PHYSICS Candidate session number STANDARD LEVEL PAPER 3 · PHYSICS STANDARD LEVEL PAPER 3...

35 pages

N11/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX

Thursday 10 November 2011 (morning)

PHYSICSSTANDARD LEVELPAPER 3

INSTRUCTIONS TO CANDIDATES

• Write your session number in the boxes above.• Do not open this examination paper until instructed to do so.• Answer all of the questions from two of the Options.• Write your answers in the boxes provided.

1 hour

© International Baccalaureate Organization 2011

Examination code

8 8 1 1 – 6 5 0 6

Candidate session number

0 0

0 1 3 6

88116506

–2– N11/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX

Option A — Sight and wave phenomena

A1. Thisquestionisaboutphotopicvisionandscotopicvision.

(a) Statethedifferencebetweenphotopicvisionandscotopicvision. [1]

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(b) Atdusk,thepetalsofaredflowerappeartobemuchdullerthanthesurroundingleaves.

Outline,intermsofthefunctionsoftherodandtheconecellsintheretina,thereasonsforthisobservation. [3]

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–3–

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A2. Thisquestionisaboutstandingwavesinanorganpipe.

(a) Thediagramshowsanorganpipethatisopenatbothends.

organpipe

Thepipeisemittingitslowestfrequencynote.

Onthediagramabove,

(i) sketcharepresentationofthestandingwavesetupinthepipe. [1]

(ii) labelwith the letterP, thepointorpointswithin thepipewhere theairpressureisamaximum. [1]

(iii) labelwiththeletterA,thedisplacementantinodes. [1]

(b) Thelengthofthepipein(a)is1.5m.Anorganpipethatisclosedatoneendhasthesamelowestfrequencynoteasthepipein(a).

Showthatthelengthofthispipeis0.75m. [2]

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A3. Thisquestionisaboutdiffractionandpolarization.

(a) LightfromamonochromaticpointsourceS1isincidentonanarrow,rectangularslit.

S1

slit

θ= 0

screen

Afterpassing through the slit the light is incidentona screen. Thedistancebetweentheslitandscreen isvery largecomparedwith thewidthof theslit.

(i) On the axes below, sketch the variation with angle of diffraction θ of therelative intensity I of the light diffracted at the slit. [2]

I

0 θ

(This question continues on the following page)

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–5–

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(Question A3 continued)

(ii) Thewavelengthofthelightis480nm.Theslitwidthis0.1mmanditsdistancefromthescreenis1.2m.Determinethewidthofthecentraldiffractionmaximumobservedonthescreen. [3]

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(b) JudylooksattwopointsourcesidenticaltothesourceS1in(a).Thedistancebetweenthesources is8.0mmandJudy’seye isatadistanced fromthesources.

Estimate thevalueof d forwhichtheimagesof the twosources formedon the retinaofJudy’seyearejustresolved. [3]

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(Question A3 continued)

(c) Thelightfromapointsourceisunpolarized. Thelightcanbepolarizedbypassingitthroughapolarizer.

Explain, with reference to the electric (field) vector of unpolarized light andpolarized light, the term polarizer. [3]

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0 6 3 6

–7–

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Option B — Quantum physics and nuclear physics

B1. Thisquestionisaboutthephotoelectriceffect.

(a) Thediagramshows thesetupofanexperimentdesigned toverify theEinsteinmodelof thephotoelectriceffect.

monochromaticlight

tungstenelectrodeevacuatedglasstube

Thetungstenelectrodeispositive.

Explain how the maximum kinetic energy of electrons ejected from the positiveelectrode isdetermined. [3]

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0 7 3 6


(Question B1 continued)

(b) Lightof frequency f is shoneonto the tungstenelectrode in (a). Thepotential Vs forwhich thephotoelectriccurrent iszero is recordedfordifferentvaluesof f.

(i) Usingtheaxesbelow,sketchagraphofhowyoumightexpectVstovarywithf. [2]

Vs

0f

(ii) State the Einstein photoelectric equation in a form that relates Vs and f.Define,other than theelectroncharge,anyothersymbols thatyoumightuse. [3]

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0 8 3 6

–9–

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(Question B1 continued)

(iii) Outline how a graph of Vs against f can be used to find the Planck constantand work function of tungsten. [2]

Planckconstant:

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Workfunction:

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(c) Thework functionof tungsten is 4.5eV. Show that thedeBrogliewavelengthof anelectronthathasthisenergyisabout0.6nm. [3]

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B2. Thisquestionisaboutalphaparticles.

(a) Alpha particle scattering experiments suggest that the diameter of the nucleus of agoldatomisabout3×10–14m.

(i) Showthattheenergyofthealphaparticlesthatleadtothisestimateofthenucleardiameterisabout8MeV.(Protonnumberofgold=79) [3]

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(ii) A source of alpha particles used in scattering experiments is the decay of anisotopeofthorium.Statehowsuchdecaysprovideevidencefortheexistenceofnuclearenergy levels. [1]

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(b) Thethoriumisotopein(a)(ii)hasahalf-lifeofseveralthousandyears.Outlinehowthehalf-lifeismeasured. [3]

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1 0 3 6

–11–

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Option C — Digital technology

C1. ThisquestionisaboutCDs.

(a) Outline,withreferencetoitsstructure,howtheinterferenceoflightisusedtorecoverinformationstoredonaCD. [3]

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(b) ThewavelengthoflightusedtoreaddatafromaparticularCDis780nm.EstimatethedepthsofthepitsontheCDsurface. [2]

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C2. Thisquestionisaboutcharge-coupleddevices(CCDs).

(a) DefinethetermmagnificationasrelatedtoaCCD. [1]

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(b) DiscusstheeffectsofmagnificationandresolutiononthequalityoftheimageretrievedfromaCCD. [4]

Magnification:

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Resolution:

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C3. Thisquestionisaboutoperationalamplifiers.

(a) Thecircuitdiagramshowsanoperationalamplifierconnectedasaninvertingamplifier.

R2

VIN

0V

P

R1

VOUT

(i) Explain,withreferencetothepropertiesofanoperationalamplifier,whypointPiseffectivelyatzeropotential. [4]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) DeriveanexpressionforthegainGoftheamplifier. [2]

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(Question C3 continued)

(b) In thecircuitbelow,anoperationalamplifier isusedasacomparator.

+15V

–15V

P LED

The amplifier operates from a !15V supply. If the thermistor reaches a certaintemperature then, toactasawarning, the light-emittingdiode(LED)switcheson.

Describe,withreference to thepotentialatpointP, theoperationof thecircuit. [4]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Option D — Relativity and particle physics

D1. Thisquestionisaboutspecialrelativity,simultaneityandlengthcontraction.

(a) Oneofthetwopostulatesofspecialrelativitymaybestatedas:

“Thelawsofphysicsarethesameforallobserversininertialreferenceframes.”

State

(i) whatismeantbyaninertialframeofreference. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) theotherpostulateofspecialrelativity. [1]

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(Question D1 continued)

(b) Ina thoughtexperiment to illustrate theconceptof simultaneity,Vladimir is standingonthegroundclosetoastraight,levelrailwaytrack. Natashaisinarailwaycarriagethat is travellingalongtherailwaytrackwithconstantspeedv inthedirectionshown.

C 1 C 2

Natasha

v

Vladimir

Natashaissittingonachairthatisequidistantfromeachendofthecarriage.Ateitherend of the carriage are two clocksC 1 and C 2. Next to Natasha is a switch that,when operated, sends a signal to each clock. Theclocksregisterthetimeofarrivalof the signals. At the instant that Natasha and Vladimir are opposite each other,Natasha operates the switch. AccordingtoNatasha,C 1andC2registerthesametimeofarrivalofeachsignal.

Explain, according to Vladimir, whether or not C 1 and C 2 register the same time ofarrival foreachsignal. [4]

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–17–

Turn over



(c) Thespeedvofthecarriageis0.70c.VladimirmeasuresthelengthofthetableatwhichNatashaissittingtobe1.0m.

(i) CalculatethelengthofthetableasmeasuredbyNatasha. [3]

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(ii) Explainwhichobservermeasurestheproperlengthofthetable. [1]

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D2. Thisquestionisaboutelectronsandtheweakinteraction.

(a) State

(i) whatismeantbyanelementaryparticle. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) towhichclassofelementaryparticlestheelectronbelongs. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) Anelectroninanexcitedstateofthehydrogenatomhasanenergyof1.5eV.

Showthatthemaximumtimethattheelectroncanspendinthisstateis2.2×10–16s. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


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(c) Anelectronisoneoftheparticlesproducedinthedecayofafreeneutronintoaproton.Anexchangeparticleisalsoinvolvedinthedecay.

(i) Statethenameoftheexchangeparticle. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) Theweakinteractionhasarangeoftheorderof10–18m.Determine,inGeVc–2,theorderofmagnitudeof themassof theexchangeparticle. [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(iii) It issuggested that theexchangeparticle in theweak interactionarisesfromthedecayofonetypeofquarkintoanother.Withreferencetothequarkstructureofnucleons,statethereasonforthissuggestion. [2]

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Option E — Astrophysics

E1. Thisquestionisaboutstellardistancesandstellarproperties.

luminosity(Sun=1)

106

104

102

1

10–2

10–4

40 20 10 5 2.5 surfacetemperature/×103K

(a) OnthegridoftheHertzsprung–Russell(HR)diagramshown,drawalinetorepresenttheapproximatepositionof themainsequence. [2]

(b) Barnard’sstarisamainsequencestarthatis1.8pcfromEarth.

(i) Definetheparsec. [1]

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(Question E1 continued)

(ii) CalculatetheparallaxangleofBarnard’sstarasmeasuredfromEarth. [1]

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(c) Outline, using your answer to (b)(ii) and a labelled diagram, how the distance ofBarnard’sstar fromEarth ismeasured. [3]

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(Question E1 continued)

(d) TheapparentbrightnessofBarnard’sstaris3.6×10–12Wm–2anditssurfacetemperatureis3800K.

Giventhat1pc=3.1×1016m,showforBarnard’sstar

(i) thatitsluminosityisoftheorderof1023W. [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) thatitssurfaceareaisoftheorderof1016m2. [3]

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E2. Thisquestionisaboutthedevelopmentoftheuniverse.

(a) Light from distant galaxies, as seen by an observer on Earth, shows a red-shift.Outlinewhy thisobservationsuggests that theuniverse isexpanding. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) Thefuturedevelopmentof theuniverse isdeterminedby the relationshipbetween theapparentdensityoftheuniverseandthecriticaldensity.

(i) Definethetermcritical density. [1]

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(ii) Discuss how the density of the universe determines its future development.Your discussion should include one problem associated with determining thedensityof theuniverse. [4]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Pleasedo notwriteonthispage.

Answerswrittenonthispagewillnotbemarked.

2 4 3 6

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Turn over


Option F — Communications

F1. Thisquestionisaboutmodulationandbandwidth.

(a) Distinguishbetweenasignalwaveandacarrierwave. [2]

Signalwave: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Carrierwave: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


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(Question F1 continued)

(b) Audio signals can be converted to electrical signals and then transmitted using aprocesscalledmodulation.

Describe,withreferencetoyouranswerto(a),theprocessof

(i) amplitudemodulation. [2]

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(ii) frequencymodulation. [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


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–27–

Turn over



(c) A carrier wave of frequency fc is amplitude modulated by a signal wave of asingle frequency fs. The bandwidth of the modulated wave is 10kHz. There are1.8×104 complete oscillations of the carrier wave between two adjacent amplitudemaximaof thecarrierwave.

(i) Explain, with reference to the sideband frequencies of the modulated wave,why the frequency fs=5.0kHz. [3]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) Showthatthefrequencyfc=90MHz. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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F2. Thisquestionisaboutthedigitaltransmissionofinformation.

(a) State two advantagesofusingdigital rather thananalogue signals in the transmissionof information. [2]

1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(b) Thediagramshowstheessentialcomponentsofadigitaldatatransmitter.

analoguedata

clock

sample and hold

parallel-to- ADC serial modulator converter

transmission

Statethefunctionofthe

(i) clock. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) ADC. [1]

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Turn over



(c) The transmitter in (b) is designed to transmit data at a rate of 2.0Mbs–1 using an8-bitbinarycode.Calculatethefrequencyatwhichthesampleandholdmustoperate. [1]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


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(d) Digital information that is transmittedalongopticfibres isoften subject todispersiondue to light takingdifferentpathsalong thefibre.

pathB

pathA

claddingn=1.41 coren=1.44

Inaparticularopticfibreoflength2.00×104m,therefractiveindexofthecladdingis1.41andthatofthecoreis1.44.

Twopossible lightpathsare:

PathA: along thecentralaxisof thefibre.

PathB: the path followed by light that is initially incident on the cladding atan angle just greater than the critical angle.

Thespeedof light in thecoreof thefibreis2.10×108ms–1.

Show that the difference in transmission time between path B and path A isapproximately 2.0μs. [3]

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Turn over




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Option G — Electromagnetic waves

G1. Thisquestionisabouttheelectromagneticspectrum.

(a) Outlinethenatureofelectromagneticwaves. [2]

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(b) Explainwhytheozonelayerabsorbsultraviolet(UV)radiation. [2]

. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

G2. Thisquestionisaboutthecompoundmicroscope.

(a) A convex lens used as a magnifying glass has a focal length of fe. Derive anexpression for the angularmagnificationwhen the image is at thenearpointD. [3]

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Turn over


(Question G2 continued)

(b) Theconvexlensin(a)isusedastheeyepieceofacompoundmicroscope.

objectivelens eyepiecelens

object

fo fo fe fe

An object is placed 1.5cm from the objective lens. The focal length fo of theobjective lens is 1.0cm.

(i) Drawrayson thediagramtoshowtheformationof the intermediate image. [2]

(ii) Calculate thedistanceof the intermediate imagefromtheobjective lens. [2]

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(Question G2 continued)

(c) Lenses used in the compound microscope are subject to spherical aberration andchromaticaberration.

Explainwhatismeantby

(i) sphericalaberration. [2]

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(ii) chromaticaberration. [2]

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G3. Thisquestionisabouttwo-sourceinterference.

Coherentlightisincidentatrightanglestoadoubleslit.Aninterferencepatternisobservedonadistantscreen.

(not to scale)

coherentlight

doubleslit screen

(a) The width of both slits is nowincreased without altering their separation. Stateandexplaintheeffect,ifany,ofthisincreaseontheintensityofthebrightfringesandtheappearanceofthedarkfringes. [3]

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(b) Thenumberofslitsisnowincreased.Stateandexplaintheeffect,ifany,thishasontheappearanceofthebrightfringes. [2]

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PHYSICS Candidate session number STANDARD LEVEL PAPER 3 · PHYSICS STANDARD LEVEL PAPER 3...

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