage:  

 8.4.16   Describe  the  main  

energy  transformations  that  take  place  in  hydroelectric  schemes.  

  The  source  of  energy  in  a  hydroelectric  power  station  is  the  gravitational  potential  energy  of  water.    -­‐ As  part  of  the  water  cycle,  water  can  fall  as  rain.  It  can  be  stored  in  large  reservoirs  as  high  up  as  is  feasible  

-­‐ Tidal  power  schemes  trap  water  at  high  tides  and  release  it  during  a  low  tide.  

-­‐ Water  can  be  pumped  from  a  low  reservoir  to  a  high  reservoir.    

Gravitational  PE  of  water  à  KE  of  

Page 52: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    52  

water  à  KE  of  turbines  à  electrical  energy.  

8.4.17   Solve  problems  involving  hydroelectric  schemes.  

   

8.4.18   Outline  the  basic  features  of  a  wind  generator.  

 8.4.19   Determine  the  power  

that  may  be  delivered  by  a  wind  generator,  assuming  that  the  wind  kinetic  energy  is  completely  converted  into  mechanical  kinetic  energy,  and  explain  why  this  is  impossible.  

The  area  swept  out  by  the  blades  of  the  turbine  =  𝐴 = 𝜋𝑟!  In  one  second  the  volume  of  air  that  passes  =  vA  So  mass  of  air  that  passes  the  turbine  in  one  second  =  vAp  (where  p  is  the  density  of  air)  Kinetic  energy  available  per  second  =  !

!𝑚𝑣! = !

!𝑣𝐴𝑝 𝑣! = !

!𝐴𝑝𝑣!  

à  Power  available.  In  practice,  the  kinetic  energy  of  the  incoming  wind  is  easy  to  calculate,  but  it  cannot  all  be  harnessed  –  in  other  words  the  wind  turbine  cannot  be  100%  efficient.  A  doubling  of  the  wind  speed  would  mean  that  the  available  power  would  increase  by  a  factor  of  eight.    

8.4.20   Solve  problems  involving  wind  power.  

   

8.4.21   Describe  the  principle  of  operation  of  an  oscillating  water  column  (OWC)  ocean-­‐wave  energy  converter.  

Students  should  be  aware  that  energy  from  a  water  wave  can  be  extracted  in  a  variety  of  different  ways,  but  only  a  description  of  the  OWC  is  required.  

 8.4.22   Determine  the  power   We  model  the  waves  as  squares  to  simplify  the  mathematics.  Consider  

Page 53: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    53  

per  unit  length  of  a  wavefront,  assuming  a  rectangular  profile  for  the  wave.  

a  wave  of  Amplitude  A,  speed  v  and  wavelength  𝜆.    

 8.4.23   Solve  problems  

involving  wave  power.      

 

8.5  Greenhouse  effect       Assessment  statement   Teacher’s  notes    8.5.1   Calculate  the  intensity  

of  the  Sun’s  radiation  incident  on  a  planet.  

As  the  distance  of  an  observer  from  a  point  source  of  light  increases,  the  power  received  by  the  observer  will  decrease  as  the  energy  spreads  out  over  a  larger  area.  A  doubling  of  distance  will  result  in  the  reduction  of  the  power  received  to  a  quarter  of  the  original  value.  𝐼 = !

!!!!    

The  intensity  of  the  received  radiation  is  inversely  proportional  to  the  square  of  the  distance  from  the  pint  source  to  the  observer.    This  is  known  as  the  inverse  square  law.    

8.5.2   Define  albedo.     The  proportion  of  power  (or  energy)  reflected  compared  to  the  total  power  (energy)  received.  

=𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙  𝑠𝑐𝑎𝑡𝑡𝑒𝑟𝑒𝑑  𝑝𝑜𝑤𝑒𝑟𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙  𝑖𝑛𝑐𝑖𝑑𝑒𝑛𝑡  𝑝𝑜𝑤𝑒𝑟

 

8.5.3   State  factors  that  determine  a  planet’s  albedo.  

Students  should  know  that  the  Earth’s  albedo  varies  daily  and  is  dependent  on  season  (cloud  formations)  and  latitude.  Oceans  have  a  low  value  but  snow  a  high  value.  The  global  annual  mean  albedo  is  0.3  (30%)  on  Earth.  

The  albedo  of  snowy  surfaces  is  about  0.85  –  indicating  that  this  typ  of  surface  reflects  85%  of  the  sun’s  radiation  back.  The  global  annual  mean  albedo  of  the  Earth  is  30%  (so  ~70%  of  the  radiation  reaching  the  Earth  is  absorbed).  

8.5.4   Describe  the  greenhouse  effect.  

 Short  wavelength  radiation  is  received  from  the  sun  and  causes  the  

Page 54: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    54  

surface  of  the  Earth  to  warm  up.  The  Earth  will  emit  infrared  radiation  (longer  wavelengths  than  the  radiation  coming  from  the  sun  because  the  Earth  is  cooler).  Some  of  this  infrared  radiation  is  absorbed  by  gases  in  the  atmosphere  and  re-­‐radiated  in  all  directions.  The  net  effect  is  that  the  upper  atmosphere  and  the  surface  of  the  earth  are  warmed.  The  greenhouse  effect  is  a  natural  process  without  which  the  temperature  of  the  Earth  would  be  much  lower.    

8.5.5   Identify  the  main  greenhouse  gases  and  their  sources.  

The  gases  to  be  considered  are  CH4,  H2O,  CO2  and  N2O.  It  is  sufficient  for  students  to  know  that  each  has  natural  and  man-­‐made  origins.  

Methane  CH4:  Principal  component  of  natural  gas  and  the  product  of  decay,  decomposition  or  fermentation.    Water  H2O:  The  small  amounts  of  water  vapour  in  the  upper  atmosphere  have  a  significant  effect.    Carbon  dioxide  CO2:  Combustion  releases  carbon  dioxide  into  the  atmosphere  which  can  significantly  increase  the  greenhouse  effect.    Nitrous  oxide  N2O:  Livestock  and  industries  are  major  sources  of  nitrous  oxide.  Its  effect  is  significant  as  it  can  remain  in  the  upper  atmosphere  for  long  periods.    

8.5.6   Explain  the  molecular  mechanisms  by  which  greenhouse  gases  absorb  infrared  radiation.  

Students  should  be  aware  of  the  role  played  by  resonance.  The  natural  frequency  of  oscillation  of  the  molecules  of  greenhouse  gases  is  in  the  infrared  region.  

These  gases  absorb  infrared  radiation  as  a  result  of  resonance.  The  natural  frequency  of  oscillation  of  the  bonds  within  the  molecules  of  the  gas  is  in  the  infrared  region.  If  the  driving  frequency  (radiation  from  Earth)  is  equal  to  the  natural  frequency  of  the  molecule,  resonance  will  occur.    

8.5.7   Analyse  absorption  graphs  to  compare  the  relative  effects  of  different  greenhouse  gases.  

Students  should  be  familiar  with,  but  will  not  be  expected  to  remember,  specific  details  of  graphs  showing  infrared  transmittance  through  a  gas.  

 8.5.8   Outline  the  nature  of  

black-­‐body  radiation.  Students  should  know  that  black-­‐body  radiation  is  the  radiation  emitted  by  a  “perfect”  emitter.  

The  perfect  emitter  will  also  be  a  perfect  absorber  of  radiation.  A  black  object  absorbs  all  of  the  light  falling  on  it.  For  this  reason  the  radiation  from  a  theoretical  perfect  emitter  is  known  as  black-­‐body  radiation.    

Page 55: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    55  

8.5.9   Draw  and  annotate  a  graph  of  the  emission  spectra  of  black  bodies  at  different  temperatures.  

 

 8.5.10   State  the  Stefan–

Boltzmann  law  and  apply  it  to  compare  emission  rates  from  different  surfaces.  

  The  Stefan-­‐Boltzman  law  links  the  total  power  radiated  by  a  black  body  (per  unit  are)  to  the  temperature  of  the  black  body:  

𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙  𝑝𝑜𝑤𝑒𝑟  𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑡𝑒𝑑   ∝ 𝑇!  𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙  𝑝𝑜𝑤𝑒𝑟  𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑡𝑒𝑑 = 𝜎𝐴𝑇!  

8.5.11   Apply  the  concept  of  emissivity  to  compare  the  emission  rates  from  the  different  surfaces.  

  Emissivity  is  a  number  (from  0  to  1)  measuring  how  well  a  surface  emits  radiation.  Good  emitters  have  an  emissivity  close  to  1  (black  body  emissivity  =  1)  

8.5.12   Define  surface  heat  capacity  Cs.  

Surface  heat  capacity  is  the  energy  required  to  raise  the  temperature  of  unit  area  of  a  planet’s  surface  by  one  degree,  and  is  measured  in  J  m–2  K–1.  

Surface  heat  capacity  is  the  energy  required  to  raise  the  temperature  of  unit  area  of  a  planet’s  surface  by  one  degree,  and  is  measured  in  J  m–

2  K–1.  𝐶!=

𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑦∆𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒  𝑒𝑡𝑚𝑝𝑒𝑟𝑎𝑡𝑢𝑟𝑒  𝑥  𝑠𝑢𝑟𝑓𝑎𝑐𝑒  𝑎𝑟𝑒𝑎    

8.5.13   Solve  problems  on  the  greenhouse  effect  and  the  heating  of  planets  using  a  simple  energy  balance  climate  model.  

Students  should  appreciate  that  the  change  of  a  planet’s  temperature  over  a  period  of  time  is  given  by:  (incoming  radiation  intensity  –  outgoing  radiation  intensity)  x  time  /  surface  heat  capacity.  Students  should  be  aware  of  limitations  of  the  model  and  suggest  how  it  may  be  improved.  

See  left,  important.    

   

8.6  Global  warming       Assessment  statement   Teacher’s  notes    8.6.1   Describe  some  possible  

models  of  global  warming.  Students  must  be  aware  that  a  range  of  models  has  been  suggested  to  explain  global  warming,  including  changes  in  the  composition  of  greenhouse  gases  in  the  atmosphere,  increased  solar  flare  activity,  cyclical  changes  in  the  Earth’s  orbit  and  volcanic  activity.  

 

8.6.2   State  what  is  meant  by  the   It  is  sufficient  for  students  to  be   An  enhancement  of  the  

Page 56: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    56  

enhanced  greenhouse  effect.  

aware  that  enhancement  of  the  greenhouse  effect  is  caused  by  human  activities.  

greenhouse  effect  caused  by  human  activities.    

8.6.3   Identify  the  increased  combustion  of  fossil  fuels  as  the  likely  major  cause  of  the  enhanced  greenhouse  effect.  

Students  should  be  aware  that,  although  debatable,  the  generally  accepted  view  of  most  scientists  is  that  human  activities,  mainly  related  to  burning  of  fossil  fuels,  have  released  extra  carbon  dioxide  into  the  atmosphere.  

Although  it  is  still  being  debated,  the  generally  accepted  view  is  that  the  increased  combustion  of  fossil  fuels  has  released  extra  carbon  dioxide  into  the  atmosphere,  which  has  enhanced  the  greenhouse  effect.    

8.6.4   Describe  the  evidence  that  links  global  warming  to  increased  levels  of  greenhouse  gases.  

For  example,  international  ice  core  research  produces  evidence  of  atmospheric  composition  and  mean  global  temperatures  over  thousands  of  years  (ice  cores  up  to  420,000  years  have  been  drilled  in  the  Russian  Antarctic  base,  Vostok).  

One  piece  of  evidence  that  links  global  warming  to  increased  levels  of  greenhouse  gases  comes  from  ice  core  data.    Isotopic  analysis  allows  the  temperature  to  be  estimated  and  air  bubbles  trapped  in  the  ice  cores  can  be  used  to  measure  the  atmospheric  concentrations  of  greenhouse  gases.  The  record  provides  data  from  over  400,000  years  ago  to  the  present.  The  variations  of  temperature  and  carbon  dioxide  are  very  closely  correlated.  

8.6.5   Outline  some  of  the  mechanisms  that  may  increase  the  rate  of  global  warming.  

Students  should  know  that:  •  Global  warming  reduces  ice/snow  cover,  which  in  turn  changes  the  albedo,  to  increase  rate  of  heat  absorption  •  Temperature  increase  reduces  the  solubility  of  CO2  in  the  sea  and  increases  atmospheric  concentrations  •  Deforestation  reduces  carbon  fixation.  

Not  only  does  deforestation  result  in  the  release  of  further  CO2into  the  atmosphere,  the  reduction  in  number  of  trees  reduces  carbon  fixation.  Temperature  increase  reduces  the  solubility  of  CO2  in  the  sea  and  thus  increases  atmospheric  concentrations.    

8.6.6   Define  coefficient  of  volume  expansion.  

Students  should  know  that  the  coefficient  of  volume  expansion  is  the  fractional  change  in  volume  per  degree  change  in  temperature.  

The  coefficient  of  volume  expansion  records  the  fractional  change  in  volume  per  degree  change  in  temperature.    

𝛾 =∆𝑉𝑉!∆𝑇

 

8.6    .7   State  that  one  possible  effect  of  the  enhanced  greenhouse  effect  is  a  rise  in  mean  sea-­‐level.  

  Between  0°C  and  4°C,  the  coefficient  of  volume  expansion  for  water  is  negative.  This  means  that  if  the  temperature  of  water  is  increased  within  the  range  of  0°C  to  4°C  this  will  cause  a  decrease  in  volume.  When  ice  that  is  floating  on  seawater  melts,  the  overall  water  level  is  predicted  to  initially  decrease.    Ice  that  is  on  land,  however,  is  not  displacing  water  and  when  it  melts  it  will  increase  the  sea  level.    

8.6.8   Outline  possible  reasons  for  a  predicted  rise  in  mean  sea-­‐level.  

Students  should  be  aware  that  precise  predictions  are  difficult  to  make  due  to  factors  such  as:  

See  above  for  explanation.    

Page 57: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    57  

•  anomalous  expansion  of  water  •  different  effects  of  ice  melting  on  sea  water  compared  to  ice  melting  on  land.  

8.6.9   Identify  climate  change  as  an  outcome  of  the  enhanced  greenhouse  effect.  

  “Most  of  the  observed  increase  in  globally  averaged  temperature  since  the  mid-­‐20th  century  is  very  likely  due  to  the  observed  increase  in  anthropogenic  [human  caused]  greenhouse  gas  concentrations.”  (IPCC)  

8.6.10   Solve  problems  related  to  the  enhanced  greenhouse  effect.  

Problems  could  involve  volume  expansion,  specific  heat  capacity  and  latent  heat.  

 

8.6.11   Identify  some  possible  solutions  to  reduce  the  enhanced  greenhouse  effect.  

Students  should  be  aware  of  the  following:  •  greater  efficiency  of  power  production  •  replacing  the  use  of  coal  and  oil  with  natural  gas  •  use  of  combined  heating  and  power  systems  (CHP)  •  increased  use  of  renewable  energy  sources  and  nuclear  power  •  carbon  dioxide  capture  and  storage  •  use  of  hybrid  vehicles.  

Look  left,  should  all  be  common  sense.    

8.6.12   Discuss  international  efforts  to  reduce  the  enhanced  greenhouse  effect.  

These  should  include,  for  example:  •  Intergovernmental  Panel  on  Climate  Change  (IPCC)  •  Kyoto  Protocol  •  Asia-­‐Pacific  Partnership  on  Clean  Development  and  Climate  (APPCDC).  

IPCC:  Hundreds  of  governmental  scientific  representatives  from  more  than  a  hundred  countries  regularly  assess  the  up  to  date  evidence  from  international  research  into  global  warming  and  human  induced  climate  change.    Kyoto  Protocol:  This  is  an  amendment  to  UN  Framework  Convention  on  Climate  Change.  By  signing  the  treaty,  countries  agree  to  work  towards  achieving  a  stipulated  reduction  in  greenhouse  gas  emission.  USA  and  Australia  have  not  signed.    APPCDC:  Founding  partners  are  Australia,  China,  India,  Japan,  Korea,  US.  They  have  agreed  to  work  together  to  meet  goals  for  energy  security,  air  pollution  reduction  and  climate  change  in  was  that  promote  sustainable  economic  growth  and  poverty  reduction.    

       

Page 58: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    58  

9.1  Projectile  motion       Assessment  statement   Teacher’s  notes    9.1.1   State  the  independence  of  

the  vertical  and  the  horizontal  components  of  velocity  for  a  projectile  in  a  uniform  field.  

  A  ball  that  is  thrown  up  in  the  air  is  moving  horizontally  and  vertically  at  the  same  time  but  the  horizontal  and  vertical  components  of  the  motion  are  independent  of  one  another.  Assuming  the  gravitational  force  is  constant,  this  is  always  true.    

9.1.2   Describe  and  sketch  the  trajectory  of  projectile  motion  as  parabolic  in  the  absence  of  air  resistance.  

Proof  of  the  parabolic  nature  of  the  trajectory  is  not  required.  

 Horizontal:  There  are  no  forces  in  the  horizontal  direction,  so  there  is  no  horizontal  acceleration.  This  means  that  the  horizontal  velocity  must  be  constant.    Vertical:  There  is  a  constant  vertical  force  acting  down,  so  there  is  a  constant  vertical  acceleration  (g  due  to  gravity).    

9.1.3   Describe  qualitatively  the  effect  of  air  resistance  on  the  trajectory  of  a  projectile.  

  The  path  is  no  longer  parabolic.  The  maximum  height  and  range  decrease.  The  angle  at  which  the  projectile  impacts  the  ground  steepens.      

9.1.4   Solve  problems  on  projectile  motion.  

Problems  may  involve  projectiles  launched  horizontally  or  at  any  angle  above  or  below  the  horizontal.  Applying  conservation  of  energy  may  provide  a  simpler  solution  to  some  problems  than  using  projectile  motion  kinematics  equations.  

 

   

9.2  Gravitational  field,  potential  and  energy       Assessment  statement   Teacher’s  notes    9.2.1   Define  gravitational  

potential  and  gravitational  potential  energy.  

Students  should  understand  the  scalar  nature  of  gravitational  potential  and  that  the  potential  at  infinity  is  taken  as  zero.  Students  should  understand  that  the  work  done  in  moving  a  mass  between  two  points  in  a  

Gravitational  potential:  scalar  quantity  (V),  the  work  done  per  unit  mass  in  bringing  a  small  point  mass  from  infinity  to  a  point  (always  negative)  Gravitational  potential  energy:  the  work  done  in  moving  a  mass  

Page 59: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    59  

gravitational  field  is  independent  of  the  path  taken.  

form  infinity  to  a  point  in  space  (independent  of  path  taken)  

9.2.2   State  and  apply  the  expression  for  gravitational  potential  due  to  a  point  mass.  

  𝑉 =𝑤𝑜𝑟𝑘  𝑑𝑜𝑛𝑒𝑡𝑒𝑠𝑡  𝑚𝑎𝑠𝑠

= −𝐺𝑀𝑟  

The  units  are  J  kg-­‐1.  

9.2.3   State  and  apply  the  formula  relating  gravitational  field  strength  to  gravitational  potential  gradient.  

The  change  in  potential  per  metre.  Gravitational  field  strength  is  the  negative  of  the  potential  gradient.  

 

 9.2.4   Determine  the  potential  

due  to  one  or  more  point  masses.  

   

9.2.5   Describe  and  sketch  the  pattern  of  equipotential  surfaces  due  to  one  and  two  point  masses.  

 9.2.6   State  the  relation  between  

equipotential  surfaces  and  gravitational  field  lines.  

  There  is  a  simple  relationship  between  field  lines  and  lines  of  equipotential  –  they  are  always  at  right  angles  to  one  another.    

9.2.7   Explain  the  concept  of  escape  speed  from  a  planet.  

  The  escape  speed  of  a  rocket  is  the  speed  needed  to  be  able  to  escape  the  gravitational  attraction  of  the  planet.  This  means  getting  to  an  infinite  distance  away.    

9.2.8   Derive  an  expression  for  the  escape  speed  of  an  object  from  the  surface  of  a  planet.  

Students  should  appreciate  the  simplifying  assumptions  in  this  derivation.  

12𝑚𝑣! =

𝐺𝑀𝑚𝑅

 So    

𝑣 =2𝐺𝑀𝑅

 

 

Page 60: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    60  

9.2.9   Solve  problems  involving  gravitational  potential  energy  and  gravitational  potential.  

   

   

9.3  Electric  field,  potential  and  energy       Assessment  statement   Teacher’s  notes    9.3.1   Define  electric  potential  

and  electric  potential  energy.  

Students  should  understand  the  scalar  nature  of  electric  potential  and  that  the  potential  at  infinity  is  taken  as  zero.  Students  should  understand  that  the  work  done  in  moving  a  point  charge  between  two  points  in  an  electric  field  is  independent  of  the  path  taken.  

Electric  potential:  The  work  done  per  unit  charge  in  bringing  a  positive  test  charge  from  infinity  to  a  point  in  an  electric  field.    Electric  potential  energy:  Energy  that  a  charge  has  due  to  its  position  in  an  electric  field.    

9.3.2   State  and  apply  the  expression  for  electric  potential  due  to  a  point  charge.  

  If  the  total  work  done  in  bringing  a  positive  test  charge  q  from  infinity  to  a  point  in  an  electric  field  is  W,  then  the  electric  potential  at  that  point  V  is  defined  to  be:  

𝑉 =𝑊𝑞  

9.3.3   State  and  apply  the  formula  relating  electric  field  strength  to  electric  potential  gradient.  

  𝑉 =𝑄

4𝜋𝜀!𝑟  

9.3.4   Determine  the  potential  due  to  one  or  more  point  charges.  

  If  several  charges  all  contribute  to  the  total  potential  at  a  point,  it  can  be  calculated  by  adding  up  the  individual  potentials  due  to  the  individual  charges.  The  electric  potential  at  any  point  outside  the  charge  conducting  sphere  is  exactly  the  same  as  if  all  the  charge  had  been  concentrated  at  its  centre.    

Page 61: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    61  

9.3.5   Describe  and  sketch  the  pattern  of  equipotential  surfaces  due  to  one  and  two  point  charges.  

 9.3.6   State  the  relation  between  

equipotential  surfaces  and  electric  field  lines.  

 9.3.7   Solve  problems  involving  

electric  potential  energy  and  electric  potential.  

   

 

Page 62: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    62  

9.4  Orbital  motion       Assessment  statement   Teacher’s  notes    9.4.1   State  that  gravitation  

provides  the  centripetal  force  for  circular  orbital  motion.  

  Gravitation  provides  the  centripetal  force  for  circular  orbital  motion.  

9.4.2   Derive  Kepler’s  third  law.     Expressing  the  above  in  formulae  𝐺𝑀𝑚𝑟!

=𝑚𝑣!

𝑟  

𝐺𝑀 = 𝑣!𝑟  

𝑣 =𝐺𝑀𝑟

 

Since  a  satellite  does  one  orbit  in  time  T,    

𝑣 =𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑚𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑐𝑒

𝑇=2𝜋𝑟𝑇  

Substituting:  

𝐺𝑀 =2𝜋𝑟𝑇

!

𝑟 =4𝜋!  𝑟!

𝑇!  

As  G,  M  and  4𝜋!  are  all  constants,    !!

!!= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡  

 9.4.3   Derive  expressions  for  the  

kinetic  energy,  potential  energy  and  total  energy  of  an  orbiting  satellite.  

  Kinetic  energy:  12𝑚𝑣!  

From  above:  

𝑣 =𝐺𝑀𝑟

 

=>1  2𝐺𝑀𝑚𝑟

 Potential  energy:  

−𝐺𝑀𝑚𝑟

 Total  energy:  Total  energy  =  Kinetic  energy  +  Potential  energy  1  2𝐺𝑀𝑚𝑟

−𝐺𝑀𝑚𝑟

= −1  2𝐺𝑀𝑚𝑟

 

Page 63: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    63  

9.4.4   Sketch  graphs  showing  the  variation  with  orbital  radius  of  the  kinetic  energy,  gravitational  potential  energy  and  total  energy  of  a  satellite.  

 9.4.5   Discuss  the  concept  of  

“weightlessness”  in  orbital  motion,  in  free  fall  and  in  deep  space.  

  If  the  lift  cables  beak  and  the  lift  (and  passenger)  accelerate  down  at  10m  s-­‐2,  the  person  would  appear  to  be  weightless  for  the  duration  of  the  fall.  Given  the  ambiguity  of  the  term  weight,  it  is  better  to  call  this  situation  the  apparent  weightlessness  of  objects  in  free  fall  together.    In  a  space  station,  the  gravitational  pull  on  the  astronaut  provides  the  centripetal  force  needed  to  stay  in  the  orbit.  This  resultant  force  causes  the  centripetal  acceleration.  The  same  is  true  for  the  gravitational  pull  on  the  satellite  and  the  satellite’s  acceleration.  There  is  no  contact  force  between  the  satellite  and  the  astronaut  so,  once  again,  we  have  apparent  weightlessness.    

9.4.6   Solve  problems  involving  orbital  motion.  

   

                 

Page 64: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    64  

10.1  Thermodynamics       Assessment  statement   Teacher’s  notes    10.1.1   State  the  equation  of  state  

for  an  ideal  gas.  Students  should  be  aware  that  an  ideal  gas  is  one  that  has  the  equation  of  state  PV  =  nRT  and  that  this  equation  also  defines  the  universal  gas  constant  R.  

The  three  ideal  gas  laws  can  be  combined  together  to  produce  one  mathematical  relationship:  

𝑝𝑉𝑇= 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡  

This  constant  will  depend  on  the  mass  and  type  of  gas.  If  we  compare  the  value  of  this  constant  for  different  masses  of  different  gases,  it  turns  out  to  depend  on  the  number  of  molecules  that  are  in  the  gas    -­‐not  their  type.  In  this  case  we  use  the  definition  of  the  mole  to  state  that  for  n  moles  of  ideal  gas:  𝑝𝑉𝑛𝑇

= 𝑎  𝑢𝑛𝑖𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙  𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡  This  constant  is  called  the  molar  gas  constant  R.    à  pV=nRT  

10.1.2   Describe  the  difference  between  an  ideal  gas  and  a  real  gas.  

Students  should  be  aware  of  the  circumstances  in  which  real  gas  behaviour  approximates  to  ideal  gas  behaviour.  Students  should  also  appreciate  that  ideal  gases  cannot  be  liquefied.  

An  ideal  gas  is  one  that  follows  the  gas  laws  for  all  values  of  p,  V  and  T  and  this  cannot  be  liquefied.  Real  gases,  however,  can  approximate  to  ideal  behaviour  providing  that  the  intermolecular  forces  are  small  enough  to  be  ignored.  For  this  to  apply,  the  pressure/density  of  the  gas  must  be  low  and  the  temperature  must  be  reasonably  high.    For  an  ideal  gas,  there  are  no  intermolecular  forces,  collisions  between  particles  are  elastic  and  particles  are  considered  to  be  points  (small  size).    

10.1.3   Describe  the  concept  of  the  absolute  zero  of  temperature  and  the  Kelvin  scale  of  temperature.  

 The  linear  relationship  can  be  extrapolated  back  to  -­‐273K,  known  as  absolute  zero.  At  absolute  zero,  a  body  would  not  have  any  volume.    

10.1.4   Solve  problems  using  the  equation  of  state  of  an  ideal  gas.  

  e.g.  What  volume  will  be  occupied  by  8g  of  helium  (mass  number  4)  at  room  temperature  (20°C)  and  atmospheric  pressure  (1x105Pa)  

Page 65: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    65  

n=8/4=2  moles  T=20+273=293K  

𝑉 =𝑛𝑅𝑇𝑝

=2𝑥8.314𝑥293

1𝑥10!= 0.049𝑚!  

   

10.2  Processes       Assessment  statement   Teacher’s  notes    10.2.1   Deduce  an  expression  for  

the  work  involved  in  a  volume  change  of  a  gas  at  constant  pressure.  

 For  a  gas  in  the  cylinder  expanding  by  a  small  distance  dx  

𝑑𝑊 = 𝐹𝑑𝑥  and    

𝐹 = 𝑃  𝐴  𝑑𝑊 = 𝑃  𝐴  𝑑𝑥  

and    𝐴  𝑑𝑥 = 𝑑𝑉  𝑑𝑊 = 𝑃  𝑑𝑉  

𝐴𝑑𝑉!!

!!  

10.2.2   State  the  first  law  of  thermodynamics.  

Students  should  be  familiar  with  the  terms  system  and  surroundings.  They  should  also  appreciate  that  if  a  system  and  its  surroundings  are  at  different  temperatures  and  the  system  undergoes  a  process,  the  energy  transferred  by  non-­‐mechanical  means  to  or  from  the  system  is  referred  to  as  thermal  energy  (heat).  

Thermodynamic  system:  Most  of  the  time  when  studying  the  behaviour  of  an  ideal  gas  in  particular  situations,  we  focus  on  the  macroscopic  behaviour  of  the  gas  as  a  whole.  In  terms  of  work  and  energy,  the  gas  can  gain  or  lose  thermal  energy  and  it  can  do  work  or  work  can  be  done  on  it.  In  this  context,  the  gas  can  be  seen  as  a  thermodynamic  system.    Surroundings:  If  we  are  focusing  our  study  on  the  behaviour  of  an  ideal  gas,  then  everything  else  can  be  called  its  surroundings.      First  law:  The  first  law  is  simply  a  statement  of  the  principle  of  energy  conservation  as  applied  to  a  system.  If  an  amount  of  thermal  energy  ∆𝑄  is  given  to  a  system,  

Page 66: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    66  

then  one  of  two  things  must  happen  (or  a  combination  of  both).  The  system  can  increase  its  internal  energy  ∆𝑈  or  it  can  do  work  ∆𝑊.  

 10.2.3   Identify  the  first  law  of  

thermodynamics  as  a  statement  of  the  principle  of  energy  conservation.  

  Stated  above.    

10.2.4   Describe  the  isochoric  (isovolumetric),  isobaric,  isothermal  and  adiabatic  changes  of  state  of  an  ideal  gas.  

In  each  process,  the  energy  transferred,  the  work  done  and  the  internal  energy  change  should  be  addressed.  Students  should  realize  that  a  rapid  compression  or  expansion  of  a  gas  is  approximately  adiabatic.  

Isochoric:  constant  volume  Isobaric:  constant  pressure  Isothermal:  constant  temperature  Adiabatic:  no  thermal  energy  transfer  between  gas  and  surrounds  

 10.2.5   Draw  and  annotate  

thermodynamic  processes  and  cycles  on  P–V  diagrams.  

  See  above.    

10.2.6   Calculate  from  a  P–V  diagram  the  work  done  in  a  thermodynamic  cycle.  

  The  area  under  the  graph  (between  the  lines  of  change  in  a  cycle)  represents  the  work  done.    

10.2.7   Solve  problems  involving  state  changes  of  a  gas.  

   

   

10.3  Second  law  of  thermodynamics  and  entropy       Assessment  statement   Teacher’s  notes    10.3.1   State  that  the  second  law  

of  thermodynamics  implies  that  thermal  energy  cannot  spontaneously  transfer  from  a  region  of  low  temperature  to  a  region  of  high  temperature.  

  No  heat  engine,  operating  in  a  cycle,  can  take  in  heat  from  its  surroundings  and  totally  convert  it  into  work.    No  heat  pump  can  transfer  thermal  energy  from  a  low-­‐temperature  reservoir  to  a  high-­‐temperature  reservoir  without  work  being  done  on  it.  Heat  flows  from  hot  to  cold  objects.    The  entropy  of  the  universe  can  

Page 67: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    67  

never  decrease.    10.3.2   State  that  entropy  is  a  

system  property  that  expresses  the  degree  of  disorder  in  the  system.  

  Entropy  is  a  property  that  expresses  the  disorder  in  the  system.    

10.3.3   State  the  second  law  of  thermodynamics  in  terms  of  entropy  changes.  

A  statement  that  the  overall  entropy  of  the  universe  is  increasing  will  suffice  or  that  all  natural  processes  increase  the  entropy  of  the  universe.  

When  thermal  energy  flows  from  a  hot  object  to  a  colder  object,  the  overall  entropy  has  increased.    

10.3.4   Discuss  examples  of  natural  processes  in  terms  of  entropy  changes.  

Students  should  understand  that,  although  local  entropy  may  decrease,  any  process  will  increase  the  total  entropy  of  the  system  and  surroundings,  that  is,  the  universe.  

Water  freezes  at  0°C  because  this  is  the  temperature  at  which  the  entropy  increase  of  the  surroundings  (when  receiving  the  latent  heat)  equals  the  entropy  decrease  of  the  water  molecules  becoming  more  ordered.  It  would  not  freeze  at  a  higher  temperature  because  this  would  mean  that  the  overall  entropy  of  the  system  would  decrease.    

                           

Page 68: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    68  

11.1  Standing  (stationary)  waves       Assessment  statement   Teacher’s  notes    11.1.1   Describe  the  nature  of  

standing  (stationary)  waves.  

Students  should  consider  energy  transfer,  amplitude  and  phase.  

A  standing  wave  will  be  formed  if  waves  of  the  same  amplitude  and  frequency  travelling  in  different  directions  interfere.    

11.1.2   Explain  the  formation  of  one-­‐dimensional  standing  waves.  

Students  should  understand  what  is  meant  by  nodes  and  antinodes.  

 Node:  Points  along  the  wave  that  are  always  at  rest.  Antinode:  Points  along  the  wave  where  maximum  movement  takes  place.  

11.1.3   Discuss  the  modes  of  vibration  of  strings  and  air  in  open  and  in  closed  pipes.  

The  lowest-­‐frequency  mode  is  known  either  as  the  fundamental  or  as  the  first  harmonic.  The  term  overtone  will  not  be  used.  

The  lowest-­‐frequency  mode  is  known  either  as  the  fundamental  or  as  the  first  harmonic.  

 

 

 

 11.1.4   Compare  standing  waves  

and  travelling  waves.  Stationary  wave     Travelling  wave  All  points  on  the  wave  have  different  amplitudes.  The  maximum  amplitude  is  2A  at  the  antinodes.  It  is  zero  at  the  nodes.  

All  points  on  the  wave  have  the  same  amplitude.  

All  points  oscillate  with  the  same  frequency.  

All  points  oscillate  with  the  same  frequency.  

Wavelength  is  twice  the  distance  from  one  node  to  the  next  node.  

Wavelength  is  the  shortest  distance  along  the  wave  between  two  points  

Page 69: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    69  

that  are  in  phase.  All  points  between  one  node  and  the  next  node  are  moving  in  phase.  

All  points  along  a  wavelength  have  different  phases.  

Energy  is  not  transmitted  by  the  wave,  but  it  does  have  energy  associated  with  it.    

Energy  is  transmitted  by  the  wave.    

 

11.1.5   Solve  problems  involving  standing  waves.  

  An  organ  pipe  (open  at  one  end)  is  1.2m  long.  Calculate  its  fundamental  frequency.  The  speed  of  sound  is  330ms-­‐1.  L=1.2m  à  !

!= 1.2𝑚  𝜆 = 4.8𝑚  𝑣 = 𝑓𝜆  

𝑓 =3304.8

= 69𝐻𝑍  

   

11.2  Doppler  effect       Assessment  statement   Teacher’s  notes    11.2.1   Describe  what  is  meant  by  

the  Doppler  effect.     A  change  in  frequency  of  a  wave  

due  to  a  moving  source  or  observer.  The  Doppler  effect  is  the  name  given  to  the  change  of  frequency  of  a  wave  as  a  result  of  the  movement  of  the  source  or  the  movement  of  the  observer.    

11.2.2   Explain  the  Doppler  effect  by  reference  to  wave  front  diagrams  for  moving-­‐detector  and  moving-­‐source  situations.  

 

 

 11.2.3   Apply  the  Doppler  effect  

equations  for  sound.     The  frequency  of  a  car’s  horn  is  

measured  by  a  stationary  observer  as  200Hz  when  the  car  is  at  rest.  What  frequency  will  be  heard  if  the  car  is  approaching  the  observer  at  30ms-­‐1  (speed  of  sound  is  330ms-­‐1).  

𝑓! = 200𝐻𝑧  𝑓! =?  

𝑣! = 30𝑚𝑠!!  𝑐 = 330𝑚𝑠!!  

Page 70: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    70  

𝑓! = 2001

1 − 30330

 

𝑓! = 220𝐻𝑧  11.2.4   Solve  problems  on  the  

Doppler  effect  for  sound.  Problems  will  not  include  situations  where  both  source  and  detector  are  moving.  

See  above  for  an  example  problem.    

11.2.5   Solve  problems  on  the  Doppler  effect  for  electromagnetic  waves  using  the  approximation  

Δf =𝑣𝑐𝑓  

Students  should  appreciate  that  the  approximation  may  be  used  only  when  v  <<  c.  

Unfortunately,  the  above  equations  do  not  apply  to  light  –  the  velocities  cannot  be  worked  out  relative  to  the  medium.  It  is,  however,  possible  to  derive  an  equation  for  light  that  turns  out  to  be  in  exactly  the  same  form  as  the  equation  for  sound  as  long  as  two  conditions  are  met:  1. The  relative  velocity  of  source  and  detector  is  used  in  the  equation  

2. This  relative  velocity  is  a  lot  less  than  the  speed  of  light.    

11.2.6   Outline  an  example  in  which  the  Doppler  effect  is  used  to  measure  speed.  

Suitable  examples  include  blood-­‐flow  measurements  and  the  measurement  of  vehicle  speeds.  

Radar  detectors  can  be  used  to  measure  the  speed  of  a  moving  object.  They  do  this  by  measuring  the  change  in  the  frequency  of  the  reflected  wave.    

   

11.3  Diffraction       Assessment  statement   Teacher’s  notes    11.3.1   Sketch  the  variation  with  

angle  of  diffraction  of  the  relative  intensity  of  light  diffracted  at  a  single  slit.  

  Diffraction  is  a  wave  effect.  The  objects  involved  have  a  size  that  is  of  the  same  order  of  magnitude  as  the  wavelength  of  visible  light.    

 11.3.2   Derive  the  formula  𝜃 = !

!  

for  the  position  of  the  first  minimum  of  the  diffraction  pattern  produced  at  a  single  slit.  

  We  can  treat  the  slit  as  a  series  of  secondary  wave  sources.  In  the  forward  direction  (𝜃=0)  these  are  all  in  phase  so  they  add  up  to  give  a  maximum  intensity.  At  any  other  angle,  there  is  a  path  difference  between  the  rays  that  depends  on  the  angle.  The  overall  result  is  the  

Page 71: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    71  

addition  of  all  the  sources.  The  condition  for  the  first  minimum  is  that  the  angle  must  make  all  of  the  sources  across  the  slit  cancel  out.    

 11.3.3   Solve  problems  involving  

single-­‐slit  diffraction.      

   

11.4  Resolution       Assessment  statement   Teacher’s  notes    11.4.1   Sketch  the  variation  with  

angle  of  diffraction  of  the  relative  intensity  of  light  emitted  by  two  point  sources  that  has  been  diffracted  at  a  single  slit.  

Students  should  sketch  the  variation  where  the  diffraction  patterns  are  well  resolved,  just  resolved  and  not  resolved.  

 11.4.2   State  the  Rayleigh  

criterion  for  images  of  two  sources  to  be  just  resolved.  

Students  should  know  that  the  criterion  for  a  circular  aperture  is  𝜃 = 1.22 !

!  

 

For  a  slit,  the  first  minimum  is  at  the  angle:  𝜃 = !

!;  for  a  circular  

aperture,  the  first  minimum  is  at  the  angle:  𝜃 = 1.22 !

!.  

If  two  sources  are  just  resolved,  then  the  first  minimum  of  one  diffraction  pattern  is  located  on  top  of  the  maximum  of  the  other  diffraction  pattern.  This  is  known  as  the  Rayleigh  criterion.    

11.4.3   Describe  the  significance  of  resolution  in  the  development  of  devices  such  as  CDs  and  DVDs,  the  electron  microscope  and  radio  telescopes.  

  CDs  and  DVDs:  The  maximum  amount  of  information  that  can  be  stored  depends  on  the  size  and  the  method  used  for  recording  information.  Electron  microscope:  Resolves  items  that  cannot  be  resolved  using  a  light  microscope.  The  electrons  have  an  effective  wavelength  that  is  much  smaller  than  the  wavelength  of  visible  light.    Radio  telescope:  The  size  of  the  dish  limits  the  maximum  resolution  possible.  Several  radio  telescopes  can  be  linked  together  in  an  array  to  create  a  virtual  radio  telescope  with  a  greater  diameter  

Page 72: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    72  

and  with  a  greater  ability  to  resolve  astronomical  objects.    

11.4.4   Solve  problems  involving  resolution.  

Problems  could  involve  the  human  eye  and  optical  instruments.  

Late  one  night,  a  student  was  observing  a  car  approaching  from  a  long  distance  away.  She  noticed  that  when  she  first  observed  the  headlights  of  the  car,  they  appeared  to  be  one  point  of  light.  Later,  when  the  car  was  closer,  she  became  able  to  see  two  separate  points  of  light.  If  the  wavelength  of  the  light  can  be  taken  as  500nm  and  the  diameter  of  her  pupil  is  approximately  4mm,  calculate  how  far  away  the  car  was  when  she  could  first  distinguish  two  points  of  light.  Take  the  distance  between  the  headlights  to  be  1.8m.    When  just  resolved:    

𝜃 = 1.22𝜆𝑏  

𝜃 = 1.225𝑥10!!

0.004  

𝜃 = 1.525𝑥10!!  Since  the  angle  is  very  small:  

𝜃 =1.8

𝑑𝑖𝑠𝑡𝑎𝑛𝑐𝑒  

𝑥 =1.8

1.525𝑥10!!= 12𝑘𝑚  

   

11.5  Polarization       Assessment  statement   Teacher’s  notes    11.5.1   Describe  what  is  meant  

by  polarized  light.     Any  EM  wave  is  said  to  be  

unpolarised  if  the  plane  of  vibration  varies  randomly  whereas  place-­‐polarised  light  has  a  fixed  plane  of  vibration.  A  mixture  of  polarized  light  and  unpolarised  light  is  partially  plane-­‐polarised.  If  the  plane  of  polarisation  rotates  uniformly  the  light  is  said  to  be  circularly  polarised.    

 11.5.2   Describe  polarization  by  

reflection.  This  may  be  illustrated  using  light  or  microwaves.  The  use  of  polarized  sunglasses  should  be  included.  

A  ray  of  light  incident  on  the  boundary  between  two  media  will,  in  general,  be  reflected  and  refracted.  The  reflected  ray  is  always  partially  plane-­‐polarized.  If  the  reflected  ray  and  the  

Page 73: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    73  

refracted  ray  are  at  right  angles  to  one  another,  then  the  reflected  ray  is  totally  plane-­‐polarised.  The  angle  of  incidence  for  this  condition  is  known  as  the  polarising  angle.    

11.5.3   State  and  apply  Brewster’s  law.  

  Brewster’s  law  relates  the  refractive  index  of  medium  2,  n,  to  the  incident  angle:  

𝑛 =𝑠𝑖𝑛𝜃!𝑠𝑖𝑛𝜃!

=𝑠𝑖𝑛𝜃!𝑐𝑜𝑠𝜃!

= 𝑡𝑎𝑛𝜃!  

11.5.4   Explain  the  terms  polarizer  and  analyser.  

  A  polariser  is  any  device  that  produces  plane-­‐polarized  light  from  an  unpolarised  beam.  An  analyser  is  a  polariser  used  to  detect  polarised  light.    

11.5.5   Calculate  the  intensity  of  a  transmitted  beam  of  polarized  light  using  Malus’  law.  

  The  intensity  of  light  is  proportional  to  the  amplitude  squared.    𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑚𝑖𝑡𝑡𝑒𝑑  𝑖𝑛𝑡𝑒𝑛𝑠𝑖𝑡𝑦  𝐼 ∝ 𝐸!  

𝐼 ∝ 𝐸!!𝑐𝑜𝑠!𝜃  Malus’s  law:  

𝐼 = 𝐼!𝑐𝑜𝑠!𝜃  I  is  the  transmitted  intensity  𝐼!  is  the  incident  intensity  𝜃  is  the  angle  between  the  plane  of  vibration  and  the  analyser’s  preferred  direction  

11.5.6   Describe  what  is  meant  by  an  optically  active  substance.  

Students  should  be  aware  that  such  substances  rotate  the  plane  of  polarization.  

An  optically  active  substance  is  one  that  rotates  the  plane  of  polarisation  of  light  that  passes  through  it.  Many  solutions  are  optically  active.    

 11.5.7   Describe  the  use  of  

polarization  in  the  determination  of  the  concentration  of  certain  solutions.  

  A  polarimeter  is  a  device  that  measures  𝜃  for  a  given  solution.  It  consists  of  two  polarisers  (1  polariser  and  1  analyser)  that  are  initially  aligned.  The  optically  active  solution  is  introduced  between  the  two  and  the  analyser  is  rotated  to  find  the  maximum  transmitted  light.    

11.5.8   Outline  qualitatively  how  polarization  may  be  used  in  stress  analysis.  

  Glass  and  some  plastics  become  birefringent  when  placed  under  stress.  When  polarised  white  light  is  passed  through  stressed  plastics  and  then  analysed,  bright  coloured  lines  are  observed  in  the  regions  of  maximum  stress.    

Page 74: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    74  

11.5.9   Outline  qualitatively  the  action  of  liquid-­‐crystal  displays  (LCDs).  

Aim  8:  The  use  of  LCD  screens  in  a  wide  variety  of  different  applications/devices  can  be  mentioned.  

 1. Polarising  filter  film  with  a  

vertical  axis  to  polarise  light  as  it  enters  

2. Glass  substrate  with  ITO  electrodes.  The  shapes  of  these  electrodes  will  determine  the  shapes  that  will  appear  when  the  LCD  is  turned  on.    

3. Twisted  liquid  crystal  4. Glass  substrate  with  common  

electrode  film  with  horizontal  ridges  to  line  up  with  the  horizontal  filter  

5. Polarising  filter  film  with  a  horizontal  axis  to  block/pass  light  

6. Reflective  surface  to  send  light  back  to  viewer.  (in  a  backlit  LCD,  this  layer  is  replaced  with  a  light  source)  

11.5.10   Solve  problems  involving  the  polarization  of  light.  

   

                                   

Page 75: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    75  

12.1  Induced  electromotive  force  (emf)       Assessment  statement   Teacher’s  notes    12.1.1   Describe  the  inducing  of  

an  emf  by  relative  motion  between  a  conductor  and  a  magnetic  field.  

  When  a  conductor  moves  through  a  magnetic  field,  an  emf  is  induced.  It  depends  on:  -­‐ The  speed  of  the  wire  -­‐ The  strength  of  the  magnetic  field  

-­‐ The  length  of  the  wire  in  the  magnetic  field  

12.1.2   Derive  the  formula  for  the  emf  induced  in  a  straight  conductor  moving  in  a  magnetic  field.  

Students  should  be  able  to  derive  the  expression  induced  emf  =  Blv  without  using  Faraday’s  law.  

Electrical  force  due  to  emf:  

𝐹! = 𝐵 ∗ 𝑞 =𝑉𝐼∗ 𝑞  

Magnetic  force  due  to  movement  𝐹! = 𝐵 ∗ 𝑞 ∗ 𝑣  

So  

𝐵 ∗ 𝑞 ∗ 𝑣 =𝑉𝐼∗ 𝑞  

𝑉 = 𝐵𝑙𝑣  As  no  current  is  flowing,  the  emf=potential  difference  

𝑒𝑚𝑓 = 𝐵𝑙𝑣  12.1.3   Define  magnetic  flux  and  

magnetic  flux  linkage.     Magnetic  flux:  A  measurement  of  

the  amount  of  field  lines  passing  through  an  area,  at  right  angles  to  that  area.    

𝜙 = 𝐵𝐴𝑐𝑜𝑠𝜃  B  =  magnetic  field  strength  A  =  area  (square  metres)  𝜃  =  angle  between  flux  and  line  normal  to  area    1Wb  (weber)  =  1Tm2    Magnetic  flux  linkage:  A  measure  of  the  number  of  turns  of  wire  ‘linked’  to  (passing  through)  magnetic  flux.  (flux  linkage  =  flux  x  number  of  turns)  

12.1.4   Describe  the  production  of  an  induced  emf  by  a  time-­‐changing  magnetic  flux.  

An  emf  is  induced  in  a  conductor  whenever  flux  is  cut.  If  the  magnetic  flux  ∆𝜙  is  perpendicular  to  the  surface,  the  magnetic  flux  passing  through  the  area  ∆𝐴  is  defined  in  terms  of  the  magnetic  flied  strength  B  as  follows:  

∆𝜙 = 𝐵∆𝐴 → 𝐵 =∆𝜙∆𝐴  

The  alternative  name  for  ‘magnetic  field  strength’  is  ‘flux  density’.  If  the  area  is  not  perpendicular,  but  at  an  angle  to  the  field  lines:    

𝜙 = 𝐵𝐴𝑐𝑜𝑠𝜃    Since  𝜀 = 𝐵𝑙𝑣  and  𝑣 = ∆!

∆!  à  𝜀 = !"∆!

∆!  

Also,  𝑙∆𝑥 = ∆𝐴  à  𝜀 = !∆!∆!  

Then,  𝐵∆𝐴 = ∆𝜙  à  𝜺 = ∆𝝓∆𝒕  

In  words,  the  emf  induced  is  equal  to  the  rate  of  cutting  of  flux.  If  the  conductor  is  kept  stationary  and  the  magnets  are  moved,  the  same  effect  is  produced.  

12.1.5   State  Faraday’s  law  and  Lenz’s  law.  

  Faraday’s  law:  The  induced  emf  in  a  circuit  is  equal  to  the  rate  of  change  of  flux  linkage  through  

Page 76: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    76  

the  circuit.    

𝜀 = −𝑁∆𝜙∆𝑡    

 The  minus  sign  indicates  that  the  emf  is  always  induced  so  as  to  oppose  the  change  causing  it  (Lenz’s  law)  Lenz’s  law:  ‘The  direction  of  the  induced  emf  is  such  that  if  an  induced  current  were  able  to  flow,  it  would  oppose  the  change  which  caused  it.’  

12.1.6   Solve  electromagnetic  induction  problems.  

   

   

12.2  Alternating  current       Assessment  statement   Teacher’s  notes    12.2.1   Describe  the  emf  

induced  in  a  coil  rotating  within  a  uniform  magnetic  field.  

Students  should  understand,  without  any  derivation,  that  the  induced  emf  is  sinusoidal  if  the  rotation  is  at  constant  speed.  

 12.2.2   Explain  the  operation  of  

a  basic  alternating  current  (ac)  generator.  

The  coil  of  wire  rotates  in  the  magnetic  field  due  to  an  external  force.  As  it  rotates  the  flux  linkage  of  the  coil  changes  with  time  and  induces  an  emf  causing  a  current  to  flow.  A  coil  rotating  at  constant  speed  will  produce  a  sinusoidal  induced  emf.  Increasing  the  speed  of  rotation  will  reduce  the  time  period  of  the  oscillation  and  increase  the  amplitude  of  induced  emf.    

 12.2.3   Describe  the  effect  on  

the  induced  emf  of  Students  will  be  expected  to  compare  the  output  from  

Changing  the  frequency  will  affect  the  time  between  peaks  and  the  emf  

Page 77: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    77  

changing  the  generator  frequency.  

generators  operating  at  different  frequencies  by  sketching  appropriate  graphs.  

(amplitude  peaks).  For  example,  it  the  frequency  is  doubled,  the  period  will  be  halved  and  the  emf  (amplitude)  will  be  doubled:  

 12.2.4   Discuss  what  is  meant  by  

the  root  mean  squared  (rms)  value  of  an  alternating  current  or  voltage.  

Students  should  know  that  the  rms  value  of  an  alternating  current  (or  voltage)  is  that  value  of  the  direct  current  (or  voltage)  that  dissipates  power  in  a  resistor  at  the  same  rate.  The  rms  value  is  also  known  as  the  rating.  

If  the  output  of  an  a.c.  generator  is  connected  to  a  resistor  an  alternating  current  will  flow.  A  sinusoidal  potential  difference  means  a  sinusoidal  current.    

 The  graph  shows  that  the  average  power  dissipation  is  half  the  peak  power  dissipation  for  a  sinusoidal  current.    

𝐴𝑣𝑒𝑟𝑎𝑔𝑒  𝑝𝑜𝑤𝑒𝑟 =𝐼!!𝑅2  

Thus  the  effective  current  through  the  resistor  is  called  the  root  mean  square  or  rms  current.    

𝐼!.!.!. =𝐼!2  

The  rms  value  is  also  known  as  the  rating.  

12.2.5   State  the  relation  between  peak  and  rms  values  for  sinusoidal  currents  and  voltages.  

 12.2.6   Solve  problems  using  

peak  and  rms  values.      

12.2.7   Solve  ac  circuit  problems      

Page 78: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    78  

for  ohmic  resistors.  12.2.8   Describe  the  operation  of  

an  ideal  transformer.  The  value  of  output  potential  difference  can  be  changed  by  changing  the  runs  ratio.  A  step-­‐up  transformer  increases  the  voltage,  whereas  a  stet-­‐down  transformer  decreases  the  voltage.    

 

 12.2.9   Solve  problems  on  the  

operation  of  ideal  transformers.  

   

   

12.3  Transmission  of  electrical  power       Assessment  statement   Teacher’s  notes    12.3.1   Outline  the  reasons  for  

power  losses  in  transmission  lines  and  real  transformers.  

  • Resistance  of  the  windings  of  a  transformer  result  in  the  transformer  warming  up.  

• Eddy  currents  are  unwanted  currents  induced  in  the  iron  core.  The  currents  can  be  reduced  by  laminating  he  core  into  individually  electrically  insulates  thin  strips.  

• Hysteresis  losses  cause  the  iron  core  to  warm  up  as  a  result  of  the  continues  cycle  of  changes  to  its  magnetism  

• Flux  losses  are  caused  by  magnetic  ‘leakage’.  A  transformer  is  only  100%  efficient  if  all  of  the  magnetic  flux  that  is  produced  by  the  primary  links  with  the  secondary.    

• The  wires  cannot  have  zero  resistance.  This  means  they  must  dissipate  some  power.    

• Over  large  distance,  the  power  wasted  would  be  very  significant.    

• A  very  high  potential  difference  is  much  more  efficient  but  very  dangerous  to  the  user.    

 12.3.2   Explain  the  use  of  high-­‐

voltage  step-­‐up  and  step-­‐Students  should  be  aware  that,  for  economic  reasons,  there  is  

Use  step-­‐up  transformers  to  increase  the  voltage  for  the  

Page 79: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    79  

down  transformers  in  the  transmission  of  electrical  power.  

no  ideal  value  of  voltage  for  electrical  transmission.  

transmission  stage  and  then  use  step-­‐down  transformers  for  the  end  user.    (power  dissipated  is  𝑃 = 𝐼!𝑅  à  if  the  current  is  large  then  the  power  dissipated  will  be  large)  

12.3.3   Solve  problems  on  the  operation  of  real  transformers  and  power  transmission.  

   

12.3.4   Suggest  how  extra-­‐low-­‐frequency  electromagnetic  fields,  such  as  those  created  by  electrical  appliances  and  power  lines,  induce  currents  within  a  human  body.  

  Electrical  power  lines  carry  alternating  current,  which  means  they  produce  changing  extra-­‐low-­‐frequency  electromagnetic  fields.  These  changing  fields  are  theoretically  able  to  induce  currents  within  any  conductor,  including  human  bodies.    

12.3.5   Discuss  some  of  the  possible  risks  involved  in  living  and  working  near  high-­‐voltage  power  lines.  

Students  should  be  aware  that  current  experimental  evidence  suggests  that  low-­‐frequency  fields  do  not  harm  genetic  material.  Students  should  appreciate  that  the  risks  attached  to  the  inducing  of  current  in  the  body  are  not  fully  understood.  These  risks  are  likely  to  be  dependent  on  current  (density),  frequency  and  length  of  exposure.  

Electrical  power  lines  on  pylons  are  not  insulated  along  their  length  and  are  thus  extremely  dangerous  if  they  become  unattached  from  the  pylon.  In  addition,  some  statistical  evidence  exists  which  suggests  that  there  are  regions  (near  power  lines)  where  more  children  are  diagnosed  with  leukaemia,  a  cancer  of  the  blood,  than  usual.  Students  should  appreciate  that  the  risks  attached  to  the  inducing  of  current  in  the  body  are  not  fully  understood.  These  risks  are  likely  to  be  dependent  on  current  (density),  frequency  and  length  of  exposure.  

                           

Page 80: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    80  

13.1  Quantum  physics       Assessment  statement   Teacher’s  notes    13.1.1   Describe  the  

photoelectric  effect.     Under  certain  conditions,  when  light  

(ultra-­‐violet)  is  shone  onto  a  metal  surface,  electrons  are  emitted  from  the  surface.  Below  a  certain  threshold  frequency,  not  photoelectrons  are  emitted.  Above  the  threshold  frequency,  the  maximum  kinetic  energy  of  the  electrons  depends  on  the  frequency  of  the  incident  light.  The  number  of  electrons  emitted  depends  on  the  intensity  of  the  light  and  does  not  depend  on  the  frequency.  There  is  no  noticeable  delay  between  the  arrival  of  the  light  and  the  emission  of  electrons.  These  observations  cannot  be  reconciled  with  the  view  that  light  is  a  wave.  A  wave  of  any  frequency  should  eventually  bring  enough  energy  to  the  metal  plate.    

13.1.2   Describe  the  concept  of  the  photon,  and  use  it  to  explain  the  photoelectric  effect.  

Students  should  be  able  to  explain  why  the  wave  model  of  light  is  unable  to  account  for  the  photoelectric  effect,  and  be  able  to  describe  and  explain  the  Einstein  model.  

Einstein  introduced  the  idea  of  thinking  of  light  as  being  made  up  of  particles.  His  explanation  was:  • Electrons  at  the  surface  need  a  certain  minimum  energy  in  order  to  escape  from  the  surface.  This  minimum  energy  is  called  the  work  function  of  the  metal  (𝜙)  

• The  UV  light  energy  arrives  in  lots  of  little  packets  of  energy  –  photons  

• The  energy  in  each  packet  is  fixed  by  the  frequency  of  UV  light  that  is  being  used,  whereas  the  number  of  packets  arriving  per  second  is  fixed  by  the  intensity  of  the  source  

• The  energy  carried  by  a  photon  is  given  by  E=hf  

13.1.3   Describe  and  explain  an  experiment  to  test  the  Einstein  model.  

Millikan’s  experiment  involving  the  application  of  a  stopping  potential  would  be  suitable.  

 13.1.4   Solve  problems  

involving  the  photoelectric  effect.  

Example:  What  is  the  maximum  velocity  of  electrons  emitted  from  a  zinc  surface  (𝜙  =  4.2eV)  when  illuminated  by  EM  radiation  of  wavelength  200nm?  𝜙  =  4.2eV  =  4.2  x  1.6  x  10-­‐19  J  =  6.72  x  10-­‐19  J  Energy  of  photon:  ℎ !

!= !.!"∗!"!!"∗!∗!"!

!∗!"!!= 9.945 ∗ 10!!"𝐽  

K.E.  of  electron  =   9.945 − 6.72 ∗ 10!!"𝐽 = 3.225 ∗ 10!!"𝐽  

Therefore:  𝑣 = !!"!= 8.4 ∗ 10!𝑚  𝑠!!    

Page 81: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    81  

13.1.5   Describe  the  de  Broglie  hypothesis  and  the  concept  of  matter  waves.  

Students  should  also  be  aware  of  wave–particle  duality  (the  dual  nature  of  both  radiation  and  matter).  

Every  particle  has  a  wavelength  associated  to  its  momentum  p.  𝑝 = !

!  

The  hypothesis  assigns  wave-­‐like  properties  to  something  that  is  normally  thought  to  be  a  particle.  This  state  of  affairs  is  called  the  duality  of  matter.    

13.1.6   Outline  an  experiment  to  verify  the  de  Broglie  hypothesis.  

A  brief  outline  of  the  Davisson–Germer  experiment  will  suffice.  

 In  the  Davisson-­‐Germer  experiment,  electrons  of  kinetic  energy  54eV  were  directed  at  a  surface  of  nickel  where  a  single  crystal  had  been  grown  and  were  scattered  b  it.  Using  the  Bragg  formula  and  the  known  separation  of  the  crystal  atoms  allowed  the  determination  of  the  wavelength,  which  was  then  seen  to  agree  with  the  de  Broglie  formula.    

13.1.7   Solve  problems  involving  matter  waves.  

For  example,  students  should  be  able  to  calculate  the  wavelength  of  electrons  after  acceleration  through  a  given  potential  difference.  

Find  the  de  Broglie  wavelength  of  a  proton  that  has  been  accelerated  from  rest  by  a  potential  difference  of  500V.      The  kinetic  energy  of  the  proton  is  given  by:  

𝐾𝐸 =𝑝!

2𝑚  

The  work  done  in  accelerating  the  proton  through  a  potential  difference  V  is  qV  and  this  work  goes  into  kinetic  energy.  Thus    

𝑝!

2𝑚= 𝑞𝑉  

𝑝 = 2𝑚𝑞𝑉  Hence  

𝜆 =ℎ2𝑚𝑞𝑉

 

𝜆 = !.!"∗!"!!"

!∗!.!"∗!"!!"∗!.!"∗!"!!"∗!""    

𝜆 = 1.3 ∗ 10!!"  𝑚  13.1.8   Outline  a  laboratory  

procedure  for  producing  and  observing  atomic  spectra.  

Students  should  be  able  to  outline  procedures  for  both  emission  and  absorption  spectra.  Details  of  the  spectrometer  are  not  required.  

When  hydrogen  gas  is  heated  to  a  high  temperature  or  exposed  to  a  high  electric  field,  it  will  glow,  emitting  light.  In  the  laboratory,  this  can  be  seen  with  a  tube  of  hydrogen  whose  ends  are  at  a  high  potential  difference.  The  emitted  light  may  be  analysed  by  letting  it  go  through  a  spectrometer.  In  the  case  of  hydrogen,  the  emitted  light  consists  

Page 82: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    82  

of  a  series  of  bright  lines.  This  is  the  emission  spectrum  of  hydrogen.    

 A  similar  phenomenon  takes  pace  when  white  light  is  allowed  to  pass  through  hydrogen  gas.  When  the  light  that  has  been  transmitted  through  the  gas  is  analysed,  a  series  of  dark  lines  superimposed  on  the  continuous  band  of  colours  is  seen.  This  is  the  absorption  spectrum  of  hydrogen.      absorption:  

 emission    The  dark  lines  in  the  absorption  spectrum  are  at  precisely  the  same  wavelengths  as  the  coloured  bright  lines  in  the  emission  spectrum.      

13.1.9   Explain  how  atomic  spectra  provide  evidence  for  the  quantization  of  energy  in  atoms.  

An  explanation  in  terms  of  energy  differences  between  allowed  electron  energy  states  is  sufficient.  

 13.1.10   Calculate  wavelengths  

of  spectral  lines  from  energy  level  differences  and  vice  versa.  

 

 e.g.  Calculate  the  wavelength  of  the  photon  emitted  in  the  transition  from  n=3  to  n=2.  The  energy  of  the  level  n=3  is:  

−13.63!

𝑒𝑉 = −1.51𝑒𝑉  

Page 83: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    83  

The  energy  of  the  level  n=2  is:  

−13.62!

𝑒𝑉 = −3.40𝑒𝑉  The  energy  difference  is  the  1.89eV  and  that  is  the  energy  of  the  emitted  photon.    

1.89𝑒𝑉 = ℎ𝑓  

𝑓 =1.89 ∗ 1.6 ∗ 10!!"𝐽6.63 ∗ 10!!"  𝐽𝑠

 

= 4.56 ∗ 10!"𝐻𝑧  13.1.11   Explain  the  origin  of  

atomic  energy  levels  in  terms  of  the  “electron  in  a  box”  model.  

The  model  assumes  that,  if  an  electron  is  confined  to  move  in  one  dimension  by  a  box,  the  de  Broglie  waves  associated  with  the  electron  will  be  standing  waves  of  wavelength  !!

!  where  L  is  the  

length  of  the  box  and  n  is  a  positive  integer.  Students  should  be  able  to  show  that  the  kinetic  energy  EK  of  the  electron  in  the  box  is   !

!!!

!!!!!.  

Imagine  that  an  electron  is  confined  within  a  box  of  linear  size  L.  The  electron,  treated  as  a  wave,  according  to  de  Broglie,  has  a  wavelength  associated  with  it  given  by  𝑝 = !

!.    

Since  the  electron  cannot  escape  from  the  box,  it  is  reasonable  to  assume  that  the  electron  wave  is  zero  at  the  edges  of  the  box.  In  addition,  since  the  electron  cannot  lose  energy,  it  is  also  reasonable  to  assume  that  the  wave  associated  with  the  electron  in  this  case  is  a  standing  wave.  So  we  want  a  standing  wave  that  will  have  nodes  at  x=0  and  x=L.  This  implies  that  𝜆 = !!

!  where  n  is  an  integer.  

Therefore  the  momentum  of  the  electron  is  

𝑝 =ℎ2𝐿𝑛=𝑛ℎ2𝐿  

The  kinetic  energy  is  then  

𝐾𝐸 =𝑛ℎ2𝐿

!

2𝑚=𝑛!ℎ!

8𝑚𝐿!  

13.1.12   Outline  the  Schrödinger  model  of  the  hydrogen  atom.  

The  model  assumes  that  electrons  in  the  atom  may  be  described  by  wavefunctions.  The  electron  has  an  undefined  position,  but  the  square  of  the  amplitude  of  the  wavefunction  gives  the  probability  of  finding  the  electron  at  a  particular  point.  

The  theory  gives  probabilities  for  finding  an  electron  somewhere  –  it  does  not  pinpoint  an  electron  at  a  particular  point  in  space.    The  probability  of  finding  a  particle  at  any  point  in  space  within  the  atom  is  given  by  the  square  of  the  amplitude  of  the  wave  function  at  that  point.  The  wave  function  provides  a  way  of  working  out  the  probability  of  finding  an  electron  at  that  particular  radius.  The  (amplitude)2  of  the  wave  at  any  given  point  is  a  measure  of  the  probability  of  finding  the  electron  at  that  distance  away  from  the  nucleus  in  any  direction.  The  exact  position  of  the  electron  is  not  known  but  we  know  where  it  is  more  likely  to  be.    

Page 84: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    84  

     

13.1.13   Outline  the  Heisenberg  uncertainty  principle  with  regard  to  position–momentum  and  time–energy.  

Students  should  be  aware  that  the  conjugate  quantities,  position–momentum  and  time–energy,  cannot  be  known  precisely  at  the  same  time.  They  should  know  of  the  link  between  the  uncertainty  principle  and  the  de  Broglie  hypothesis.  For  example,  students  should  know  that,  if  a  particle  has  a  uniquely  defined  de  Broglie  wavelength,  then  its  momentum  is  known  precisely  but  all  knowledge  of  its  position  is  lost.  

The  basic  idea  behind  the  principle  is  the  wave-­‐particle  duality.  Particles  sometimes  behave  like  waves  and  waves  sometimes  behave  like  particles,  so  that  we  cannot  cleanly  divide  physical  objects  as  either  particles  or  waves.    The  Heisenberg  uncertainty  principle  applied  to  position  and  momentum  states  that  it  is  not  possible  to  measure  simultaneously  the  position  and  momentum  of  something  with  indefinite  precision.  The  uncertainty  ∆𝑥  in  position  and  in  ∆𝑝  momentum  are  related  by:  

∆𝑥∆𝑝 ≥ℎ4𝜋  

This  says  that  making  momentum  as  accurate  as  possible  makes  position  inaccurate,  whereas  accuracy  in  position  results  in  inaccuracy  in  momentum.  If  one  is  made  zero,  the  other  has  to  be  infinite.  If  a  particle  has  a  uniquely  defined  de  Broglie  wavelength,  then  its  momentum  is  known  precisely  but  all  knowledge  of  its  position  is  lost.  

   

13.2  Nuclear  physics       Assessment  statement   Teacher’s  notes    13.2.1   Explain  how  the  radii  of  

nuclei  may  be  estimated  from  charged  particle  scattering  experiments.  

Use  of  energy  conservation  for  determining  closest-­‐approach  distances  for  Coulomb  scattering  experiments  is  sufficient.  

Consider  an  alpha  particle  (charge  2e)  that  is  shot  head-­‐on  toward  a  stationary  nucleus  of  charge  Q=Ze.  Initially  the  system  has  a  total  energy  consisting  of  the  alpha  particle’s  kinetic  energy  𝐸 = 𝐸! .  We  take  the  separation  of  the  alpha  particle  and  the  nucleus  to  be  large  so  no  potential  energy  exists.  At  the  point  of  closest  approach,  a  distance  d  from  the  centre  of  the  nucleus,  the  alpha  particle  stops  and  is  about  to  turn  

Page 85: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    85  

back.  Thus,  the  total  energy  now  it  the  electric  potential  energy  of  the  alpha  particle  and  the  nucleus,  given  by:    

𝐸 = 𝑘𝑄𝑞𝑑= 𝑘

(2𝑒)(𝑍𝑒)𝑑

= 𝑘2𝑍𝑒!

𝑑  

Then,  by  conservation  of  energy:    

𝐸! = 𝑘2𝑍𝑒!

𝑑  

𝑑 = 𝑘2𝑍𝑒!

𝐸!  

As  the  energy  of  the  incoming  particle  is  increased,  the  distance  of  closest  approach  decreases,  The  smallest  it  can  get  is,  however,  of  the  same  order  as  the  radius  of  the  nucleus.    

13.2.2   Describe  how  the  masses  of  nuclei  may  be  determined  using  a  Bainbridge  mass  spectrometer.  

Students  should  be  able  to  draw  a  schematic  diagram  of  the  Bainbridge  mass  spectrometer,  but  the  experimental  details  are  not  required.  Students  should  appreciate  that  nuclear  mass  values  provide  evidence  for  the  existence  of  isotopes.    

Ions  enter  through  the  collimating  slits  S1.  They  then  enter  a  region  of  magnetic  and  electric  fields  and  approach  a  second  slit,  which  only  allows  ions  of  a  given  velocity  to  pass.  A  second  magnetic  field  bends  these  ions  into  circular  paths  according  to  their  mass.  If  the  beam  contains  atoms  of  equal  mass,  all  atoms  will  hit  the  plate  at  the  same  point.  If,  however,  isotopes  are  present,  the  heavier  atoms  will  follow  a  longer  radius  and  will  hit  the  plate  further  to  the  right.  Measurement  of  the  radius  of  each  isotope’s  paths  thus  allows  for  the  determination  of  its  mass.    

13.2.3   Describe  one  piece  of  evidence  for  the  existence  of  nuclear  energy  levels.  

For  example,  alpha  particles  produced  by  the  decay  of  a  nucleus  have  discrete  energies;  gamma-­‐ray  spectra  are  discrete.  Students  should  appreciate  that  the  nucleus,  like  the  atom,  is  a  quantum  system  and,  as  such,  has  discrete  energy  levels.  

The  main  evidence  for  the  existence  of  nuclear  energy  levels  comes  form  the  fact  that  the  energies  of  the  alpha  particles  and  gamma  ray  photons  are  discrete  (in  contrast  to  beta  decays,  where  the  electron  has  a  continuous  range  of  energies).    

Page 86: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    86  

 13.2.4   Describe  beta+  decay,  

including  the  existence  of  the  neutrino.  

Students  should  know  that  beta  energy  spectra  are  continuous,  and  that  the  neutrino  was  postulated  to  account  for  these  spectra.  

The  beta  decay  originates  from  a  decay  of  a  neutron  inside  an  atomic  nucleus:  

𝑛!! → 𝑝!! + 𝑒!!! + 𝑣!! !  

The  neutron  decays  into  a  proton,  an  electron  and  an  antineutrino.  Sine  the  energy  of  a  beta  decay  has  a  range  of  possible  values,  it  means  that  a  third  very  light  particle  must  also  be  produced  so  that  it  carries  the  remainder  of  the  available  energy.  Neutrino  stands  for  the  ‘little  neutral  one’.    

13.2.5   State  the  radioactive  decay  law  as  an  exponential  function  and  define  the  decay  constant.  

Students  should  know  that  the  decay  constant  is  defined  as  the  probability  of  decay  of  a  nucleus  per  unit  time.  

The  law  of  radioactive  decay  states  that  the  number  of  nuclei  that  will  decay  per  second  is  proportional  to  the  number  of  atoms  present  that  have  not  yet  decayed:  

𝑑𝑁𝑑𝑡

= −𝜆𝑁  Here  lambda  is  the  decay  constant.  Its  physical  meaning  is  that  it  represents  the  probability  of  decay  per  unit  time.    If  the  number  of  nuclei  originally  present  (at  t=0)  is  𝑁!,  by  integrating  the  above  equation  it  can  be  sen  that  the  number  of  nuclei  of  the  decaying  element  present  at  time  t  is:  

𝑁 = 𝑁!𝑒!!"  13.2.6   Derive  the  relationship  

between  decay  constant  and  half-­‐life.  

  After  one  half-­‐life,  𝑇!!,  half  of  the  

nuclei  present  have  decayed,  so:  𝑁!2= 𝑁!𝑒

!!!!!  

Taking  logarithms  we  find:  𝜆𝑇!

!= 𝑙𝑛2  

This  is  the  relationship  between  the  decay  constant  and  the  half-­‐life.    

13.2.7   Outline  methods  for  measuring  the  half-­‐life  of  an  isotope.  

Students  should  know  the  principles  of  measurement  for  both  long  and  short  half-­‐lives.  

When  measuring  the  activity  of  a  source,  the  background  rate  should  be  subtracted.    -­‐ If  the  half-­‐life  is  short,  then  readings  can  be  taken  of  

Page 87: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    87  

activity  against  time.  à  A  simple  graph  of  activity  against  time  would  produce  the  normal  exponential  shape.  Several  values  could  be  read  from  the  graph  and  then  averaged.  This  method  is  simple  and  quick  but  not  the  most  accurate.  à  a  graph  of  ln(activity)  against  time  could  be  produced.  This  should  give  a  straight  lines  and  the  decay  constant  can  be  calculated  from  the  gradient.    

-­‐ If  the  half-­‐life  is  long,  then  the  activity  will  effectively  be  constant  over  a  period  of  time.  In  this  case  one  needs  to  find  a  way  to  calculate  the  number  of  nuclei  present  and  then  use  !"!"= −𝜆𝑁  

13.2.8   Solve  problems  involving  radioactive  half-­‐life.  

  e.g.  Carbon-­‐14  has  a  half-­‐life  of  5730yr  and  in  living  organisms  it  has  a  decay  rate  of  0.25Bq  g-­‐1.  A  quantity  of  20g  of  carbon-­‐14  was  extracted  from  an  ancient  bone  and  its  activity  was  found  to  be  1.81  Bq.  What  is  the  age  of  the  bone?    The  decay  constant  is  

𝜆 =𝑙𝑛25730

= 1.21 ∗ 10!!𝑦𝑟!!  When  the  bone  was  part  of  the  living  body  the  20g  would  have  had  an  activity  of  5Bq.  If  the  activity  now  is  1.81Bq,  then  

𝐴 = 𝐴!𝑒!!"  1.81 = 5𝑒!!.!"∗!"!!!  

𝑡 = 8400𝑦𝑟                                

Page 88: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    88  

14.1  Analogue  and  digital  signals       Assessment  statement   Teacher’s  notes    14.1.1   Solve  problems  involving  

the  conversion  between  binary  numbers  and  decimal  numbers.  

Students  should  be  aware  of  the  term  bit.  An  awareness  of  the  least-­‐significant  bit  (LSB)  and  most-­‐significant  bit  (MSB)  is  required.  Problems  will  be  limited  to  a  maximum  of  five  bits  in  digital  numbers.  

e.g.  13=1101  (1+4+8)  where  1  is  the  most  significant  bit  (highest  power)  and  1  is  the  least  significant  bit  (smallest  power)  

14.1.2   Describe  different  means  of  storage  of  information  in  both  analogue  and  digital  forms.  

Students  may  consider  LPs,  cassette  tapes,  floppy  disks,  hard  disks,  CDs,  DVDs,  and  so  on.  

 

14.1.3   Explain  how  interference  of  light  is  used  to  recover  information  stored  on  a  CD.  

Students  must  know  that  destructive  interference  occurs  when  light  is  reflected  from  the  edge  of  a  pit.  

 A  phase  difference  between  successive  laser  beams  means  that  a  land  has  changed  to  a  pit  or  vice  versa.    1. The  speed  of  rotation  of  the  

disc  is  controlled  so  that  a  constant  length  of  track  is  scanned  in  a  given  time.    

2. The  CD  has  a  higher  speed  of  revolution  when  the  laser  is  reading  near  the  centre  compared  with  the  outer  edge.    

3. The  laser  beam  is  focused  on  the  track.  

4. When  the  beam  reflects  from  a  land  or  a  pit,  a  strong  signal  is  received.  

5. When  the  beam  reflects  from  the  edge  between  a  land  and  a  pit,  destructive  interference  takes  place  and  a  weak  signal  is  received.  

6. A  strong  signal  =  0,  a  weak  signal  =  1.  

Bump  height  is  always  equal  to  !!  

for  destructive  interference  to  occur.    

14.1.4   Calculate  an  appropriate  depth  for  a  pit  from  the  wavelength  of  the  laser  light.  

  e.g.  Laser  light  of  frequency  6x1014  Hz  is  used  in  a  laser.  Calculate  the  appropriate  depth  of  a  pit  on  a  CD.      

𝜆 =𝐶𝑓=3 ∗ 10!

6 ∗ 10!"= 500𝑛𝑚  

Depth  of  pit:  𝜆4=5004

= 125𝑛𝑚  

Page 89: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    89  

14.1.5   Solve  problems  on  CDs  and  DVDs  related  to  data  storage  capacity.  

  e.g.  Information  is  stored  on  a  CD  at  a  rate  of  44100  words  per  second.  The  information  consists  of  32-­‐bit  words.  A  CD  lasts  for  74  minutes.  Calculate  the  storage  capacity  of  the  CD.  The  number  of  bits  imprinted  on  the  CD  is  44100x32x74x60  =  6.27 ∗ 10!  bits.  Since  1  byte  =  8  bits  this  corresponds  to    

6.27 ∗ 10!

8= 780𝑀𝑏𝑦𝑡𝑒𝑠  

14.1.6   Discuss  the  advantage  of  the  storage  of  information  in  digital  rather  than  analogue  form.  

Students  should  consider  quality,  reproducibility,  retrieval  speed,  portability  of  stored  data  and  manipulation  of  data.  

Quality:  There  must  be  a  complex  set  of  rules  for  the  conversion  of  input  into  digital  signal  and  from  digital  to  output.    Reproducibility:  Optical  techniques  can  ensure  that  each  subsequent  retrieval  is  virtually  identical.  Retrieval  speed:  Text  and  simple  data  can  be  retrieved  at  great  speed.  More  complex  data  takes  longer  but  selecting  different  sections  of  information  often  does  not  add  significant  time.    Portability:  Modern  miniaturization  techniques  have  ensured  that  large  quantities  of  data  can  be  stored  in  a  very  small  device.    Manipulation:  Manipulation  of  data  can  be  easily  achieved  without  significant  corruption.  

14.1.7   Discuss  the  implications  for  society  of  ever-­‐increasing  capability  of  data  storage.  

Teachers  should  consider  moral,  ethical,  social,  economic  and  environmental  implications.  

Common  sense  +  see  revision  guide  for  table.  

                           

Page 90: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    90  

14.2  Data  capture;  digital  imaging  using  charge-­‐coupled  devices  (CCDs)       Assessment  statement   Teacher’s  notes    14.2.1   Define  capacitance.     The  amount  of  charge  that  can  be  

stored  on  a  body  per  unit  electrical  potential.    

14.2.2   Describe  the  structure  of  a  charge-­‐coupled  device  (CCD).  

Students  should  know  that  a  CCD  is  a  silicon  chip  divided  into  small  areas  called  pixels.  Each  pixel  can  be  considered  to  behave  as  a  capacitor.  

 A  CCD  is  a  silicon  microchip  that  can  be  used  to  electronically  record  an  image  focused  onto  its  surface.  The  surface  is  divided  into  a  large  number  of  small  areas  called  pixels.    

14.2.3   Explain  how  incident  light  causes  charge  to  build  up  within  a  pixel.  

Students  are  required  to  use  the  photoelectric  effect.  

1. During  a  photo  exposure,  each  element  within  the  CCD  generates  a  charge  proportional  to  the  incident  light  as  a  result  of  the  photoelectric  effect  

2. The  charge  is  collected  in  different  pixels.  The  pixel  behaves  as  a  capacitor  and  a  charge  builds  up.    

3. The  charge  collected  from  each  pixel  is  transferred  in  turn  by  ‘coupling’  charges  from  one  pixel  to  the  next  in  turn.    

4. Individual  charge  packets  are  converted  to  an  output  voltage  and  then  digitally  encoded.  The  value  of  the  p.d.  is  converted  into  a  digital  signal  in  binary  code.  The  light  intensity  information  from  each  pixel  can  be  stored  along  with  other  digital  signal  representing  the  position  of  the  pixel  on  the  surface.    

14.2.4   Outline  how  the  image  on  a  CCD  is  digitized.  

Students  are  only  required  to  know  that  an  electrode  measures  the  potential  difference  developed  across  

See  above.    

Page 91: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    91  

each  pixel  and  this  is  then  converted  into  a  digital  signal.  The  pixel  position  is  also  stored.  

14.2.5   Define  quantum  efficiency  of  a  pixel.  

Quantum  efficiency  is  the  ratio  of  the  number  of  photoelectrons  emitted  to  the  number  of  photons  incident  on  the  pixel.  

The  ratio  of  the  number  of  electrons  emitted  to  the  number  of  incident  photons  on  a  pixel.    

14.2.6   Define  magnification.   Students  are  required  to  know  that  magnification  is  the  ratio  of  the  length  of  the  image  on  the  CCD  to  the  length  of  the  object.  

Magnification  is  the  ratio  of  the  length  of  the  image  on  the  CCD  to  the  length  of  the  object.  

14.2.7   State  that  two  points  on  an  object  may  be  just  resolved  on  a  CCD  if  the  images  of  the  points  are  at  least  two  pixels  apart.  

  If  we  think  about  an  image  looking  like  this:  |  |  |  then  if  the  white  squares  are  on  adjacent  pixels  on  the  CCD,  they  will  look  like  one  object  and  not  like  two  separate.  Therefore,  there  has  to  be  at  least  on  pixel  in  a  different  colour  between  them.    

14.2.8   Discuss  the  effects  of  quantum  efficiency,  magnification  and  resolution  on  the  quality  of  the  processed  image.  

  The  greater  the  quantum  efficiency,  the  greater  the  sensitivity  of  the  device.  A  greater  magnification  means  that  more  pixels  are  used  for  a  given  section  of  the  image.  The  image  will  be  more  detailed.  The  greater  the  resolution,  the  greater  the  amount  of  detail  recorded.  An  improvement  in  resolution  will  mean  a  given  image  will  occupy  more  memory.    

14.2.9   Describe  a  range  of  practical  uses  of  a  CCD,  and  list  some  advantages  compared  with  the  use  of  film.  

Students  should  appreciate  that  CCDs  are  used  for  image  capturing  in  a  large  range  of  the  electromagnetic  spectrum.  They  should  consider  items  such  as  digital  cameras,  video  cameras,  telescopes,  including  the  Hubble  Telescope,  and  medical  X-­‐ray  imaging.  

See  left  +  common  sense.    

14.2.10   Outline  how  the  image  stored  in  a  CCD  is  retrieved.  

  See  14.2.3  

14.2.11   Solve  problems  involving  the  use  of  CCDs.  

  A  digital  camera  is  used  to  photograph  an  object.  Two  points  on  the  object  are  separated  by  0.002cm.  The  CCD  in  the  camera  has  a  collecting  area  of  16cm2  and  contains  4  megapixels.  The  magnification  of  the  camera  is  1.5.  Can  the  image  of  the  points  be  resolved?    Area  corresponding  to  each  pixel:  !"∗!"

!!

!∗!"!= 4.0 ∗ 10!!"𝑚!  

Separation  of  pixels:    

Page 92: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    92  

4.0 ∗ 10!!" = 2.0 ∗ 10!!  Equivalent  separation  on  the  object:    

2.0 ∗ 10!!

1.5= 0.0013  

Distance  between  two  pixels  <  0.0020cm  so  the  image  can  be  resolved.    

                     

Page 93: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    93  

E1  Introduction  to  the  universe       Assessment  statement   Teacher’s  notes    E.1.1   Outline  the  general  

structure  of  the  solar  system.  

Students  should  know  that  the  planets  orbit  the  Sun  in  ellipses  and  moons  orbit  planets.  (Details  of  Kepler’s  laws  are  not  required.)  Students  should  also  know  the  names  of  the  planets,  their  approximate  comparative  sizes  and  comparative  distances  from  the  Sun,  the  nature  of  comets,  and  the  nature  and  position  of  the  asteroid  belt.  

 

   

 

Asteroid  belt:  consists  of  thousands  of  small  objects  (small  planets)  in  orbit  around  the  sun.  One  theory  about  the  asteroid  belt  involves  the  disruption  of  one  planet  into  many  pieces.  Another  invokes  the  effect  of  nearby  Jupiter,  whose  large  mass  did  not  allow  the  material  that  was  there  at  the  time  of  the  formation  of  the  solar  system  to  assemble  into  a  planet.    Comets:  A  small  body  (mainly  ice  and  dust)  orbiting  the  sun  in  an  elliptical  orbit.  

Planet   Distance  from  Sun  

Mass  (Earth  =1)  

Mercury   60m  km   0.055  Venus   110m  km   0.814  Earth   150m  km   1  Mars   230m  km   0.107  Jupiter   780m  km     320  Saturn   1400m  

km  95  

Uranus   2900m  km  

15  

Neptune   4500m  km    

17  

Pluto   6000m  km  

0.0026  

E.1.2   Distinguish  between  a  stellar  cluster  and  a  constellation.  

  Stellar  cluster:  A  group  of  stars  that  are  physically  near  each  other  in  space,  created  by  the  collapse  of  the  

Page 94: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    94  

same  gas  cloud.    Constellation:  A  group  of  stars  in  a  recognizable  pattern  that  appear  to  be  near  each  other  in  space  when  observed  from  Earth.  Stars  in  a  constellation  are  not  necessarily  close  to  one  another.    

E.1.3   Define  the  light  year.     We  define  the  light  year  (ly)  as  the  distance  travelled  by  light  in  one  year.  Thus:  1ly  =  9.46  x  1015m  

E.1.4   Compare  the  relative  distances  between  stars  within  a  galaxy  and  between  galaxies,  in  terms  of  order  of  magnitude.  

  The  average  distance  between  stars  in  a  galaxy  is  about  1pc.  The  average  distance  between  galaxies  varies  from  about  100kpc  for  galaxies  within  the  same  cluster  to  a  few  Mpc  for  galaxies  belonging  to  different  clusters.    

E.1.5   Describe  the  apparent  motion  of  the  stars/constellations  over  a  period  of  a  night  and  over  a  period  of  a  year,  and  explain  these  observations  in  terms  of  the  rotation  and  revolution  of  the  Earth.  

This  is  the  basic  background  for  stellar  parallax.  Other  observations,  for  example,  seasons  and  the  motion  of  planets,  are  not  expected.  

The  constellations  appear  to  move  over  the  period  of  one  night.  They  appear  to  rotate  around  one  direction.  In  the  northern  hemisphere  everything  seems  to  rotate  about  the  pole  star.  The  same  movement  is  continued  during  the  day.  The  Sun  rises  in  the  East  and  sets  in  the  West,  reaching  its  maximum  height  at  midday.  At  this  time  in  the  northern  hemisphere  the  sun  is  in  a  southerly  direction.    Every  night,  the  constellations  have  the  same  relative  positions  to  each  other,  but  the  location  of  the  pole  star  8and  thus  the  portion  of  the  night  sky  that  is  visible  above  the  horizon)  changes  slightly  from  night  to  night.  Over  the  period  of  a  year  this  slow  change  returns  back  to  the  exact  same  position.  The  sun  continues  to  rise  in  the  East  and  set  in  the  West,  but  as  the  year  goes  from  winter  into  summer,  the  arc  gets  bigger  and  the  sun  climbs  higher  in  the  sky.    

   E2  Stellar  radiation  and  stellar  types       Assessment  

statement  Teacher’s  notes    

E.2.1   State  that  fusion  is  the  main  energy  source  of  stars.  

Students  should  know  that  the  basic  process  is  one  in  which  hydrogen  is  converted  into  helium.  They  do  not  need  to  know  about  the  fusion  of  elements  with  higher  proton  numbers.  

The  source  of  the  energy  of  the  sun  is  nuclear  fusion  in  the  interior,  where  nuclei  of  hydrogen  fuse  to  produce  helium  and  release  energy  in  the  process.  Because  of  the  high  temperatures  in  the  interior  of  the  star,  the  electrostatic  repulsion  between  protons  can  be  overcome  and  hydrogen  nuclei  can  fuse.  Because  of  the  high  pressure  in  stellar  interiors,  the  nuclei  are  sufficiently  close  to  each  other  to  give  a  high  probability  of  

Page 95: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    95  

collision  and  hence  fusion.  The  sequence  of  nuclear  fusion  reactions  that  take  place  is  called  the  proton-­‐proton  cycle.    

E.2.2   Explain  that,  in  a  stable  star  (for  example,  our  Sun),  there  is  an  equilibrium  between  radiation  pressure  and  gravitational  pressure.  

  Nuclear  fusion  provides  the  energy  that  is  needed  to  keep  the  star  hot,  so  that  the  radiation  pressure  is  high  enough  to  oppose  further  gravitational  contraction.    

 E.2.3   Define  the  

luminosity  of  a  star.     Luminosity  is  the  amount  of  energy  radiated  by  

a  star  per  second;  that  is  the  power  radiated  by  the  star.  Luminosity  depends  on  the  surface  temperature  and  surface  area  of  the  star.    

E.2.4   Define  apparent  brightness  and  state  how  it  is  measured.  

  The  received  energy  per  second  per  unit  area  of  detector  is  called  the  apparent  brightness  and  is  given  by  𝑏 = !

!!!!.  The  units  of  apparent  

brightness  are  Wm-­‐2.  Apparent  brightness  is  measured  using  a  CCD.  A  CCD  has  a  photosensitive  silicon  surface  that  releases  and  electron  when  it  is  hit  by  a  photon.  The  number  of  electrons  released  is  proportional  to  the  number  of  photons  that  hit  the  surface.  Thus,  the  amount  of  charge  is  a  direct  measure  of  the  brightness  of  the  object  being  observed.  CCDs  are  more  than  50  times  more  efficient  in  recording  the  photons  arriving  at  the  device  than  conventional  photographic  film.    

E.2.5   Apply  the  Stefan–Boltzmann  law  to  compare  the  luminosities  of  different  stars.  

  The  amount  of  energy  per  second  radiated  by  a  star  of  surface  area  A  and  absolute  surface  temperature  T  is  given  by:  

𝐿 = 𝜎𝐴𝑇!    e.g.  A  star  has  half  the  sun’s  surface  temperature  and  400  times  its  luminosity.  How  many  times  bigger  is  it?  We  have  that  

400 =𝐿

𝐿!"#  

=𝜎4𝜋𝑅!𝑇!

𝜎4𝜋𝑅!"#!𝑇!!"!  

=𝑅! 𝑇!"#

2!

𝑅!"# !𝑇!"#!  

=𝑅!

16 𝑅!"# !  

𝑅!

16 𝑅!"# ! = 400  

𝑅𝑅!"#

= 80  

Page 96: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    96  

E.2.6   State  Wien’s  (displacement)  law  and  apply  it  to  explain  the  connection  between  the  colour  and  temperature  of  stars.  

  The  Wien  displacement  law  relates  the  wavelength  𝜆!  to  surface  temperature  T:  

𝜆!𝑇 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 = 2.9 ∗ 10!!𝐾  𝑚  which  implies  that  the  higher  the  temperature,  the  lower  the  wavelength  at  which  most  of  the  energy  is  radiated.  Most  energy  is  emitted  around  the  peak  wavelength  𝜆!.  We  see  that  the  colour  of  the  star  is  mainly  determined  by  the  colour  corresponding  to  𝜆!.  The  area  under  the  black-­‐body  curve  is  the  total  power  radiated  from  a  unit  area,  irrespective  of  wavelength,  and  is  thus  given  by  𝜎𝑇!.      

 E.2.7   Explain  how  atomic  

spectra  may  be  used  to  deduce  chemical  and  physical  data  for  stars.  

Students  must  have  a  qualitative  appreciation  of  the  Doppler  effect  as  applied  to  light,  including  the  terms  red-­‐shift  and  blue-­‐shift.  

Temperature:  The  surface  temperature  of  the  star  is  determined  by  measuring  the  wavelength  at  which  most  of  the  radiation  is  emitted.    Chemical  composition:  In  the  absorption  spectrum  each  dark  line  represents  the  absorption  of  light  of  a  specific  frequency  by  a  specific  chemical  element  in  the  star’s  atmosphere.  It  has  been  found,  that  most  stars  have  essentially  the  same  chemical  composition,  yet  show  different  absorption  spectra.  The  reason  for  this  difference  is  that  different  stars  have  different  temperatures.    Radial  velocity:  If  a  star  moves  away  from  or  toward  us,  its  spectral  lines  will  show  a  Doppler  shift.  The  shift  will  be  toward  red  if  the  star  moves  away,  and  toward  blue  if  it  comes  toward  us.  Measurement  of  the  shift  allows  the  determination  of  the  radial  velocity  of  the  star.    Rotation:  If  a  star  rotates,  then  part  of  the  star  is  moving  toward  the  observer  and  part  away  from  the  observer.  Thus,  the  light  from  the  different  parts  of  the  star  will  again  show  Doppler  shifts.    Magnetic  fields:  In  a  magnetic  field  a  spectral  line  may  split  into  two  or  more  lines.  Measurement  of  the  amount  of  splitting  yields  information  on  the  magnetic  field  of  the  star.    

E.2.8   Describe  the  overall  classification  system  of  spectral  classes.  

Students  need  to  refer  only  to  the  principal  spectral  classes  (OBAFGKM).  

Stars  are  divided  into  seven  spectral  classes  according  to  their  colour  (therefore  surface  temperature).  Class   Colour   Temperature  O   Blue   25000-­‐50000  B   Blue-­‐

white  12000-­‐25000  

Page 97: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    97  

A   White   7500-­‐12000  F   Yellow-­‐

White  6000-­‐7500  

G   Yellow   4500-­‐6000  K   Yellow-­‐

red  3000-­‐4500  

M   Red   2000-­‐3000  Oh  Be  A  Fine  Girl  Kiss  Me.  

E.2.9   Describe  the  different  types  of  star.  

Students  need  to  refer  only  to  single  and  binary  stars,  Cepheids,  red  giants,  red  supergiants  and  white  dwarfs.  Knowledge  of  different  types  of  Cepheids  is  not  required.  

Single  star:  Our  sun  is  a  single  star.    Binary  star:  Stars  that  are  in  orbit  around  each  other  (their  common  centre  of  mass).  A  visual  binary  star  is  one  that  can  be  distinguished  as  two  separate  stars  using  a  telescope.  (also  see  below)  Cepheid:  Stars  that  are  a  little  unstable.  They  are  observed  to  have  a  regular  variation  in  bright  ness  and  hence  luminosity.  This  is  thought  to  be  due  to  an  oscillation  in  the  size  of  the  star.      Red  giant:  Very  large,  cool  stars  with  a  reddish  appearance.  The  luminosity  of  red  giants  is  considerably  greater  than  the  luminosity  of  main  sequence  stars  of  the  same  temperature.  The  mass  of  a  red  giant  can  be  as  much  as  1000  times  the  mass  of  our  sun,  but  their  huge  size  also  implies  small  densities.  A  red  giant  will  have  a  central  hot  core  surrounded  by  an  enormous  envelope  of  extremely  tenuous  gas.    Red  supergiant:  A  bigger  version  of  a  red  giant.  The  production  of  energy  does  not  stop  with  at  helium  or  carbon.    White  dwarf:  Very  common,  but  their  faintness  makes  them  hard  to  detect.  Very  small  in  size  and  white  in  colour.  Since  they  are  white,  they  are  comparatively  hot.  They  turn  out  to  be  one  of  the  final  stages  for  some  stars,  Fusion  is  no  longer  taking  place,  and  a  white  dwarf  is  just  a  hot  remnant  that  is  cooling  down.  Eventually  it  will  cease  to  give  out  light  when  it  becomes  sufficiently  cold.  It  is  then  known  as  a  brown  dwarf.      

E.2.10   Discuss  the  characteristics  of  spectroscopic  and  eclipsing  binary  stars.  

Spectroscopic:  Identified  from  the  analysis  of  the  spectrum  of  light  from  the  ‘star’.  Over  time  the  wavelengths  show  a  periodic  shift  or  splitting  in  frequency.  

 Eclipsing:  Identified  from  the  analysis  of  the  brightness  of  the  light  from  

Page 98: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    98  

the  ‘star’.  Over  time  the  brightness  shows  a  periodic  variation.  The  explanation  for  the  ‘dip’  in  brightness  is  that  as  a  result  of  its  orbit,  one  star  gets  in  front  of  the  other.  If  the  stars  are  of  equal  brightness,  then  this  would  cause  the  total  brightness  to  drop  to  50%.    

 E.2.11   Identify  the  general  

regions  of  star  types  on  a  Hertzsprung–Russell  (HR)  diagram.  

Main  sequence,  red  giant,  red  supergiant,  white  dwarf  and  Cepheid  stars  should  be  shown,  with  scales  of  luminosity  and/or  absolute  magnitude,  spectral  class  and/or  surface  temperature  indicated.  Students  should  be  aware  that  the  scale  is  not  linear.  Students  should  know  that  the  mass  of  main  sequence  stars  is  dependent  on  position  on  the  HR  diagram.  

 Once  we  know  the  temperature  of  a  star  (for  example,  through  its  spectrum),  the  HR  diagram  can  tell  us  the  luminosity  of  the  star  with  an  acceptable  degree  of  accuracy,  provided  it’s  a  main  sequence  star.    

 

Page 99: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    99  

E3  Stellar  distances       Assessment  statement   Teacher’s  notes    E.3.1   Define  the  parsec.     When  a  star  with  a  parallax  angle  

of  exactly  one  second  of  arc,  its  distance  must  be  3.26ly.  This  distance  is  defined  as  on  parsec  (pc).  [One  parsec  is  the  distance  to  a  star  whose  parallax  is  1  arc  second.]  

E.3.2   Describe  the  stellar  parallax  method  of  determining  the  distance  to  a  star.  

 The  parallax  angle  can  be  measured  by  observing  the  changes  in  a  star’s  position  over  the  period  of  a  year.  Then:  tan 𝜃 = !  !"#$!  !"  !"#

!  !"#  !"  !"#$  

Sine  the  angle  is  small,  tan 𝜃 = 𝜃.  Then:  𝑑   𝑝𝑐 = !!"#"$$"%  !"#$%  (!)

 E.3.3   Explain  why  the  method  

of  stellar  parallax  is  limited  to  measuring  stellar  distances  less  than  several  hundred  parsecs.  

  The  parallax  method  can  be  sued  to  measure  stellar  distances  that  are  less  than  several  hundred  parsecs.  The  parallax  angle  for  stars  that  are  at  greater  distances  becomes  too  small  to  measure  accurately.    

E.3.4   Solve  problems  involving  stellar  parallax.  

  e.g.  A  star  is  1.32 ∗ 10!"𝑚  away.  Calculate  its  parallax  angle.    

𝑑 = 1.32 ∗ 10!"𝑚  1.32 ∗ 10!"

3.08 ∗ 10!"𝑝𝑐 = 42.9𝑝𝑐  

Then  the  parallax  angle  is:  1

42.9= 0.023′′  

E.3.5   Describe  the  apparent  magnitude  scale.  

Students  should  know  that  apparent  magnitude  depends  on  luminosity  and  the  distance  to  a  star.  They  should  also  know  that  a  magnitude  1  star  is  100  times  brighter  than  a  magnitude  6  star.  

The  scale  was  introduced  over  2000  years  ago  as  a  way  of  classifying  stars.  They  were  all  assigned  to  one  of  six  classifications  according  to  their  brightness  as  seen  by  the  naked  eye.  Very  bright  stars  were  called  magnitude  1  stars,  whereas  the  faintest  stars  were  called  

Page 100: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    100  

magnitude  6.  With  the  aid  of  telescopes,  we  can  now  see  stars  that  are  fainter  than  the  magnitude  6  stars.  A  magnitude  1  star  is  100  times  brighter  than  a  magnitude  6  star  and  the  scale  is  logarithmic.    As  the  magnitude  numbers  get  bigger,  the  stars  are  getting  dimmer.  Magnitudes  are  negative  for  very  bright  stars.  Each  step  on  the  scale  equates  to  a  brightness  increase/decrease  of  2.512.    

   E.3.6   Define  absolute  

magnitude.     The  absolute  magnitude  M  of  a  

star  is  the  apparent  magnitude  it  would  have  if  place  d  at  a  distance  of  10pc  from  earth.    

E.3.7   Solve  problems  involving  apparent  magnitude,  absolute  magnitude  and  distance.  

  e.g.  Calculate  the  absolute  magnitude  of  a  star  whose  distance  is  25ly  and  whose  apparent  magnitude  is  3.45.  We  must  first  change  light  years  into  parsecs:  

25𝑙𝑦 =253.26

𝑝𝑐 = 7.67𝑝𝑐  

𝑚 −𝑀 = 5 log𝑑10

   

𝑀 = 𝑚 − 5 log𝑑10

= 4.03  

E.3.8   Solve  problems  involving  apparent  brightness  and  apparent  magnitude.  

   

E.3.9   State  that  the  luminosity  of  a  star  may  be  estimated  from  its  spectrum.  

  Temperature  can  be  deduced  from  examining  the  spectrum  of  a  star.  Knowing  the  temperature  and  using  the  HR  diagram  (assuming  the  star  is  a  main  sequence  star)  allow  us  to  determine  the  luminosity.    

E.3.10   Explain  how  stellar  distance  may  be  determined  using  apparent  brightness  and  luminosity.  

  Assuming  that  we  know  the  luminosity  and  apparent  brightness  of  a  star,  we  can  find  the  distance,  since:    

𝑏 =𝐿

4𝜋𝑑!→ 𝑑 =

𝐿4𝜋𝑏

 

E.3.11   State  that  the  method  of  spectroscopic  parallax  is  limited  to  measuring  stellar  distances  less  than  about  10  Mpc.  

  The  term  spectroscopic  parallax  refers  to  a  method  of  finding  the  distance  to  a  star  given  the  star’s  luminosity  and  apparent  brightness.The  method  of  spectroscopic  parallax  is  limited  to  measuring  stellar  distances  less  than  about  10  Mpc.  

E.3.12   Solve  problems  involving  stellar  distances,  apparent  

  e.g.  A  main  sequence  star  emits  most  of  its  energy  at  a  

Page 101: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    101  

brightness  and  luminosity.   wavelength  of  2.4x10-­‐7m.  Its  apparent  brightness  is  measured  to  be  4.3x10-­‐9.  How  far  is  the  star?  From  Wien’s  law  we  find  the  temperature  of  the  star  to  be  

𝜆!𝑇 = 2.9 ∗ 10!!𝐾  𝑚  

𝑇 =2.9 ∗ 10!!

2.4 ∗ 10!!= 12000𝐾  

From  the  HR  diagram  we  see  that  such  a  temperature  corresponds  to  a  luminosity  of  about  100  times  that  of  the  sun,  that  is  

𝐿 = 3.9 ∗ 10!"𝑊  Thus  

𝑑 =𝐿4𝜋𝑏

 

𝑑 =3.9 ∗ 10!"

4𝜋 ∗ 4.3 ∗ 10!!

= 8.5 ∗ 10!"𝑚  E.3.13   Outline  the  nature  of  a  

Cepheid  variable.  Students  should  know  that  a  Cepheid  variable  is  a  star  in  which  the  outer  layers  undergo  a  periodic  expansion  and  contraction,  which  produces  a  periodic  variation  in  its  luminosity.  

Cepheid  variable  stars  are  stars  whose  luminosity  is  not  constant  in  time  but  varies  from  a  minimum  to  a  maximum  periodically.  The  brightness  increases  sharply  and  then  fades  off  more  gradually.  The  reason  for  this  has  to  do  with  the  interaction  of  radiation  with  matter  in  the  atmosphere  of  the  star.  This  interaction  causes  the  outer  layers  of  the  star  to  undergo  periodic  expansions  and  contractions.    

E.3.14   State  the  relationship  between  period  and  absolute  magnitude  for  Cepheid  variables.  

  The  longer  the  period,  the  larger  the  luminosity  of  a  Cepheid  variable.    

E.3.15   Explain  how  Cepheid  variables  may  be  used  as  “standard  candles”.  

It  is  sufficient  for  students  to  know  that,  if  a  Cepheid  variable  is  located  in  a  particular  galaxy,  then  the  distance  to  the  galaxy  may  be  determined.  

If  the  luminosity  of  the  Cepheid  is  found,  the  distance  between  earth  and  the  galaxy  that  contains  the  Cepheid  can  be  found.    

E.3.16   Determine  the  distance  to  a  Cepheid  variable  using  the  luminosity–period  relationship.  

e.g.  A  Cepheid  has  a  period  of  about  22  days,  this  corresponds  to  a  luminosity  of  about  7000  solar  luminosities,  or  about  L=2.73x1030W.    

Page 102: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    102  

 The  peak  apparent  magnitude  is  about  m=3.7.  The  peak  apparent  brightness  can  be  found  from  

𝑏2.52 ∗ 10!!

= 2.512!!    

𝑏 = 2.52 ∗ 10!! ∗ 2.512!!.! = 8.34 ∗ 10!!"𝑊𝑚!!  Then,    

𝑑 =𝐿4𝜋𝑏

= 1.6 ∗ 10!"𝑚 = 1700𝑙𝑦 = 520𝑝𝑐  

   

E4  Cosmology       Assessment  statement   Teacher’s  notes    E.4.1   Describe  Newton’s  model  

of  the  universe.  Students  should  know  that  Newton  assumed  an  infinite  (in  space  and  time),  uniform  and  static  universe.  

Newton  used  an  extreme  version  of  the  cosmological  principle  when  he  suggested  that  the  universe  is  infinite  in  extent,  has  no  beginning  an  is  static,  meaning  it  has  been  uniform  and  isotropic  at  all  times.  He  assumed  and  infinite,  uniform  and  static  universe.    

E.4.2   Explain  Olbers’  paradox.   Students  should  be  able  to  show  quantitatively,  using  the  inverse  square  law  of  luminosity,  that  Newton’s  model  of  the  universe  leads  to  a  sky  that  should  never  be  dark.  

If  the  universe  is  really  like  Newton  imagined  then  the  night  sky  should  be  bright.    Imagine  a  universe  that  is  infinite  and  contains  an  infinite  number  of  stars  more  or  less  uniformly  distributed  in  space.  The  very  distant  stars  contribute  very  little  light  to  an  observer  on  earth  but  there  are  very  many  of  them.  Mathematically,  let  n  stand  for  the  number  of  stars  per  unit  volume  of  space.  At  a  distance  d  from  a  star  of  luminosity  L,  the  received  energy  per  area  per  second  is    

Page 103: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    103  

𝑏 =𝐿

4𝜋𝑑!  

The  number  of  stars  in  a  thin  shell  of  thickness  t  at  a  distance  d  from  the  observer  is  number  density  *  volume  =  4𝜋𝑑!𝑛𝑡.    

 Hence  the  received  energy  per  second  per  area  from  all  the  stars  in  the  thin  shell  is    

𝐿4𝜋𝑑!

∗ 4𝜋𝑑!𝑛𝑡 = 𝐿𝑛𝑡  This  number  does  not  depend  on  the  distance  d  to  the  shell.  Since  there  is  an  infinite  number  of  such  shells  surrounding  the  observer,  and  since  each  contributes  a  constant  amount  of  energy,  the  total  energy  received  must  be  infinite,  making  the  night  sky  infinitely  bright,  which  it  is  not.  This  is  Olbers’  paradox.    

E.4.3   Suggest  that  the  red-­‐shift  of  light  from  galaxies  indicates  that  the  universe  is  expanding.  

  Hubble  interpreted  the  redshift  of  the  spectral  lines  as  evidence  of  a  velocity  of  the  galaxy  away  from  us,  as  in  the  Doppler  shift.  The  faster  the  galaxy,  the  larger  the  redshift.    

 Hubble’s  observations  thus  suggest  an  expanding  universe  with  galaxies  moving  away  from  us  and  from  each  other.  It  also  suggests  that  in  the  past  the  universe  was  much  smaller.  The  universe  appears  to  have  started  from  a  kind  of  explosion  that  set  matter  moving  outward.  This  is  the  idea  of  the  Big  Bang  model  of  cosmology.    

E.4.4   Describe  both  space  and  time  as  originating  with  the  Big  Bang.  

Students  should  appreciate  that  the  universe  is  not  expanding  into  a  void.  

See  above.  It  is  important  to  realize  that  the  universe  is  not  expanding  into  

Page 104: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    104  

empty  space.  The  galaxies  that  are  moving  away  from  us  are  not  moving  into  another,  previously  unoccupied,  part  of  the  universe.  Space  is  being  created  in  between  the  galaxies  and  so  the  distance  between  them  increases,  creating  the  illusion  of  motion  of  one  galaxy  relative  to  another.    

E.4.5   Describe  the  discovery  of  cosmic  microwave  background  (CMB)  radiation  by  Penzias  and  Wilson.  

  Two  radio  astronomers  working  at  Bell  Laboratories  accidentally  discovered  CMB  when  an  antenna  they  designed  was  picking  up  a  signal  the  persisted  no  matter  what  part  of  the  sky  the  antenna  was  pointing  at.  The  spectrum  of  this  signal  turned  out  to  be  a  black-­‐body  spectrum  corresponding  to  a  temperature  of  2.7K.      

E.4.6   Explain  how  cosmic  radiation  in  the  microwave  region  is  consistent  with  the  Big  Bang  model.  

A  simple  explanation  in  terms  of  the  universe  “cooling  down”  is  all  that  is  required.  

Today  we  observe  the  background  radiation  at  2.7K.  This  is  consistent  with  a  small,  hot  universe  in  the  distant  past,  which  began  to  cool  down  as  it  expanded.  Penzias  and  Wilson  realised  that  the  radiation  detected  was  the  remnant  of  the  hot  explosion  at  the  beginning  of  time.  It  was  the  afterglow  of  the  enormous  temperature  that  existed  in  the  early  universe.  As  the  universe  has  expanded,  the  temperature  has  kept  falling  to  reach  its  present  value  of  2.7K.    

E.4.7   Suggest  how  the  Big  Bang  model  provides  a  resolution  to  Olbers’  paradox.  

  Big  Bang  theory  says  that  the  universe  is  not  infinite,  therefore  a  solution  to  the  paradox.    

E.4.8   Distinguish  between  the  terms  open,  flat  and  closed  when  used  to  describe  the  development  of  the  universe.  

If  the  distance  between  two  galaxies  was  𝑥!  at  some  arbitrary  time,  then  the  separation  of  these  two  galaxies  at  some  time  t  later  is  given  by  the  expression  

𝑥 𝑡 = 𝑅(𝑡)𝑥!  Where  R(t)  is  the  scale  factor  of  the  universe  ,  that  can  be  interpreted  as  follows:  1. R(t)  starts  from  zero,  increases  to  a  maximum  value  and  then  decreases  back  to  zero  again.  The  universe  collapses  after  an  initial  period  of  expansion.  This  is  called  the  closed  universe.  

2. The  scale  factor  R(t)  increases  without  limit,  the  universe  continues  to  expand  forever.  This  is  called  the  open  universe.  

3. The  universe  does  expand  forever,  but  the  rate  of  expansion  decreases,  this  is  called  a  flat  universe.  

Page 105: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    105  

 Depending  on  which  solution  is  taken,  the  age  of  the  universe  is  different.    

E.4.9   Define  the  term  critical  density  by  reference  to  a  flat  model  of  the  development  of  the  universe.  

  The  theoretical  value  of  density  that  would  create  a  flat  universe  is  called  the  critical  density  (5x10-­‐26  kg  m-­‐3).  If  the  density  is  equal  to  the  critical  density,  the  universe  expands  forever  at  a  rate  that  approaches  zero  (flat  universe).    

E.4.10   Discuss  how  the  density  of  the  universe  determines  the  development  of  the  universe.  

  Let  p  be  the  actual  density  and  pc  the  critical  density.  Then:  • p  <  pc  the  universe  expands  forever  at  a  slowing  rate.  (open)  

• p  =  pc  the  universe  expands  forever  at  a  slowing  rate  that  approaches  zero.  (flat)  

• p  >  pc  the  universe  collapses  after  a  period  of  expansion  (closed)  

E.4.11   Discuss  problems  associated  with  determining  the  density  of  the  universe.  

This  statement  is  included  to  give  the  students  a  flavour  for  the  ongoing  and  complex  current  nature  of  research.  They  should  be  able  to  discuss  relevant  observations  and  possible  explanations.  They  should  recognize  that,  in  common  with  many  other  aspects  of  our  universe,  much  about  the  phenomena  is  currently  not  well  understood.  Teachers  should  include  dark  matter,  MACHOs  and  WIMPs.  

The  density  of  the  universe  is  not  an  easy  quantity  to  measure,  It  is  reasonably  easy  to  estimate  the  mass  in  a  galaxy  by  estimating  the  number  of  stars  and  their  average  mass.  This  calculation  results  in  a  galaxy  mass  that  is  to  small.  We  know  this  because  we  can  use  the  mathematics  or  orbital  motion  to  work  out  how  much  mass  there  must  be  keeping  the  outer  stars  in  orbit  around  the  galactic  centre.    We  think  we  can  see  a  maximum  of  10%  of  the  matter  that  must  exist  in  the  galaxy.  This  means  that  much  of  the  mass  of  a  galaxy  and  indeed  the  universe  itself  must  be  dark  matter  –  in  other  words  we  cannot  observe  it  because  it  is  not  radiating  

Page 106: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    106  

sufficiently  for  us  to  detect  it.    The  matter  could  be  found  in  MACHOs  (massive  astronomical  compact  halo  objects).  There  is  some  evidence  that  lots  of  ordinary  matter  does  exist  in  these  groupings.  These  can  be  thought  of  as  low-­‐mass  ‘failed’  stars  of  high-­‐mass  planets.  They  could  even  be  black  holes,  which  would  produce  little  or  no  light.    There  also  could  be  few  particles  that  we  do  not  know  about.  These  are  WIMPs  (weakly  interacting  massive  particles)  Furthermore,  it  might  be  that  our  current  theories  of  gravit  are  not  completely  correct.    

E.4.12   State  that  current  scientific  evidence  suggests  that  the  universe  is  open.  

  Current  scientific  evidence  suggests  that  the  universe  is  open.  There  is  also  evidence  that  the  rate  of  expansion  may  have  increased.    

E.4.13   Discuss  an  example  of  the  international  nature  of  recent  astrophysics  research.  

It  is  sufficient  for  students  to  outline  any  astrophysics  project  that  is  funded  by  more  than  one  country.  

e.g.  The  Cassini  spacecraft  that  has  been  in  orbit  around  the  Saturn  for  several  years  sending  information  about  the  planet  back  to  Earth  and  it  is  designed  to  continue  doing  so  for  many  more  years.  The  Cassini-­‐Huygens  spacecraft  was  funded  by  ESA,  NASA  and  ASI.  As  well  as  general  information  about  Saturn,  an  important  focus  of  the  mission  was  a  moon  of  Saturn  called  Titan.  The  Huygens  probe  was  released  and  sent  back  information  as  it  descended  towards  the  surface.  The  information  discovered  is  shared  among  the  entire  scientific  community.    

E.4.14   Evaluate  arguments  related  to  investing  significant  resources  into  researching  the  nature  of  the  universe.  

Students  should  be  able  to  demonstrate  their  ability  to  understand  the  issues  involved  in  deciding  priorities  for  scientific  research  as  well  as  being  able  to  express  their  own  opinions  coherently.    Advantages   Disadvantages  Understanding  the  nature  of  the  universe  (why  are  we  here?,  is  there  life  elsewhere  in  the  universe?)  

The  money  could  be  more  usefully  spent  providing  food,  shelter  and  medical  care    

All  fundamental  research  will  give  rise  to  technology  that  may  eventually  improve  the  quality  of  life  

If  money  is  to  be  allocated  on  research,  it  is  much  more  worthwhile  to  invest  limited  resources  into  medical  research.    

Life  on  earth  will,  at  some  time  in  the  distant  future,  become  and  impossibility.  Therefore  we  must  be  able  to  travel  to  

It  is  better  to  fund  a  great  deal  of  small  diverse  research  rather  than  concentrating  all  funding  into  one  expensive  

Page 107: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    107  

distant  stars  and  colonise  new  planets  

area.  Is  the  information  gained  really  worth  the  cost?  

 

E5  Stellar  processes  and  stellar  evolution       Assessment  statement   Teacher’s  notes    E.5.1   Describe  the  conditions  

that  initiate  fusion  in  a  star.  

  In  order  for  the  proton-­‐proton  cycle  to  take  place,  two  positively  charges  particles  need  to  come  close  to  each  other  for  interactions  to  take  place.  Obviously,  they  will  repel  one  another.    This  means  that  they  must  be  at  a  high  temperature.  If  a  large  cloud  of  hydrogen  is  hot  enough,  then  these  nuclear  reactions  can  take  place  spontaneously.  As  the  cloud  comes  together,  the  loss  of  gravitational  potential  energy  must  mean  an  increase  in  kinetic  energy  and  hence  temperature.  In  simple  terms  the  gas  molecules  speed  up  as  they  fall  in  towards  the  centre  to  form  a  proto-­‐star.    

E.5.2   State  the  effect  of  a  star’s  mass  on  the  end  product  of  nuclear  fusion.  

The  star  cannot  continue  in  its  main  sequence  state  forever.  It  is  fusing  hydrogen  into  helium  and  at  some  point  hydrogen  in  the  core  will  become  rare.  The  route  that  is  followed  after  the  red  giant  phase  depends  on  the  initial  mass  of  the  star.  An  important  critical  mass  is  called  the  Chandrasekhar  limit  and  is  equal  to  approximately  1.4  times  the  mass  of  our  sun.    • If  a  star  has  a  mass  less  than  4  solar  masses,  its  remnant  will  be  less  than  1.4  solar  masses  and  so  it  is  below  the  Chandrasekhar  limit.  In  this  case  the  red  giant  forms  a  planetary  nebula  and  becomes  a  white  dwarf.    

• If  a  star  is  greater  than  4  solar  masses,  its  remnant  will  have  a  mass  greater  than  1.4  solar  masses.  In  this  case  the  red  supergiant  experiences  a  supernova,  it  then  becomes  a  neutron  star  or  collapses  to  a  black  hole    

 

Page 108: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    108  

E.5.3   Outline  the  changes  that  take  place  in  nucleosynthesis  when  a  star  leaves  the  main  sequence  and  becomes  a  red  giant.  

Students  need  to  know  an  outline  only  of  the  processes  of  helium  fusion  and  silicon  fusion  to  form  iron.  

If  it  has  sufficient  mass,  a  red  giant  can  continue  to  fuse  higher  and  higher  elements  and  the  process  of  nucleosynthesis  can  continue.  This  process  of  fusion  as  a  source  of  energy  must  come  to  an  end  with  the  nucleosynthesis  of  iron.  The  iron  nucleus  has  the  greatest  binging  energy  per  nucleon  of  all  nuclei.  On  other  words  the  fusion  of  iron  to  form  a  higher  mass  nucleus  would  need  to  take  in  energy  rather  than  release  energy.    

 E.5.4   Apply  the  mass–

luminosity  relation.     For  stars  in  the  main  sequence,  

there  is  a  mass-­‐luminosity  relation:  𝐿   ∝ 𝑀!  where  n  is  between  3  and  4.  The  uncertainty  in  the  value  of  a  comes  from  the  fact  that  the  composition  of  stars  is  not  precisely  known.  One  application  of  the  mass-­‐luminosity  relation  is  to  estimate  the  lifetime  of  a  star  on  the  main  sequence.  Sine  luminosity  is  the  power  radiated  by  the  star:    

𝐸𝑇  ∝ 𝑀!  

For  the  purpose  of  an  estimate,  we  may  assume  that  the  total  energy  the  star  can  radiate  will  come  from  converting  all  its  mass  into  energy  according  to  𝐸 = 𝑚𝑐!  

𝐸𝑇  ∝ 𝑀! →

𝑀𝑐!

𝑇∝ 𝑀!  

𝑇 ∝ 𝑀!!!  E.5.5   Explain  how  the  

Chandrasekhar  and  Oppenheimer–Volkoff  limits  are  used  to  predict  the  fate  of  stars  of  different  masses.  

  If  the  mass  of  the  core  of  a  star  is  less  than  the  Chandrasekhar  limit  of  about  1.4  solar  masses,  the  star  will  become  a  stable  white  dwarf  in  which  electron  pressure  keeps  the  star  from  collapsing  further.    If  the  core  is  more  massive  than  the  Chandrasekhar  limit,  the  core  will  collapse  further  until  electrons  are  driven  into  protons,  turning  them  into  neutrons.  Neutron  pressure  now  keeps  the  star  from  collapsing  further  and  the  star  has  become  a  neutron  star.  

Page 109: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    109  

If  the  core  is  substantially  more  massive  than  the  Oppenheimer-­‐Volkhoff  limit  of  about  2-­‐3  solar  masses,  neutron  pressure  will  not  be  enough  to  oppose  the  gravitational  collapse  and  the  star  will  become  a  black  hole.    

E.5.6   Compare  the  fate  of  a  red  giant  and  a  red  supergiant.  

Students  should  know  that:  •  a  red  giant  forms  a  planetary  nebula  and  then  becomes  a  white  dwarf  •  a  white  dwarf  is  stable  due  to  electron  degeneracy  pressure  •  a  red  supergiant  experiences  a  supernova  and  becomes  a  neutron  star  or  collapses  to  a  black  hole  •  a  neutron  star  is  stable  due  to  neutron  degeneracy  pressure.  

See  E.5.2  

E.5.7   Draw  evolutionary  paths  of  stars  on  an  HR  diagram.  

 

 E.5.8   Outline  the  characteristics  

of  pulsars.     A  neutron  star  may  have  a  

magnetic  field  of  quite  large  magnitude  (108T)  and  may  rotate  as  well,  with  a  period  ranging  from  30ms  to  0.3s.  Rotating  neutron  stars  emit  

Page 110: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    110  

electromagnetic  waves  in  the  radio  part  of  the  spectrum  and  so  neutron  stars  can  be  detected  by  radio  telescopes.  Rotating  neutron  stars  that  radiate  n  this  way  are  called  pulsars.  The  radiation  emitted  by  the  pulsar  is  in  a  narrow  cone  around  the  magnetic  field.  If  the  magnetic  field  is  not  aligned  with  the  axis  of  rotation,  then,  as  the  star  rotates,  the  cone  containing  the  radiation  precesses  around  the  rotation  axis.  An  observer  who  can  receive  some  of  this  radiation  will  then  do  so  every  time  the  cone  sweeps  past.    

     

E6  Galaxies  and  the  expanding  universe         Assessment  

statement  Teacher’s  notes    

E.6.1   Describe  the  distribution  of  galaxies  in  the  universe.  

Students  should  understand  the  terms  galactic  cluster  and  galactic  supercluster.  

Galaxies  are  not  distributed  randomly  throughout  space.  They  tend  to  be  found  clustered  together.  For  example,  in  the  region  of  the  Milky  Way  there  are  twenty  or  so  galaxies  in  less  then  2.5m  light  years.  On  a  larger  scale,  galactic  clusters  are  grouped  into  huge  superclusters  of  galaxies.  In  general,  these  superclusters  often  involve  galaxies  arranged  together  in  joined  bands  that  are  arranged  as  though  randomly  throughout  empty  space.  

E.6.2   Explain  the  red-­‐shift  of  light  from  distant  galaxies.  

Students  should  realize  that  the  red-­‐shift  is  due  to  the  expansion  of  the  universe.  

The  velocity  of  recession  is  found  by  an  application  of  the  Doppler  effect  to  light.  Light  from  galaxies  arrives  on  earth  redshifted.  This  means  that  the  wavelength  of  the  light  measured  upon  arrival  is  longer  than  the  wavelength  at  emission.  According  to  the  Doppler  effect,  this  implies  that  the  source  of  light  (galaxy)  is  moving  away  from  the  observer  on  earth.    

E.6.3   Solve  problems  involving  red-­‐shift  and  the  

  e.g.  A  hydrogen  line  has  a  wavelength  of  434nm.  When  received  from  a  distant  galaxy,  this  line  is  measured  on  earth  at  

Page 111: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    111  

recession  speed  of  galaxies.  

486nm.  What  is  the  speed  of  recession  of  this  galaxy?  From  formula  booklet:  

∆𝜆𝜆≅𝑣𝑐  

 (486 − 434)

434∗ 3 ∗ 10! ≅ 𝑣  

𝑣 ≅ 3.6 ∗ 10!𝑚𝑠!!  E.6.4   State  Hubble’s  

law.     Hubble  studied  a  large  number  of  

galaxies  and  found  that,  the  more  distant  the  galaxy,  the  faster  it  moves  away  from  us.  This  is  Hubble’s  law,  which  states  that  the  velocity  of  recession  is  directly  proportional  to  the  distance:  v  =  Hd,  where  d  is  the  distance  between  the  earth  and  the  galaxy,  and  v  its  velocity  of  recession.  The  constant  of  proportionality,  H,  is  the  slope  of  the  graph  and  is  known  as  the  Hubble  constant.    

E.6.5   Discuss  the  limitations  of  Hubble’s  law.  

  The  uncertainties  in  H  come  mainly  from  the  enormous  difficulties  in  measuring  distances  to  remote  galaxies  accurately.  It  is  also  not  clear  whether  the  expansion  of  the  universe  happened  at  a  constant  rate.  Some  theories  suggest  that  the  expansion  is  currently  accelerating.    

E.6.6   Explain  how  the  Hubble  constant  may  be  determined.  

 E.6.7   Explain  how  the  

Hubble  constant  may  be  used  to  estimate  the  age  of  the  universe.  

Students  need  only  consider  a  constant  rate  of  expansion.  

Imagine  a  galaxy,  which  is  now  a  distance  r  from  us.  Its  velocity  is  thus  v  =  Hr.  In  the  beginning  the  galaxy  and  the  earth  were  at  zero  separation  from  each  other.  If  the  present  separation  of  r  is  thus  covered  at  the  same  constant  velocity  Hr,  the  time,  T,  taken  to  achieve  this  separation  must  be  given  by    

𝑣 =𝑟𝑇= 𝐻𝑟 → 𝑇 =

1𝐻  

Where  T  is  the  age  of  the  universe.    E.6.8   Solve  problems  

involving     Find  the  age  of  the  universe  (𝐻 = 72 ∗

10!𝑚𝑠!!𝑀𝑝𝑐!!)  

Page 112: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    112  

Hubble’s  law.   𝑇 =1𝐻=

172 ∗ 10!𝑚𝑠!!𝑀𝑝𝑐!!

 

172 ∗ 10!𝑚𝑠!!

∗ 10!𝑝𝑐  1

72 ∗ 10!𝑚𝑠!!∗ 10! ∗ 3.09 ∗ 10!"𝑚  

4.29 ∗ 10!"𝑠 = 13.6 ∗ 10!𝑦𝑟𝑠  E.6.9   Explain  how  the  

expansion  of  the  universe  made  possible  the  formation  of  light  nuclei  and  atoms.  

Students  should  appreciate  that,  at  the  very  high  temperatures  of  the  early  universe,  only  elementary  (fundamental)  particles  could  exist  and  that  expansion  gave  rise  to  cooling  to  temperatures  at  which  light  nuclei  could  be  stable.  

At  t=10-­‐2s,  the  temperature  had  fallen  sufficiently  to  1011K  for  quarks  to  bind  together  and  to  form  protons  and  neutrons  and  their  antiparticles.  The  universe  had  a  size  of  10-­‐10  of  its  present  size.  At  t=1s  after  the  Big  Bang,  T=1010K,  and  protons,  neutrons,  electrons  and  their  antiparticles  were  in  thermal  equilibrium  with  each  other.    [At  the  very  high  temperatures  of  the  early  universe,  only  elementary  (fundamental)  particles  could  exist  and  that  expansion  gave  rise  to  cooling  to  temperatures  at  which  light  nuclei  could  be  stable.]  

     

Page 113: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    113  

H1  Introduction  to  relativity       Assessment  statement   Teacher’s  notes    H.1.1   Describe  what  is  meant  by  

a  frame  of  reference.     A  frame  of  reference  may  refer  to  

a  coordinate  system  or  set  of  axes,  within  which  to  measure  the  position,  orientation  and  other  properties  of  objects  in  it.    [The  observer  along  with  the  rulers  and  clocks  that  he  or  she  uses  to  measure  distances  and  times  constitute  what  is  called  a  frame  of  reference.]  

H.1.2   Describe  what  is  meant  by  a  Galilean  transformation.  

  It  is  possible  to  formalise  the  relationship  between  two  different  frames  of  reference.  The  idea  is  to  use  the  measurement  in  one  frame  of  reference  to  work  out  the  measurements  that  would  be  recorded  in  another  frame  of  reference.  The  equations  that  do  this  without  taking  the  theory  of  relativity  into  consideration  are  called  Galilean  transformations.    [The  relation  between  coordinates  of  events  when  one  frame  moves  past  the  other  with  uniform  velocity  on  a  straight  line.]  

H.1.3   Solve  problems  involving  relative  velocities  using  the  Galilean  transformation  equations.  

  Simple  e.g.  A  ball  rolls  on  the  floor  of  a  train  at  2ms-­‐1  (with  respect  to  the  floor).  The  train  moves  with  respect  to  the  ground  to  the  right  at  12ms-­‐1  (a);  to  the  left  at  12ms-­‐1  (b)  What  is  the  velocity  of  the  ball  relative  to  he  ground?  

a) v  =  14ms-­‐1  b) v  =  -­‐10ms-­‐1  

   

H2  Concepts  and  postulates  of  special  relativity       Assessment  statement   Teacher’s  notes    H.2.1   Describe  what  is  meant  by  

an  inertial  frame  of  reference.  

  Frames  moving  with  uniform  velocity  past  each  other  on  straight  lines  are  called  inertial  frames  of  reference.  These  are  non-­‐accelerating  frames.    

H.2.2   State  the  two  postulates  of  the  special  theory  of  relativity.  

  1) The  laws  of  physics  are  the  same  in  all  inertial  frames  

2) The  speed  of  light  in  a  vacuum  is  the  same  for  all  inertial  observers  

H.2.3   Discuss  the  concept  of  simultaneity.  

Students  should  know  that  two  events  occurring  at  different  

Events  that  are  simultaneous  for  one  observer  and  which  take  

Page 114: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    114  

points  in  space  and  which  are  simultaneous  for  one  observer  cannot  be  simultaneous  for  another  observer  in  a  different  frame  of  reference.  

place  at  different  points  in  space,  are  not  simultaneous  for  another  observer  in  motion  relative  to  the  first.    On  the  other  hand,  if  two  events  are  simultaneous  for  one  observer  and  take  place  at  the  same  point  in  space,  they  are  simultaneous  for  all  other  observers  as  well.    [Simultaneity,  like  motion,  is  a  relative  concept.  Our  notion  of  absolute  simultaneity  is  based  on  the  idea  of  absolute  time:  events  happen  at  specific  times  that  all  observers  agree  on.  Einstein  has  taught  us  that  the  idea  of  absolute  time,  just  like  the  idea  of  absolute  motion,  must  be  abandoned.]  

     

H3  Relativistic  kinematics       Assessment  statement   Teacher’s  notes    H.3.1   Describe  the  concept  of  a  

light  clock.  Only  a  very  simple  description  is  required  here.  For  example,  a  beam  of  light  reflected  between  two  parallel  mirrors  may  be  used  to  measure  time.  

A  light  clock  is  an  imaginary  device.  A  beam  of  light  bounces  between  two  mirrors  –  the  time  taken  by  the  light  between  bounces  is  one  ‘tick’  of  the  light  clock.  The  path  taken  by  light  in  a  light  clock  that  is  moving  at  constant  velocity  is  longer.  We  know  that  the  speed  of  light  is  fixed  so  the  time  between  the  ‘ticks’  on  a  moving  clock  must  also  be  longer.  This  effect  –  that  moving  clocks  run  slow  –  is  called  time  dilation.    

H.3.2   Define  proper  time  interval.  

  A  proper  time  interval  is  the  same  separating  two  events  that  take  place  at  the  same  point  in  space.  It  turns  out  to  be  the  shortest  possible  time  that  any  observer  could  correctly  record  for  the  event.    

H.3.3   Derive  the  time  dilation  formula.  

Students  should  be  able  to  construct  a  simple  derivation  of  the  time  dilation  formula  based  on  the  concept  of  the  light  clock  and  the  postulates  of  relativity.  

If  we  imagine  a  stationary  observer  with  one  light  clock  then  t  is  the  time  between  ‘ticks’  on  the  stationary  clock.  In  this  stationary  frame,  a  moving  clock  runs  slowly  and  t’  is  the  time  between  ‘ticks’  on  the  moving  clock:  t’  is  greater  than  t.    

Page 115: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    115  

 In  the  time  t’,  the  clock  has  moved  on  a  distance  =  vt’.  Distance  travelled  by  the  light:    

𝑙! = 𝑣𝑡! ! + 𝑙!  

𝑡! =𝑙!

𝑐=

𝑣𝑡! ! + 𝑙!

𝑐  

𝑡!" =𝑣𝑡! ! + 𝑙!

𝑐!  

𝑡!" 1 −𝑣!

𝑐!=𝑙!

𝑐!  

Since  𝑙!

𝑐!= 𝑡!  

𝑡!" 1 −𝑣!

𝑐!= 𝑡!  

𝑡! =1

1 − 𝑣!

𝑐!

∗ 𝑡  

This  equation  is  true  for  all  measurements  of  time,  whether  they  have  been  made  using  a  light  clock  or  not.    

H.3.24   Sketch  and  annotate  a  graph  showing  the  variation  with  relative  velocity  of  the  Lorentz  factor.  

 H.3.5   Solve  problems  involving  

time  dilation.     e.g.  The  time  interval  between  

the  ticks  of  a  clock  carried  on  a  fast  rocket  is  half  of  what  observers  on  earth  record.  How  fast  is  the  rocket  moving  with  respect  to  earth?  From  the  time  dilation  formula:  

2 =1

1 − 𝑣!

𝑐!

 

1 −𝑣!

𝑐!=12  

𝑣!

𝑐!=34  

 

(Lorentz  factor)  

Page 116: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    116  

𝑣 = 8.866𝑐  H.3.6   Define  proper  length.     The  proper  length  of  an  object  is  

the  length  recorded  in  a  frame  where  the  object  is  at  rest.    

H.3.7   Describe  the  phenomenon  of  length  contraction.  

The  derivation  of  the  length  contraction  formula  is  not  required.  

One  of  the  peculiar  aspects  of  Einstein's  theory  of  special  relativity  is  that  the  length  of  objects  moving  at  relativistic  speeds  undergoes  a  contraction  along  the  dimension  of  motion.  An  observer  at  rest  (relative  to  the  moving  object)  would  observe  the  moving  object  to  be  shorter  in  length.  That  is  to  say,  that  an  object  at  rest  might  be  measured  to  be  200  feet  long;  yet  the  same  object  when  moving  at  relativistic  speeds  relative  to  the  observer/measurer  would  have  a  measured  length  which  is  less  than  200  ft.  This  phenomenon  is  not  due  to  actual  errors  in  measurement  or  faulty  observations.  The  object  is  actually  contracted  in  length  as  seen  from  the  stationary  reference  frame.  The  amount  of  contraction  of  the  object  is  dependent  upon  the  object's  speed  relative  to  the  observer.  [Note  that  it  is  only  lengths  in  the  direction  of  motion  that  are  contracted.]    

H.3.8   Solve  problems  involving  length  contraction.  

  e.g.  An  unstable  particle  has  a  life  time  of  4.0 ∗ 10!!𝑠  in  its  own  rest  frame.  If  the  frame  is  moving  at  98%  of  the  speed  of  light,  calculate  (a)  its  life  time  in  the  lab  frame  and  (b)  the  length  travelled  in  both  frames.  

a)  𝛾 = !!!!.!"!

= 5.025  

∆𝑡 = 𝛾∆𝑡! = 5.025 ∗ 4.0 ∗ 10!!= 2.01 ∗ 10!!𝑠  

b)  in  the  lab  frame,  the  particle  moves:  length  =  speed  x  time.    

0.98 ∗ 3 ∗ 10! ∗ 2.01 ∗ 10!!= 59.1𝑚  

in  the  particle’s  frame,  the  laboratory  moves  

∆𝑙 =59.1𝛾

= 11.8𝑚  

       

Page 117: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    117  

H4  Some  consequences  of  special  relativity       Assessment  statement   Teacher’s  notes    H.4.1   Describe  how  the  concept  

of  time  dilation  leads  to  the  “twin  paradox”.  

Different  observers’  versions  of  the  time  taken  for  a  journey  at  speeds  close  to  the  speed  of  light  may  be  compared.  Students  should  be  aware  that,  since  one  of  the  twins  makes  an  outward  and  return  journey,  this  is  no  longer  a  symmetrical  situation  for  the  twins.  

A  rocket  follows  a  long  circular  path.  It  sets  off  from  space  station  P  and  will  eventually  come  back.  The  passenger  in  the  rocket  sets  his  clock  by  looking  at  the  station’s  clock.  The  time  is  0.  When  he  returns,  he  looks  at  his  watch  and  finds  that  it  is  slow  compared  with  the  station  clock.  Thus,  if  the  trip  lasted,  say  6  years,  by  the  passenger’s  watch,  the  passenger  is  6  years  older.  However,  the  passenger’s  twin  brother,  who  is  the  stationmaster,  is  older  by  10  years.  (assuming  that  v=0.8c).    The  stationmaster  may  claim  that  it  was  he  who  moved  away.  So  when  the  stationmaster  again  meets  the  rocket  passenger,  he  will  claim  that  his  clock  is  slower  than  the  passenger’s.  So  the  stationmaster  is  only  6y  older  while  the  passenger  is  10y  older.  Which  of  the  twins  is  older  when  they  meet  again?  This  is  often  referred  to  as  the  twin  paradox.  At  all  times  the  stationmaster  was  in  an  inertial  frame.  However,  the  rocket  had  been  moving  in  a  circle  (thus  experiencing  centripetal  acceleration)  and  so  the  rocket’s  frame  had  not  been  inertial.  Careful  application  of  the  laws  of  relativity  to  this  asymmetric  situation  leads  to  the  conclusion  that  the  stationmaster  has  aged  by  10y  and  the  passenger  by  6y.  Even  if  the  roket  moves  in  a  straight  line  and  then  reverses  direction  to  return  to  the  space  station,  this  does  not  help  because  in  this  case  the  rocket  must  decelerate  and  then  accelerate.    

H.4.2   Discuss  the  Hafele–Keating  experiment.  

  Atomic  clocks  were  put  into  aircraft  and  flown,  both  eastwards  and  westwards,  around  the  world.  Before  and  after  the  flights,  the  times  on  the  clocks  were  compared  with  clocks  that  remained  fixed  in  the  same  location  on  the  surface  of  the  Earth.    An  observer  in  the  centre  of  the  Earth  would  describe  the  clock  

Page 118: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    118  

flying  eastwards  as  moving  the  fastest,  the  clock  that  is  on  the  same  location  on  the  Earth’s  surface  as  also  moving  eastwards  (due  to  the  rotation  of  the  earth)  but  not  as  fast  as  the  clock  in  the  airplane,  and  the  clock  flying  westwards  as  moving  the  slowest.  The  results  of  their  experiment  agreed  with  the  predictions  within  the  uncertainties  of  the  experiment.    

H.4.3   Solve  one-­‐dimensional  problems  involving  the  relativistic  addition  of  velocities.  

The  derivation  of  the  velocity  addition  formula  is  not  required.  

𝒖 =𝒖! + 𝒗

𝟏 + 𝒖!𝒗𝒄𝟐  

e.g.  An  electron  has  a  speed  of  2.00x108ms-­‐1  relative  to  a  rocket,  which  itself  moves  at  a  speed  of  1.00x108ms-­‐1  with  respect  to  the  to  the  ground.  Applying  the  formula  above  with  𝑢! = 2.00 ∗ 10!𝑚𝑠!!  and  𝑣 = 1.00 ∗ 10!𝑚𝑠!!  we  find  𝑢 = 2.45 ∗ 10!𝑚𝑠!!    

H.4.4   State  the  formula  representing  the  equivalence  of  mass  and  energy.  

  Mass  and  energy  are  equivalent.  This  means  that  energy  can  be  converted  into  mass  and  vice  versa.    The  energy  required  to  create  a  particle  at  rest  is  called  the  rest  energy  and  can  be  calculated  from  the  rest  mass:  𝐸! = 𝑚!𝑐!  

H.4.5   Define  rest  mass.   Students  should  be  aware  that  rest  mass  is  an  invariant  quantity.  Students  should  be  familiar  with  the  unit  MeV  c−2  for  mass.  

The  rest  mass  of  an  object  is  its  mass  as  measured  in  a  frame  where  the  object  is  at  rest.  A  frame  that  is  moving  with  respect  to  the  object  would  record  a  higher  mass.    

H.4.6   Distinguish  between  the  energy  of  a  body  at  rest  and  its  total  energy  when  moving.  

  See  H.4.8  

H.4.7   Explain  why  no  object  can  ever  attain  the  speed  of  light  in  a  vacuum.  

  𝐸 = 𝛾𝑚!𝑐!  

𝐸 =𝑚!𝑐!

1 − 𝑣!

𝑐!

 

It  is  very  important  to  notice  that,  as  the  speed  of  a  particle  approaches  the  speed  of  light,  the  total  energy  approaches  infinity.  Therefore,  a  particle  with  mass  cannot  reach  the  speed  of  light.  Only  particles  without  mass,  such  as  photons,  can  move  at  the  speed  of  light.  

H.4.8   Determine  the  total  energy  of  an  accelerated  particle.  

Students  should  be  able,  for  example,  to  calculate  the  total  energy  of  an  electron  after  acceleration  through  a  known  potential  difference.  

If  a  particle  is  accelerated  by  a  potential  difference  of  V  volts,  its  total  energy  will  increase  by  an  amount  qV,  where  q  is  its  charge.  Thus,  if  a  particle  is  initially  at  

Page 119: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    119  

rest,  its  total  energy  is  the  rest  energy  𝐸! = 𝑚!𝑐!.  After  going  through  the  potential  difference,  the  total  energy  will  be  𝐸 = 𝑚!𝑐! + 𝑞𝑉.  e.g.  An  electron  f  rest  energy  0.511  MeV  is  accelerated  through  a  potential  difference  of  5.0MV  in  a  lab.  (a)  What  is  its  total  energy  with  respect  to  the  lab?  (b)  What  is  its  speed  with  respect  to  the  lab?  a)  The  total  energy  will  increase  by  𝑞𝑉 = 1𝑒 ∗ 5.0 ∗ 10!𝑣𝑜𝑙𝑡 =5𝑀𝑒𝑉  And  so  the  total  energy  is:  

𝐸 = 𝑚!𝑐! + 𝑞𝑉  𝐸 = 0.511𝑀𝑒𝑉 + 5.0𝑀𝑒𝑉

= 5.511𝑀𝑒𝑉  b)  We  know  that  

𝐸 = 𝛾𝑚!𝑐!  5.511 = 𝛾 ∗ 0.511  

𝛾 =5.5110.511

= 10.785  Since    

𝛾 =1

1 − 𝑣!

𝑐!

 

10.785 =1

1 − 𝑣!

𝑐!

 

𝑣 = 0.966𝑐      

H5  Evidence  to  support  special  relativity       Assessment  statement   Teacher’s  notes    H.5.1   Discuss  muon  decay  as  

experimental  evidence  to  support  special  relativity.  

  Muons  are  particles  with  properties  similar  to  those  of  the  electrons  except  that  they  are  more  massive,  unstable  and  they  decay  into  electrons.  Muons  are  created  high  up  in  the  atmosphere  (10km).  Cosmic  rays  from  the  sun  can  cause  them  to  be  created  with  huge  velocities:  0.99c.  As  they  travel  towards  the  earth  some  of  them  decay  but  there  is  still  a  detectable  number  of  arriving  at  the  surface  of  the  Earth.  Without  relativity,  no  muons  would  be  expected  to  reach  the  surface  at  all.  A  particle  with  a  lifetime  of  2.2 ∗ 10!!𝑠  which  is  travelling  near  the  speed  of  light  would  be  expected  to  travel  less  than  a  kilometre  

Page 120: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    120  

before  decaying.  The  muons’  speed  means  that  the  Lorentz  factor  is  high.  𝛾 = !

!!!.!!!= 7.1.  

Therefore  an  average  lifetime  of  2.2 ∗ 10!!𝑠  in  the  muons’  frame  of  reference  will  be  time  dilated  to  a  longer  time  as  far  as  a  stationary  observer  on  earth  is  concerned.  Many  muons  will  still  decay  but  some  will  make  it  through  to  the  surface  –  this  is  exactly  what  is  observed.  In  the  muons’  frame  of  reference  they  exist  for  2.2 ∗ 10!!𝑠  on  average.  They  make  it  down  to  the  surface  because  they  atmosphere  is  moving  with  respect  to  the  muons.  This  means  that  the  atmosphere  will  be  length-­‐contracted.  The  10km  distance  will  only  be  !"

!.!= 1.4𝑘𝑚.  A  

significant  number  of  muons  will  exist  long  enough  for  the  Earth  to  travel  this  distance.    

H.5.2   Solve  problems  involving  the  muon  decay  experiment.  

   

H.5.3   Outline  the  Michelson–Morley  experiment.  

Students  should  be  able  to  outline  the  principles  of  the  Michelson  interferometer  using  a  simple  sketch  of  the  apparatus.  

 The  aim  of  the  experiment  was  to  measure  the  speed  of  the  earth  through  space  (the  ether).  It  involved  two  beams  of  light  travelling  down  two  paths  at  right  angles  to  one  another.  Having  travelled  different  paths,  the  light  was  brought  together  where  it  interfered  and  produced  fringes  of  constructive  and  destructive  interference.  If  the  apparatus  were  rotated  around,  the  speed  down  the  paths  would  change.  This  would  move  the  interference  pattern.  The  idea  was  to  measure  the  change  and  thus  work  out  the  speed  of  the  Earth  through  the  ether.  The  experiment  was  tried  but  the  rotation  of  the  apparatus  did  not  produce  any  observable  change  in  the  interference  pattern.    

H.5.4   Discuss  the  result  of  the  Michelson–Morley  experiment  and  its  

The  implication  that  the  ether  does  not  exist  and  that  the  result  is  consistent  with  the  

The  above  null  result  can  be  easily  understood  from  the  first  postulate  of  relativity  –  the  

Page 121: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    121  

implication.   constancy  of  the  speed  of  light  is  the  accepted  explanation.  

constancy  of  the  speed  of  light.  The  interference  pattern  does  not  change  because  the  speed  of  light  along  the  paths  is  always  the  same.  It  is  unaffected  by  the  motion  of  the  Earth.  Also,  it  can  be  concluded  that  the  ether  does  not  exist.    

H.5.5   Outline  an  experiment  that  indicates  that  the  speed  of  light  in  vacuum  is  independent  of  its  source.  

Students  should  be  familiar  with  pion  decay  experiments  involving  the  decay  of  a  fast-­‐moving  pion  into  two  gamma-­‐ray  photons.  

The  first  conclusive  experiment  that  demonstrated  the  constancy  of  the  speed  of  light  with  great  accuracy  was  performed  at  CERN  in  1964.  In  this  experiment,  neutral  pions  moving  at  0.99975c  decayed  into  a  pair  of  photons  moving  in  different  directions.  The  speed  of  the  photons  in  both  directions  was  measured  to  be  c  with  extraordinary  accuracy.  The  speed  of  light  does  not  depend  on  the  speed  of  its  source.    

   

H6  Relativistic  momentum  and  energy       Assessment  statement   Teacher’s  notes    H.6.1   Apply  the  relation  for  the  

relativistic  momentum  𝑝 = 𝛾𝑚!𝑣  of  particles.  

Students  should  be  familiar  with  momentum  expressed  in  the  unit  MeV  c−1.  

In  classical  mechanics,  the  momentum  is  given  by  the  product  of  mass  times  velocity,  but  in  relativity  this  is  modified  to  𝑝 = 𝛾𝑚!𝑣.  We  still  have  the  usual  law  of  momentum  conservation,  which  states  that,  when  no  external  forces  act  on  a  system,  the  total  momentum  stays  the  same.    

H.6.2   Apply  the  formula  𝐸! = 𝛾 − 1 𝑚!𝑐!  for  the  kinetic  energy  of  a  particle.  

  The  kinetic  energy  𝐸!  is  defined  as  the  total  energy  minus  the  rest  energy:  

𝐸! = 𝐸 −𝑚!𝑐!  This  can  be  rewritten  as    

𝐸! = 𝛾 − 1 𝑚!𝑐!  This  definition  ensures  that  the  kinetic  energy  is  zero  when  v  =  0.  The  familiar  result  from  mechanics  that  the  work  done  by  the  new  force  equals  the  change  in  kinetic  energy  holds  in  relativity  as  well.    

H.6.3   Solve  problems  involving  relativistic  momentum  and  energy.  

Students  should  be  able  to  calculate,  for  example,  the  kinetic  energy,  total  energy,  speed  and  momentum  of  an  accelerated  particle  and  for  particles  produced  in  reactions.  

e.g.  Find  the  kinetic  energy  of  an  electron  whose  momentum  is  1.5  𝑀𝑒𝑉𝑐!!  The  total  energy  of  the  electron  is  given  by    

𝐸! = 𝑚!!𝑐! + 𝑝!𝑐!  

to  give    𝐸 = 1.58𝑀𝑒𝑉  

Page 122: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    122  

And    𝐸! = 𝐸 −𝑚!𝑐!  

So  𝐸! = 1.07𝑀𝑒𝑉  

   

H7  General  relativity       Assessment  statement   Teacher’s  notes    H.7.1   Explain  the  difference  

between  the  terms  gravitational  mass  and  inertial  mass.  

  Inertial  mass:  The  property  of  an  object  that  determines  how  it  responds  to  a  given  force  (different  masses  have  different  accelerations  when  a  force  acts  on  them)  

𝑖𝑛𝑒𝑟𝑡𝑖𝑎𝑙  𝑚𝑎𝑠𝑠   𝑚! =𝐹𝑎  

Gravitational  mass:  The  property  of  an  object  that  determines  how  much  gravitational  force  it  feels  when  close  to  another  object.  

𝑔𝑟𝑎𝑣𝑖𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛𝑎𝑙  𝑓𝑜𝑟𝑐𝑒   ∝  𝑚!  H.7.2     Describe  and  discuss  

Einstein’s  principle  of  equivalence.  

Students  should  be  familiar  with  Einstein’s  closed  elevator  “thought  experiment”.  

Gravitational  and  inertial  effects  are  indistinguishable.    

 

 H.7.3   Deduce  that  the  

principle  of  equivalence  predicts  bending  of  light  rays  in  a  gravitational  

Consider  an  elevator  motionless  in  space  (so  that  there  is  no  gravity  inside  and  any  occupants  are  in  “freefall”).  This  elevator  has  a  pin-­‐sized  hole  in  the  wall,  through  which  a  tiny  beam  of  light  enters,  creating  a  speck  of  light  on  the  opposite  wall,  directly  across  from  the  

Page 123: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    123  

field.   hole  (if  one  measured  the  distance  from  the  floor  of  the  elevator  to  the  hole  and  to  the  speck  of  light,  it  would  be  equal).  Now,  if  this  elevator  began  to  be  pulled  forward  through  space,  the  inertial  mass  would  pull  the  occupants  to  the  floor  of  the  elevator  (mimicking  the  pull  of  gravity),  and  something  peculiar  would  happen  to  the  beam  of  light:  As  the  elevator’s  acceleration  increases,  the  prick  of  light  will  appear  to  move  downward,  for  in  the  time  it  takes  for  the  light  to  travel  from  the  hole  to  the  opposite  wall,  the  elevator  would  already  have  moved  forward  slightly  (though  it  would  have  to  be  moving  rather  quickly  for  this  effect  to  be  at  all  noticeable).  In  other  words,  because  of  the  motion  of  the  elevator,  the  beam  of  light  would  “bend”  as  it  enters  the  elevator.  Now,  carrying  this  thought  through  to  its  conclusion  –  remember  that  the  occupants  of  this  elevator  would  have  no  way  of  knowing  if  the  sensation  they  are  feeling  is  caused  by  the  elevator’s  inertia  or  by  some  gravitational  force  (it  could  feel  to  them  that  they  are  on  the  surface  of  the  Earth),  so  to  these  people,  the  bending  of  the  beam  of  light  appears  to  be  caused  by  gravity.  

H.7.4   Deduce  that  the  principle  of  equivalence  predicts  that  time  slows  down  near  a  massive  body.  

Consider  two  waves  on  a  wavefront  AB,  which  are  bend  as  they  pass  near  a  massive  object:  

 AC  is  longer  than  BD,  however  the  speed  of  light  is  constant.  As:  

𝑐 =𝑑𝑡  

time  must  slow  down  near  a  massive  object.    H.7.5   Describe  the  concept  of  

spacetime.     Space-­‐time  is  a  four-­‐dimensional  

world  with  three  space  and  one  time  coordinates.    [The  mass  and  energy  content  of  space  determine  the  geometry  of  that  space  and  time.  The  geometry  of  space-­‐time  determines  the  motion  of  mass  and  energy  in  the  space-­‐time.]  

H.7.6   State  that  moving  objects  follow  the  shortest  path  between  two  points  in  spacetime.  

  In  the  absence  of  any  forces,  a  body  moves  in  this  four-­‐dimensional  world  along  paths  of  shortest  length,  called  geodesics.    

H.7.7   Explain  gravitational  attraction  in  terms  of  the  warping  of  spacetime  by  matter.  

  The  motion  of  a  planet  around  the  sun  is,  according  to  Einstein,  not  the  result  of  a  gravitational  force  acting  on  the  planet  (as  Newton  would  have  it)  but  rather  due  to  the  curved  geometry  in  the  space  and  time  around  the  sun  created  by  the  large  

Page 124: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    124  

mass  of  the  sun.  The  planet  follows  a  geodesic  in  the  curved  space-­‐time  around  the  earth.  This  geodesic  appears  as  a  circular  path  if  we  view  space-­‐time  as  flat.    

 H.7.8   Describe  black  holes.   Students  should  know  that  

black  holes  are  a  region  of  spacetime  with  extreme  curvatures  due  to  the  presence  of  a  mass.  

Some  objects  contract  under  the  influence  of  their  own  gravitation,  becoming  ever  smaller  objects.  The  object  is  expected  to  become  a  hole  in  space-­‐time  around  this  point.  This  creates  an  immense  bending  of  space-­‐time  around  this  point  and  it  is  known  as  a  black  hole  –  since  noting  can  escape  from  it.    

H.7.9   Define  the  term  Schwarzschild  radius.  

  The  Schwarzschild  radius  is  not  the  actual  radius  of  a  black  hole  (the  black  hole  is  a  point)  –  it  is  the  distance  from  the  hole’s  centre  that  separates  space  into  a  region  from  which  an  object  can  escape  and  a  region  from  which  no  object  can  escape.  Any  object  closer  to  the  centre  of  the  black  hole  than  this  radius  will  fall  into  the  hole;  no  amount  of  energy  supplied  to  this  body  will  allow  it  to  escape  from  the  black  hole.    

H.7.10   Calculate  the  Schwarzschild  radius.  

  𝑅! =2𝐺𝑀𝑐!

 For  the  sun:  

𝑅! =2 ∗ 6.67 ∗ 10!!! ∗ 2 ∗ 10!"

3 ∗ 10! !  

𝑅! ≈ 3 ∗ 10!𝑚  H.7.11   Solve  problems  

involving  time  dilation  close  to  a  black  hole.  

  Two  observers  who  are  at  different  points  in  a  gravitational  field  measure  the  time  interval  between  the  same  two  events  differently.  This  is  an  example  of  how  masses  curve  not  just  space  but  also  time.    

∆𝑡!"# =∆𝑡!"#$

1 − 𝑅!𝑟

 

e.g.  Consider  a  theoretical  observer  approaching  a  black  hole.  This  observer  sends  signals  to  a  far-­‐away  observer  in  a  spacecraft  of  his  position.  When  his  distance  from  the  centre  of  the  black  hole  is  𝑟 = 1.5𝑅!,  the  observer  stops  and  sends  two  signals  one  second  apart  (as  

Page 125: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    125  

measured  by  his  clocks).  The  spacecraft  observers  will  receive  the  signals  a  time  apart  given  by  

∆𝑡!"# =∆𝑡!"#$

1 − 𝑅!𝑟

 

∆𝑡!"# =1

1 − 11.5

= 1.73𝑠  

H.7.12   Describe  the  concept  of  gravitational  red-­‐shift.  

Students  should  be  aware  that  gravitational  red-­‐shift  is  a  prediction  of  the  general  theory  of  relativity.  

Gravitational  redshift  is  an  effect  that  the  general  theory  of  relativity  predicts  –  clocks  slow  down  in  a  gravitational  field.  In  other  words  a  clock  on  the  ground  floor  of  a  building  will  run  slowly  when  compared  with  a  clock  in  the  attic  –  the  attic  is  further  away  from  the  centre  of  the  earth.    

H.7.13   Solve  problems  involving  frequency  shifts  between  different  points  in  a  uniform  gravitational  field.  

  A  UFO  travels  at  such  a  speed  to  remain  above  one  point  on  the  Earth  at  a  height  of  200km  above  the  Earth’s  surface.  A  radio  signal  of  frequency  of  110MHz  is  sent  to  he  UFO.  What  is  the  frequency  received  by  the  UFP?  

𝑓 = 1.1 ∗ 10!𝐻𝑧  𝑔 = 10𝑚𝑠!!  

∆ℎ = 2.0 ∗ 10!𝑚  ∆𝑓𝑓=𝑔∆ℎ𝑐!

 

∆𝑓 =10 ∗ 2.0 ∗ 10!

3 ∗ 10! ! ∗ 1.1 ∗ 10!  

∆𝑓 = 2.4 ∗ 10!!𝐻𝑧  Therefore,  the  received  frequency:  1.1 ∗ 10! − 2.4 ∗ 10!!= 109999999.998𝐻𝑧 ≈ 1.1 ∗ 10!𝐻𝑧  

H.7.14   Solve  problems  using  the  gravitational  time  dilation  formula.  

   

   

H8  Evidence  to  support  general  relativity       Assessment  statement   Teacher’s  notes    H.8.1   Outline  an  experiment  for  

the  bending  of  EM  waves  by  a  massive  object.  

An  outline  of  the  principles  used  in,  for  example,  Eddington’s  measurements  during  the  1919  eclipse  of  the  Sun  is  sufficient.  

When  the  sun  is  between  the  earth  and  the  star,  the  sun’s  light  would  completely  wipe  out  the  light  from  the  star.  This  is  why  such  an  observation  is  possible  only  during  a  total  solar  eclipse.  The  bending  of  light  that  Eddington  measured  in  1919  was  in  agreement  with  the  Einstein  prediction,  within  experimental  error,  but  the  accuracy  was  not  enough  for  this  to  constitute  a  test  of  the  theory.  

Page 126: IB Physics Syllabus

Marc  W.     Hockerill  Anglo-­‐European  College   IB  Session  May  2012  

    126  

The  measurements  have  since  been  refined  to  include  radio  signals  from  distant  galaxies,  and  these  agree  with  general  relativity  predictions.    

H.8.2   Describe  gravitational  lensing.  

  The  bending  of  light  is  important  to  astronomers  in  the  following  was.  Light  from  a  distant  star  will  be  bent  on  its  way  to  earth  if  it  goes  past  a  massive  star  or  galaxy.  This  means  that  the  star  will  not  be  observed  to  be  at  its  true  position.  In  some  cases  this  leads  to  the  formation  of  multiple  images  of  the  star.  In  this  way  massive  objects  act  as  a  king  of  gravitational  lens.    

H.8.3   Outline  an  experiment  that  provides  evidence  for  gravitational  red-­‐shift.  

The  Pound–Rebka  experiment  (or  a  suitable  alternative,  such  as  the  shift  in  frequency  of  an  atomic  clock)  and  the  Shapiro  time  delay  experiments  are  sufficient.  

Pound-­‐Rebka:  The  decrease  in  frequency  of  a  photon  as  it  climbs  out  of  a  gravitational  field  can  be  measured  in  the  lab.  The  measurements  need  to  be  very  sensitive,  but  they  have  been  successfully  achieved  on  many  occasions.  The  frequencies  of  gamma-­‐ray  photons  were  measured  after  they  ascended  or  descended  a  tower  at  Harvard  university.    Atomic  clock:  Because  they  are  so  sensitive,  comparing  the  difference  in  tie  recorded  by  two  identical  atomic  clocks  can  provide  a  direct  measurement  of  gravitational  redshift.  One  of  the  clocks  is  taken  to  high  altitude  by  a  rocket,  whereas  a  second  one  remains  on  the  ground.  The  clock  that  is  at  the  higher  altitude  will  run  faster.  Shapiro  time  delay:  The  time  taken  for  a  radar  pulse  to  travel  to  another  nearby  planet  and  back  can  be  accurately  recorded.  The  gravitational  field  of  the  sun  can  affect  the  time  taken.  The  extent  of  the  effect  depends  on  the  orientation  of  the  planets  and  the  sun.  The  experiment  was  first  performed  in  the  1960s  and  the  result  confirmed  the  predictions  of  general  relativity.    

           


Recommended