Physics HL

2211-6507 23 pages

M11/4/PHYSI/HPM/ENG/TZ1/XX

Wednesday 11 May 2011 (afternoon)

PHYSICSHIGHER LEVELPAPER 1

INSTRUCTIONS TO CANDIDATES

• Do not open this examination paper until instructed to do so.• Answer all the questions.• For each question, choose the answer you consider to be the best and indicate your choice

on the answer sheet provided.

1 hour

© International Baccalaureate Organization 2011

22116507

2211-6507

–2– M11/4/PHYSI/HPM/ENG/TZ1/XX

1. ThecurrentI througharesistorismeasuredwithadigitalammetertobe0.10A.TheuncertaintyinthecalculatedvalueofI 2willbe

A. 1%.

B. 2%.

C. 5%.

D. 20%.

2. Josephrunsalongalongstraighttrack.Thevariationofhisspeedvwithtimetisshownbelow.

12

10

8

6

4

2

00

5 10 15 20 25 30t /s

v / ms–1

After25secondsJosephhasrun200m.Whichofthefollowingiscorrectat25seconds?

Instantaneous speed / m s–1 Average speed / m s–1

A. 8ms–1 8ms–1

B. 8ms–1 10ms–1

C. 10ms–1 8ms–1

D. 10ms–1 10ms–1

2211-6507

–3–

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3. Askydiverofmass80kgfallsverticallywithaconstantspeedof50 1ms− .Theupwardforceactingontheskydiverisapproximately

A. 0N.

B. 80N.

C. 800N.

D. 4000N.

4. Aparticleofmassmismovingwithconstantspeedvinuniformcircularmotion.Whatisthetotalworkdonebythecentripetalforceduringonerevolution?

A. Zero

B. mv2

2 C. mv2

D. 2πmv2

5. Acyclistridesaroundacirculartrackatauniformspeed.Whichofthefollowingcorrectlygivesthenethorizontal forceon thecyclistatanygiveninstantoftime?

Net horizontalforce along direction of motion

Net horizontalforce normal to direction of motion

A. zero zero

B. zero nonzero

C. nonzero zero

D. nonzero nonzero

2211-6507


6. Asolidpieceoftungstenmeltsintoliquidwithoutachangeintemperature.Whichofthefollowingiscorrectforthemoleculesintheliquidphasecomparedwiththemoleculesinthesolidphase?

Kinetic energy Potential energy

A. same greater

B. same same

C. greater greater

D. greater same

7. Aheaterofconstantpowerheatsaliquidofmassmandspecificheatcapacityc.Thegraphbelowshowshowthetemperatureoftheliquidvarieswithtime.

time

temperature

00

Thegradientofthegraphiskandnoenergyislosttothesurroundings.Whatisthepoweroftheheater?

A. kmc

B. kmc

C. mck.

D. 1kmc

.

2211-6507

–5–

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8. Whichofthefollowingisequivalenttotheprincipleofenergyconservation?

A. Newton’sfirstlaw

B. Thefirstlawofthermodynamics

C. Newton’ssecondlaw

D. Thesecondlawofthermodynamics

9. An ideal gas undergoes the thermodynamic changes represented in the P –V diagrambelow(P Q R P)→ → → .

0 0.5 1.0 1.50

1

2

3 P Q

R

Volume/×m3

Pressure/×105Pa

Whichofthefollowingisthenetworkdonebythegasinacycle?

A. 4.5×105J

B. 3.0×105J

C. 1.0×105J

D. Zero

2211-6507


10. Thegraphshowshowthedisplacementvarieswithtimeforanobjectundergoingsimpleharmonicmotion.

time

displacement

Whichgraphshowshowtheobject’saccelerationavarieswithtimet?

B.

t

a

D.

t

a

A.

t

a

C.

t

a

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–7–

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11. A transversewave travels from left to right. Thegraphbelowshowshow,ataparticular instantoftime,thedisplacementofparticlesinthemediumvarieswithposition.Whicharrowrepresentsthedirectionof thevelocityof theparticlemarkedP?

position0 0

ABD

C

P

displacement

12. Lighttravelsfromairintoglassasshownbelow.

air glass 80

30

normal

Therefractiveindexoftheglassis

A. sinsin

3080

B. sinsin

8030

C. sinsin

6010

D. sinsin

1060

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13. The fundamental (first harmonic) frequency for a particular organ pipe is 330Hz. The pipe is closedatoneendbutopenattheother.Whatisthefrequencyofitsnexthighestharmonic?

A. 110Hz

B. 165Hz

C. 660Hz

D. 990Hz

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–9–

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14. Light is diffracted at a single slit. Which of the following graphs best represents how theintensityIof thediffracted lightvarieswith thediffractionangleθ?

A.

B.

C.

D.

θ

θ

I

θ

I

θ

I

I

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15. Lightofwavelengthλisemittedbytwopointsources.Thelightpassesthroughacircularapertureof diameterband is received by an observer. The angular separation of the sources from the observer’sposition isθ . The sources arenot resolvedby theobserver. Whichof the following mathematicalrelationshipsapplies?

S1

S2

θ b observer

A. θλ<1 22.b

B. θλ>1 22.b

C. θλ=1 22.b

D. θλ=b

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–11–

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16. Plane-polarized light is incident normally on a polarizer which is able to rotate in the plane perpendiculartothelightasshownbelow.

incident light transmitted light

polarizer

polarizer

incident light transmitted light

Indiagram1, theintensityof theincident light is 28Wm− andthetransmittedintensityof light is22Wm− .Diagram2showsthepolarizerrotated90fromtheorientationindiagram1.Whatisthe

newtransmittedintensity?

A. 20Wm−

B. 22Wm−

C. 26Wm−

D. 28Wm−

Diagram 1

Diagram 2

(intensity = 28Wm− )



2211-6507


17. Oneelectronvoltisequalto

A. 1 6 10 19. × − C.

B. 1 6 10 19. × − J.

C. 1 6 10 19. × − V.

D. 1 6 10 19. × − W.

18. Alight-dependentresistor(LDR)andafixedresistorareconnectedinthepotentialdividercircuitshownbelow.

5.0V

10 kΩ

Thevoltmeterreads3.0V.Whichofthefollowingchangeswouldcausethereadingonthevoltmetertoincrease?

A. SwappingthepositionsoftheLDRandthefixedresistor

B. Increasingtheresistanceofthefixedresistor

C. IncreasingtheamountoflightshiningontheLDR

D. DecreasingtheamountoflightshiningontheLDR

2211-6507

–13–

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19. Acoilofwirehasalargenumberofturns.Itismovedrelativetoafixedmagneticfield.Theemfgeneratedwillbeequaltothe

A. rateofchangeofmagneticfluxlinkage.

B. rateofchangeofthemagneticfluxthroughthecoil.

C. changeofmagneticfluxlinkage.

D. changeofthemagneticfluxthroughthecoil.

20. AsinusoidalacpowersupplyhasrmsvoltageVandsuppliesrmscurrentI.Whatisthemaximuminstantaneouspowerdelivered?

A. 2VI

B. 2VI

C. VI

D. VI2

21. Anelectronpassesthenorthpoleofabarmagnetasshownbelow.

S N electron

Whatisthedirectionofthemagneticforceontheelectron?

A. Intothepage

B. Outofthepage

C. Totheleft

D. Totheright

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22. Apositivelychargedparticlefollowsacircularpathasshownbelow.

Whichof thefollowingelectricfieldscouldhavecaused thechargedparticle to followtheabovepath?

A. B.

C. D.

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–15–

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23. Astoneisthrownfromacliffanditlandsintheseaasshownbelow.Airresistanceisnegligible.

cliff

sea

Whichofthefollowingstatementsiscorrectwhilstthestoneisinmotion?

A. Theverticalcomponentofthestone’sdisplacementisconstant. B. Thehorizontalcomponentofthestone’sdisplacementisconstant. C. Theverticalcomponentofthestone’svelocityisconstant. D. Thehorizontalcomponentofthestone’svelocityisconstant.

2211-6507


24. Which of the diagrams below best represents the equipotential surfaces around two identical pointmasses?

A.

D.

C.

B.

2211-6507

–17–

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25. WhichofthefollowinggraphsrepresentshowthetotalenergyEofanorbitingsatellitevarieswithorbitalradiusr?

A. E

r 0 0

B. E

r 0 0

C. E r 0 0

D.r 0 0

E

2211-6507


26. Which of the following gives the correct number of protons and neutrons in a nucleus ofcarbon-14 6

14C( ).

Protons Neutrons

A. 8 6

B. 6 8

C. 14 6

D. 6 14

27. Whichofthefollowingcausesthegreatestnumberofionizationsasitpassesthrough1cmofair?(Thetotalenergyoftheionizingradiationisthesame.)

A. Analphaparticle

B. Abetaparticle

C. Agamma-ray

D. AnX-ray

2211-6507

–19–

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28. Thediagrambelowshowsacircuitinvolvingaphotoelectriccell.WhenUVlightisshoneontothemetalcathode,electronsareemittedestablishingaphotocurrent.

µ A

UV light

Whichofthefollowingchangescouldcausethephotocurrenttostop?

A. Increasingthepotentialdifferenceofthepowersupply.

B. IncreasingthefrequencyoftheUVlight.

C. IncreasingtheintensityoftheUVlight.

D. Changingthemetalsurfacetoonewithasmallerworkfunction.

29. ElectronsareacceleratedfromrestthroughapotentialdifferenceV. TheirdeBrogliewavelengthisλ. Theacceleratingpotentialdifference is increased to2V. Whichof the followinggives thenewdeBrogliewavelength?

A. 2λ

B. 2λ

C. λ2

D. λ2

2211-6507


30. WhichofthefollowingenergyleveldiagramsbestrepresentsthekineticenergyEKofthe“electroninabox”model,whereanelectronisconfinedtomoveinonedimension?Thevariablenisaninteger(1,2,3,4etc.).

A.

0

n = 1

n = 2

n = 3

EK

B.

0

n = 1

n = 2n = 3

EK

C.

0

EK

n = 1

n = 2

n = 3

D.

0

n = 1n = 2n = 3

EK

2211-6507

–21–

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31. A proton is confined within a nucleus. What is the order of magnitude of the uncertainty initsmomentum?

A. 10–30Ns

B. 10–20Ns

C. 10–10Ns

D. 1Ns

32. Different nuclides spontaneously undergo radioactive decay, emitting eitherα, β orγ radiation.Whichof thefollowingcorrectly identifiesall theemissions thatdo nothavediscreteenergies?

A. α

B. β

C. γ

D. αandγ

33. Thehalf-lifeofaradioactiveisotopeis10days.Whatisthepercentageofthesampleremainingafter25days?

A. 0%

B. 18%

C. 25%

D. 40%

2211-6507


34. Thedesignofanuclearpowerstationincludesanelectricalgenerator.Thefunctionofthegeneratoristoconvert

A. nuclearenergytokineticenergy.

B. kineticenergytothermalenergy.

C. thermalenergytoelectricalenergy.

D. kineticenergytoelectricalenergy.

35. AwindturbineproducesapowerPwhenthewindspeedisv.Assumingthattheefficiencyoftheturbineisconstant,thebestestimateforthepowerproducedwhenthewindspeedbecomes2vis

A. 2P.

B. 4P.

C. 6P.

D. 8P.

36. Whatisthephenomenonthatbestexplainswhygreenhousegasesabsorbinfraredradiation?

A. Resonance

B. Interference

C. Refraction

D. Diffraction

37. Whichofthefollowingfuelshasthehighestenergydensity?

A. Coal

B. Gas

C. Oil

D. Uranium

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38. The decimal number 18 is represented in binary by a five bit digital number. Which of thefollowingcorrectly identifies the least-significantbit (LSB)and themost-significantbit (MSB)ofthebinarynumber?

LSB MSB

A. 0 0

B. 0 1

C. 1 0

D. 1 1

39. ACDstoresdigitalinformationwithaseriesofbumps(lands)andpits.Thedepthofeachpitisd.Whichofthefollowingisthemostappropriatewavelengthoflaserlighttorecovertheinformation?

A. d2

B. d

C. 2d

D. 4d

40. Whichofthefollowingdigitaldevicesisleastlikelytouseacharge-coupleddevice(CCD)initsconstruction?

A. Faxmachine

B. Camera

C. Watch

D. X-raymachine

47 pages

M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX

Wednesday 11 May 2011 (afternoon)

PHYSICSHIGHER LEVELPAPER 2


• Write your session number in the boxes above.• Do not open this examination paper until instructed to do so.• Section A: answer all questions.• Section B: answer two questions.• Write your answers in the boxes provided.

2 hour 15 minutes


Examination code

2 2 1 1 – 6 5 0 8

Candidate session number

0 0

22116508

0148

–2– M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX

SECTION A

Answer all questions. Write your answers in the boxes provided.

A1. Dataanalysisquestion.

Thephotographbelowshowsamagnifiedimageofadarkcentraldiscsurroundedbyconcentricdarkrings.Theseringswereproducedasaresultofinterferenceofmonochromaticlight.

D

The graph below shows how the ring diameterDvaries with the ring numbern.The innermost ring corresponds to n = 1. The corresponding diameter is labelled in thephotograph. Errorbars for thediameterDareshown.

D/cm

1.8

1.6

1.4

1.2

1.0

0.8

0.6

0.4

0.2

0.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

n

(This question continues on the following page)

0248

–3–

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(Question A1 continued)

(a) StateonepieceofevidencethatshowsthatDisnotproportionalton. [1]

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

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(b) Onthegraphopposite,drawthelineofbest-fitforthedatapoints. [2]

(c) ItissuggestedthattherelationshipbetweenDandnisoftheform

D cnp=

wherecandpareconstants.

Explainwhatgraphyouwouldplotinordertodeterminethevalueofp. [3]

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

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0348



(d) Theorysuggeststhatp 12= andsoD kn2 = where k c=( )2 .

AgraphofD2againstnisshownbelow.Errorbarsareshownforthefirstandlastdatapointsonly.

D2/cm2

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0.00 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

n

(i) Using the graph on page 2, calculate the percentage uncertainty inD2, of theringn=7. [2]

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


0448

–5–

Turn over



(ii) Based on the graph opposite, state one piece of evidence that supports therelationshipD kn2 = . [1]

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

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

(iii) Use the graph opposite to determine the value of the constantk, as well asitsuncertainty. [4]

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

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(iv) Statetheunitfortheconstantk. [1]

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0548


A2. Thisquestionisaboutaprobeinorbit.

AprobeofmassmisinacircularorbitofradiusraroundasphericalplanetofmassM.

(diagram not to scale)

vm

M

r

(a) Statewhy thework done by the gravitational force during one full revolution of theprobe iszero. [1]

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

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(b) Deducefortheprobeinorbitthatits

(i) speedisv GMr

= . [2]

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

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

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

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


probe

planet

0648

–7–

Turn over



(ii) totalenergyisE GMmr

= −2

. [2]

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

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(c) Itisnowrequiredtoplacetheprobeinanothercircularorbitfurtherawayfromtheplanet.Todothis,theprobe’sengineswillbefiredforaveryshorttime.

Stateandexplainwhethertheworkdoneontheprobebytheenginesispositive,negativeorzero. [2]

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0748


A3. Thisquestionisaboutpolarization.

(a) Statewhatismeantbypolarizedlight. [1]

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

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(b) Unpolarized light is incidenton thesurfaceofaplastic. Theangleof incidence isθ .Thereflected light isviewed throughananalyserwhose transmissionaxis isvertical.

transmitted light

θ θ analyser

normal

plastic

Thevariationwithθ oftheintensityIofthetransmittedlightisshowninthegraph.

020 4030 50 7060

I

θ / degrees


0848

–9–

Turn over



(i) Explain why there is an angle of incidence, for which the intensity of thetransmittedlightiszero. [2]

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

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(ii) Calculatetherefractiveindexoftheplastic. [2]

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0948



(c) Unpolarized light from a source is split, so that there is a path difference of half awavelengthbetweenthetwobeams.

P

lens

screen

polarizers

AlensbringsthelighttofocusatpointPonascreen.Thelensdoesnotintroduceanyadditionalpathdifference.

State andexplainwhether any lightwouldbeobservedatP, in the case inwhich thepolarizershavetheirtransmissionaxes

(i) parallel. [2]

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(ii) atrightanglestoeachother. [2]

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1048

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Pleasedo notwriteonthispage.

Answerswrittenonthispagewillnotbemarked.

1148


A4. Thisquestionisaboutthermodynamics.

TheP–Vdiagramshowstheexpansionofafixedmassofanidealgas,fromstateAtostateB.

P / ×105 Pa

0

2

4

6

8 A

B

0 42 6 8V / × −10 3 3m

ThetemperatureofthegasinstateAis400K.

(a) CalculatethetemperatureofthegasinstateB. [1]

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1248

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(b) (i) CalculatetheworkdonebythegasinexpandingfromstateAtostateB. [2]

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(ii) Determine the amount of thermal energy transferred during the expansion fromstateAtostateB. [2]

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(c) ThegasisisothermallycompressedfromstateBbacktostateA.

(i) UsingtheP–Vdiagramaxesopposite,drawthevariationofpressurewithvolumefor this isothermalcompression. [1]

(ii) Stateandexplainwhetherthemagnitudeofthethermalenergytransferredinthiscasewouldbe less than, equal toor greater than the thermalenergy transferredin (b)(ii). [2]

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1348


A5. Thisquestionisaboutcircularmotion.

A ball ofmass 0.25kg is attached to a string and ismade to rotatewith constant speedvalongahorizontalcircleofradiusr = 0 33. m. Thestringisattachedtotheceilingandmakesanangleof30with thevertical.

vertical

r = 0.33 m

30

(a) (i) Onthediagramabove,drawandlabelarrowstorepresenttheforcesontheballin thepositionshown. [2]

(ii) Stateandexplainwhethertheballisinequilibrium. [2]

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1448

–15–

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(b) Determinethespeedofrotationoftheball. [3]

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1548


SECTION B

This section consists of four questions: B1, B2, B3 and B4. Answer two questions. Write your answers in the boxes provided.

B1. Thisquestionisintwoparts. Part 1 isaboutcharge-coupleddevices(CCDs)andphotons.Part 2isaboutsimpleharmonicoscillations.

Part 1 CCDsandphotons

(a) StateonefactorthataffectstheresolutionofanimageobtainedwithaCCD. [1]

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(b) StateoneadvantageofaCCDimage,comparedtoanimageonordinaryphotographicfilm. [1]

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(Question B1, part 1 continued)

(c) Light of intensity 5 3 10 3 2. × − −W m and frequency 3 9 1014. × Hz is incident on a pixelof aCCD. Theareaof thepixel is4 2 10 12 2. × − m and thequantumefficiency is80%.Thecapacitanceofthepixelis14pF.

(i) Show that the number of photons incident on the pixel of theCCDper secondis8 6 104. .× [3]

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(ii) Calculatethechargethataccumulatesinthepixelduringatimeof25ms. [2]

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(iii) Determinethepotentialdifferenceattheendsofthepixel. [1]

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1748



(iv) Calculatethemomentumofoneoftheincidentphotons. [1]

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(v) Usingyouranswerto(c)(iv),estimatethepressureexertedbythephotonsin(c)(i)onthepixeloftheCCD. [2]

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1948


(Question B1 continued)

Part 2 Simpleharmonicoscillations

Alongitudinalwavetravelsthroughamediumfromlefttoright.

Graph1showsthevariationwithtimetofthedisplacementxofaparticlePinthemedium.

Graph 1

x/cm

0 0.1 0.2 0.3t / s

2

1

0

–1

–2

displacementto the left

displacementto the right

(a) ForparticleP,

(i) statehowgraph1showsthatitsoscillationsarenotdamped. [1]

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2048

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(ii) calculatethemagnitudeofitsmaximumacceleration. [2]

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(iii) calculateitsspeedatt = 0 12. s. [2]

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(iv) stateitsdirectionofmotionatt = 0 12. s. [1]

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(b) Graph2 shows the variationwith positiondof the displacementxof particles in themediumataparticularinstantoftime.

Graph 2

2

1

0

–1

–2

x / cm

0 4 8 12 162 6 10 14 18 2220d / cm



Determineforthelongitudinalwave,usinggraph1andgraph2,

(i) thefrequency. [2]

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(ii) thespeed. [2]

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2248

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Graph 2 – reproducedtoassistwithanswering(c)(i).

2

1

0

–1

–2

x / cm

0 4 8 12 162 6 10 14 18 2220d / cm



(c) Thediagramshowstheequilibriumpositionsofsixparticlesinthemedium.

0 5 10 15 20d / cm

(i) Onthediagramabove,drawcrossestoindicatethepositionsofthesesixparticlesat the instantof timewhen thedisplacement isgivenbygraph2. [3]

(ii) Onthediagramabove, labelwiththeletterCaparticlethat isat thecentreofacompression. [1]

2348


B2. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutmechanicsandthermalphysics.Part 2isaboutnuclearphysics.

Part 1 Mechanicsandthermalphysics

Thegraphshowsthevariationwithtimetofthespeedvofaballofmass0.50kg,thathasbeenreleasedfromrestabovetheEarth’ssurface.

0 42 6 108

10

5

20

25

15

0

v / m s–1

t / s

The force of air resistance is not negligible. Assume that the acceleration of free fall isg = −9 81 2. ms .

(a) State, without any calculations, how the graph could be used to determine thedistancefallen. [1]

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(b) (i) In the space below, draw and label arrows to represent the forces on the ballat2.0s. [1]

ball att = 2.0 s

Earth’s surface

(ii) Use the graph opposite to show that the acceleration of the ball at 2.0s isapproximately 4 2ms− . [2]

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(iii) Calculatethemagnitudeoftheforceofairresistanceontheballat2.0s. [2]

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2548



(iv) Stateandexplainwhethertheairresistanceontheballatt=5.0sissmallerthan,equaltoorgreaterthantheairresistanceatt=2.0s. [2]

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2648

–27–

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(c) After10stheballhasfallen190m.

(i) Showthatthesumofthepotentialandkineticenergiesoftheballhasdecreasedby780J. [3]

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(ii) Thespecificheatcapacityoftheballis480 1 1J kg K− − .Estimatetheincreaseinthetemperatureoftheball. [2]

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(iii) Stateanassumptionmadeintheestimatein(c)(ii). [1]

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2748




2848

–29–

Turn over



Part 2 Nuclearphysics

(a) (i) Definebinding energy ofanucleus. [1]

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(ii) The mass of a nucleus of plutonium 94239 Pu( ) is 238.990396u. Deduce that the

bindingenergypernucleonforplutoniumis7.6MeV. [3]

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2948



(b) ThegraphshowsthevariationwithnucleonnumberAofthebindingenergypernucleon.

5

4

3

2

9

8

7

6

1

00 804020 10060 180140120 200 220 240160

binding energy per nucleon / MeV

nucleon number A

Plutonium 94239 Pu( ) undergoesnuclearfissionaccordingtothereactiongivenbelow.

94239 Pu n Sr Ba n+ → + +0

13891

56146

01x

(i) Calculatethenumberxofneutronsproduced. [1]

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3048

–31–

Turn over



(ii) Usethegraphtoestimatetheenergyreleasedinthisreaction. [2]

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(c) Stable nucleiwith amass number greater than about 20, containmore neutrons thanprotons.Byreferencetothepropertiesofthenuclearforceandoftheelectrostaticforce,suggestanexplanationforthisobservation. [4]

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3148


B3. Thisquestionisintwoparts.Part 1isaboutquantumaspectsoftheelectron.Part 2isaboutelectriccircuits.

Part 1 Quantumaspectsoftheelectron

The wavefunction ψ for an electron confined to move within a “box” of linear sizeL = × −1 0 10 10. m.,isastandingwaveasshown.

x /× −10 10 m0.0 0.40.2 0.6 1.00.8

ψ

(a) Statewhatismeantbyawavefunction. [1]

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(b) Statethepositionnearwhichthiselectronismostlikelytobefound. [1]

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3248

–33–

Turn over



(c) Calculatethemomentumoftheelectron. [2]

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(d) Theenergy,injoules,oftheelectroninahydrogenatom,isgivenbyEn

= − × −2 18 10 18

2

.

wherenis a positive integer. Calculate the wavelength of the photon emitted in atransitionfromthefirstexcitedstateofhydrogentothegroundstate. [3]

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3348



(e) The electron stays in the first excited state of hydrogen for a time of approximately∆ = × −t 1 0 10 10. s.

(i) Determinetheuncertaintyintheenergyoftheelectroninthefirstexcitedstate. [2]

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(ii) Suggest, with reference to your answer to (e)(i), why the photons emitted intransitionsfromthefirstexcitedstateofhydrogentothegroundstatewill,infact,haveasmall rangeofwavelengths. [2]

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3448

–35–

Turn over



(f) Diagram1showsthethreelowestenergylevelsforanelectroninthehydrogenatom.

E

0

E

0

electron in hydrogen electron in a boxDiagram 1 Diagram 2

Usingtheenergyaxisondiagram2,drawthethreelowestenergylevelsfortheelectroninaboxmodel.Youdonothavetoputanynumbersontheverticalaxis. [2]


3548



Part 2 Electriccircuits

(a) Define

(i) electromotive force(emf)ofabattery. [1]

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(ii) electrical resistanceofaconductor. [1]

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3648

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Turn over



(b) Abatteryofemfεandnegligibleinternalresistanceisconnectedinseriestotworesistors.ThecurrentinthecircuitisI.

V1 V2

I

R1 R2

ε

(i) Stateanequationgivingthetotalpowerdeliveredbythebattery. [1]

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(ii) The potential difference across resistor R1 isV1 and that across resistorR2 isV2.Usingthelawoftheconservationofenergy,deducetheequationbelow.

ε = +V V1 2

[2]

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3748



(c) ThegraphshowstheI-Vcharacteristicsoftwoconductors,XandY.

0.4

0.2

I / A

V / V

0.8

1.0

0.6

0.00 21 3 54

Y

X

On theaxesbelow,sketchgraphs toshowthevariationwithpotentialdifferenceVoftheresistanceofconductorX(labelthisgraphX)andconductorY(labelthisgraphY).Youdonotneed toputanynumberson theverticalaxis. [3]

R / Ω

V / V0 21 3 54


3848

–39–

Turn over



(d) Theconductorsin(c)areconnectedinseriestoabatteryofemfε andnegligibleinternalresistance.

I

X Y

ε

Thepowerdissipatedineachofthetworesistorsisthesame.

Usingthegraphgivenin(c),

(i) determinetheemfofthebattery. [2]

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(ii) calculatethetotalpowerdissipatedinthecircuit. [2]

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3948


B4. Thisquestionisintwoparts.Part 1isabouttheenergybalanceoftheEarth.Part 2isaboutmotioninamagneticfieldandelectromagneticinduction.

Part 1 EnergybalanceoftheEarth

(a) The intensity of the Sun’s radiation at the position of the Earth is approximately1400 2W m− .

SuggestwhytheaveragepowerreceivedperunitareaoftheEarthis350 2W m− . [2]

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4048

–41–

Turn over



(b) The diagram shows a simplifiedmodel of the energy balance of the Earth’s surface.Thediagramshowsradiationenteringor leaving theEarth’ssurfaceonly.

transmitted throughatmosphere245 W m–2

atmosphere TA = 242 K

Earth’s surface TE

radiated by Earth’ssurface = σ 4ET

radiated by atmosphere

0.700 σ 4 A T

The average equilibrium temperature of the Earth’s surface is TE and that of theatmosphereisTA K= 242 .

(i) Usingthedatafromthediagram,statetheemissivityoftheatmosphere. [1]

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(ii) Show that the intensity of the radiation radiated by the atmosphere towards theEarth’ssurfaceis136 2W m− . [1]

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4148



(iii) ByreferencetotheenergybalanceoftheEarth’ssurface,calculateTE. [2]

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4248

–43–

Turn over



(c) (i) OutlineamechanismbywhichpartoftheradiationradiatedbytheEarth’ssurfaceisabsorbedbygreenhousegasesintheatmosphere. [3]

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(ii) Suggestwhy the incomingsolar radiation isnotaffectedby themechanismyououtlinedin(c)(i). [2]

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(iii) Carbon dioxide (CO2) is a greenhouse gas. State one source and one sink(objectthatremovesCO2)ofthisgas. [2]

Source: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Sink: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .


4348



Part 2 Motioninamagneticfieldandelectromagneticinduction

Anelectron, thathasbeenaccelerated fromrestbyapotentialdifferenceof250V,entersaregionofmagneticfieldofstrength0.12Tthatisdirectedintotheplaneofthepage.

(a) Theelectron’spathwhileintheregionofmagneticfieldisaquartercircle.Showthatthe

(i) speedoftheelectronafteraccelerationis9 4 106 1. .× −ms [2]

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4448

–45–

Turn over



(ii) radiusofthepathis4 5 10 4. .× − m [2]

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(iii) timetheelectronspendsintheregionofmagneticfieldis7 5 10 11. .× − s [1]

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4548



(b) Thediagrambelowshows themomentumof theelectronas it entersand leaves theregion ofmagnetic field. Themagnitude of the initial momentum and of the finalmomentumis8 6 10 24. .× − Ns

pinitial

pfinal

(i) Onthediagramabove,drawanarrowtoindicatethevectorrepresentingthechangeinthemomentumoftheelectron. [1]

(ii) Show that the magnitude of the change in the momentum of the electron is1 2 10 23. × − Ns. [1]

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(iii) Estimatethemagnitudeoftheaverageforceontheelectron. [1]

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4648

M11/4/PHYSI/HP2/ENG/TZ1/XX–47–


(c) A square loop of conductingwire is placed near a straightwire carrying a constantcurrentI.Thewireisinthesameplaneastheloop.

current I

loop

v

Theloopismadetomovewithconstantspeedvtowardsthewire.

(i) Explain,byreferencetoFaraday’sandLenz’slawsofelectromagneticinduction,whyworkmustbedoneontheloop. [3]

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(ii) Suggestwhatbecomesoftheworkdoneontheloop. [1]

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4748



4848

47 pages


Thursday 12 May 2011 (morning)

Physicshigher levelPaPer 3


• 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 15 minutes


Examination code

2 2 1 1 – 6 5 0 9

Candidate session number

0 0

22116509

0148




0248

–3–

Turn over


Option E — Astrophysics

E1. Thisquestionisaboutsomeoftheplanetsinthesolarsystem.

FouroftheplanetsinthesolarsystemareMars,Venus,JupiterandNeptune.

(a) ListtheseplanetsinorderofincreasingdistancefromtheSun.

NearesttheSun

FurthestfromtheSun

[2]

(b) Listtheseplanetsinorderofdecreasingdiameter.

Largestdiameter

Smallestdiameter

[2]

0348


E2. Thisquestion isabout theHertzsprung–Russell (HR)diagramandusing it todeterminesomepropertiesofstars.

ThediagrambelowshowsthegridofaHRdiagram,onwhichthepositionsofselectedstarsareshown.(LS=luminosityoftheSun.)

A B

luminosityL /LS

surfacetemperatureT /K

1 0 105. ×

1 0 103. ×

1 0 101. ×

1 0 10 1. × −

1 0 10 3. × −

3 0 104. × 1 2 104. × 3 0 103. ×

(a) (i) Drawacirclearoundthestarsthatareredgiants.LabelthiscircleR.

(ii) Drawacirclearoundthestarsthatarewhitedwarfs.LabelthiscircleW.

(iii) Drawalinethroughthestarsthataremainsequencestars.

[1]

[1]

[1]


0448

–5–

Turn over


(Question E2 continued)

(b) Explain,withoutdoinganycalculation,howastronomerscandeducethatstarBhasalargerdiameterthanstarA. [3]

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(c) UsingthefollowingdataandinformationfromtheHRdiagram,showthatstarAisatadistanceofabout800pcfromEarth.

ApparentbrightnessoftheSun = × −1 4 103 2. Wm ApparentbrightnessofstarA = × − −4 9 10 9 2. Wm MeandistanceofSunfromEarth =1 0. AU 1pc = ×2 1 105. AU

[4]

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(d) ExplainwhythedistanceofstarAfromEarthcannotbedeterminedbythemethodofstellarparallax. [1]

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0548


E3. Thisquestionisaboutcosmology.

(a) Statehowtheobservedred-shiftofmanygalaxiesisexplained. [1]

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(b) Explainhowthecosmicmicrowavebackground(CMB)radiationisconsistentwiththeBigBangmodel. [2]

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(c) Calculate the temperatureof theuniversewhen thepeakwavelengthof theCMBwasequaltothewavelengthofredlight( . ).7 0 10 7× − m [2]

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0648

–7–

Turn over


E4. ThisquestionisaboutthemainsequencestarKhad(PhiOrionis).

TheluminosityofKhadis2 0 104. × LS,whereLSistheluminosityoftheSun.

(a) Assumingthattheexponentninthemass–luminosityrelationis3.5,showthatthemassofKhadisabout17solarmasses. [2]

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(b) OutlinethelikelyevolutionofthestarKhadafteritleavesthemainsequence. [3]

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0748


E5. ThisquestionisaboutHubble’slawandtheageoftheuniverse.

(a) (i) StateHubble’slaw. [1]

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(ii) StatewhyHubble’s lawcannotbeused todetermine thedistance fromEarth tonearbygalaxies,suchasAndromeda. [1]

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(b) (i) Showthat 1

0H isanestimateof theageof theuniverse,whereH0is theHubble

constant. [2]

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(ii) AssumingH0=80 1 1kms M pc− − ,estimatetheageoftheuniverseinseconds. [1]

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0848

–9–

Turn over


Option F — Communications

F1. Thisquestionisaboutmodulation.

In order to test a temporary radio communication link, an audio signal is broadcast usingamplitudemodulation(AM).Thepowerspectrumoftheresultingcarrierwaveisshownbelow.

amplitude

frequency / k Hz 96 104 100

0

(a) Usetheinformationinthepowerspectrumtodeterminethe

(i) frequencyofthecarrierwave. [1]

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(ii) frequencyoftheaudiosignal. [1]

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(iii) bandwidthofthissignal. [1]

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0948


(Question F1 continued)

(b) (i) DistinguishbetweenAMandfrequencymodulation(FM). [2]

AM: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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FM: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(ii) OutlineoneadvantageandonedisadvantageofusingFMasopposedtoAMforthe transmission. [2]

Advantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Disadvantage: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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1048

–11–

Turn over


F2. Thisquestionisaboutdatatransmissionsystems.

Theblockdiagrambelowrepresentsanelectronicsystem,S1,whichconvertsananalogueinputsignalintoaserialdigitaloutputsignalreadyfortransmission.ItinvolvesthreeseparatesystemblockslabelledA,BandC.

System S1

serialdigitaloutputsignal

analogueinputsignal

A B C

(a) StatewhetherthesignalbetweenblockAandblockBisanalogue,digitalormultiplexed. [1]

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(b) StatethefunctionofsystemblockA. [1]

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1148



(c) Asimilarsystem,S2,isbasedonthesamesystemblocksasS1,buthasfewersignallinesbetweenblockBandblockC,asshownbelow.

System S2

serialdigitaloutputsignal

analogueinputsignal

A B C

Explainwhatdifferences,ifany,therearebetweenS1andS2withrespecttothemaximumqualityofthereproductionoftheanaloguesignalaftertransmission. [2]

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(d) Theserialdigitaloutputsignalistransmittedusinganopticalfibrelink.Theattenuationperunitlengthoftheopticalfibreis− −4 1dBkm .

(i) Defineattenuation. [1]

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(ii) Theinputpowertothefibreopticcableis100mWandtheoutputpowerattheendofthecableis1mW.Determinethelengthofthecable. [2]

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1248

–13–

Turn over



(iii) State two processes that must take place in order for this digital signal to betransmittedoveraverylongdistance. [2]

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

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

F3. Thisquestionisaboutsatellites.

Ageostationarysatelliteisusedbyonecountrytobroadcastinformationtoadifferentcountry.

(a) Statewhichpartoftheelectromagneticspectrumisusedforthistypeofcommunication. [1]

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(b) Explain two disadvantages of using a polar satellite for this type of communication,whencomparedwithusingageostationarysatellite. [2]

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(c) Outlineonepossibleethicalissueassociatedwiththisbroadcast. [1]

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1348


F4. ThisquestionisaboutaSchmitttrigger.

ThediagrambelowshowsaSchmitttriggercircuitbasedonanoperationalamplifier(op-amp).

+3V

input22kΩ

100kΩ

output

VINVOUT

–

+

0V

TheoutputofthisSchmitttriggerispositivesaturation(+13V)ornegativesaturation(–13V).

(a) Statetwopropertiesofanidealop-amp. [2]

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(b) Determinetheinputvaluethatwillcausetheoutputtoswitchfrom–13Vto+13V. [3]

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1448

–15–

Turn over



(c) ExplainhowaSchmitttriggercanbeusedtoreshapeadigitalpulse. [3]

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F5. Thisquestionisaboutamobilephonenetwork.

Erinisapassengeronatrainmakingacalltoastandardfixedtelephoneline(“landline”)fromhermobilephone.ThetrainmovesErinbetweenadjacentcommunicationcells.Outlinethechanges,ifany,thattakeplaceinthe

(a) cellularexchange. [1]

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(b) publicswitchedtelephonenetwork(PSTN). [1]

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1548


Option G — Electromagnetic waves

G1. Thisquestionisaboutdispersion.

(a) Stateanapproximatevalueforthewavelengthofvisiblelight. [1]

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(b) Describewhatismeantbydispersion. [2]

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1648

–17–

Turn over


(Question G1 continued)

(c) Anarrowbeam,consistingofamixtureofredandbluelight,isincidentuponarectangularglassblock.Thenormaltotheincidentsurfaceisshown.

air

glass

normal incident red and blue beams

Onthediagramabove,drawlabelledlinestoshowthepathsoftheredandbluebeams,astheypassthroughtheglassblockandouttotheairontheotherside. [2]

1748


G2. Thisquestionisaboutaconvexlens.

Thediagrambelow,drawn to scale, showsa smallobjectOplaced in frontof a thinconvex(converging)lens.Thefocalpointsofthelensareshown,labelledF.ThelensisrepresentedbythestraightlineXY.

F F

Y

O

X

(a) (i) Definethetermfocal point. [2]

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(ii) Onthediagramabove,constructthepathsoftworaysinordertolocatethepositionoftheimageformedbythelens.LabeltheimageI. [3]

(iii) Explainwhethertheimageisrealorvirtual. [1]

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1848

–19–

Turn over



(b) Aconverginglens,offocallength5.0cm,isusedasasimplemagnifyingglasstoviewanobjectoflength0.80cm.Theobserver’seyeisveryclosetothelens.Theimageisformedatthenearpoint(25cm).

(i) Determinethedistanceoftheobjectfromthelens. [2]

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(ii) Determinethelengthoftheimage. [2]

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1948


G3. Thisquestionisaboutusingadiffractiongratingtoviewtheemissionspectrumofsodium.

Light from a sodiumdischarge tube is incident normally upon a diffraction grating having8 00 105. × linespermetre.Thespectrumcontainsadoubleyellowlineofwavelengths589nmand590nm.

(a) Determine the angular separation of the two lines when viewed in the second orderspectrum. [4]

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(b) Statewhyitismoredifficulttoobservethedoubleyellowlinewhenviewedinthefirstorderspectrum. [1]

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2048

–21–

Turn over


G4. ThisquestionisaboutX-rays.

Electronsareacceleratedthroughapotentialdifferenceof25kVandstrikeamolybdenumtarget.TheresultingX-rayspectrumisshownbelow.

intensity/relativeunits

1.0 2.0 3.00

1

2

3

4

5

0

wavelength/WAVELENGTH m/ .× −10 10

Theacceleratingpotentialdifferenceischangedto15kV.

(a) CalculatetheminimumwavelengthoftheX-raysproduced. [2]

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(b) Onthegraphabove,sketchtheX-rayspectrumthatwouldbeproduced. [3]

2148


G5. Thisquestionisaboutwedgefilminterference.

Oneflat,glassslide isplacedatanangleon topofasecond identicalslide. Theslidesareincontactalongoneshortedgeandareseparatedattheotheredgebyathinpieceofpaper,asshownbelow.

air

glass slide

paper

light

t

L (diagram not to scale)

Athinwedgeofairofvariablethickness,t ,istrappedbetweenthetwoslides.Thearrangementisviewednormallyfromabove,usinglightofwavelength590nm.Theglassplatesarecoated,sothatreflectiononlytakesplaceatthebottomsurfaceofthetopplateandthetopsurfaceofthebottomplate.

Aseriesofstraightbrightanddarkfringes,equallyseparatedandparalleltotheshortedgeoftheslides,isseen.

(a) Deducethatthethicknessoftheairwedgetthatgivesrisetoabrightfringe,isgivenby2 1

2t m= +( ) .λ [2]

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2248

–23–

Turn over



(b) The lengthof theairwedge,L, is8.2cm. Thebright fringesareeachseparatedbyadistanceof1.2mm.Calculatethethicknessofthepaper. [3]

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2348


Option H — Relativity

H1. Thisquestionisaboutlengthcontractionandsimultaneity.

(a) Defineproperlength. [1]

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(b) Aspaceshipistravellingtotherightatspeed0.75c,throughatunnelwhichisopenatbothends.ObserverAisstandingatthecentreofonesideofthetunnel.ObserverA,forwhomthetunnelisatrest,measuresthelengthofthetunneltobe240mandthelengthofthespaceshiptobe200m.ThediagrambelowshowsthissituationfromtheperspectiveofobserverA.

0.75 c

observer A

observer B

240 m 200 m

ObserverB,forwhomthespaceshipisstationary,isstandingatthecentreofthespaceship.

(i) CalculatetheLorentzfactor,γ ,forthissituation. [1]

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(ii) CalculatethelengthofthetunnelaccordingtoobserverB. [1]

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2448

–25–

Turn over


(Question H1 continued)

(iii) CalculatethelengthofthespaceshipaccordingtoobserverB. [1]

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(iv) According to observer A, the spaceship is completely inside the tunnel for ashorttime.Stateandexplainwhetherornot,accordingtoobserverB,thespaceshipisevercompletelyinsidethetunnel. [2]

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2548



(c) Twosourcesoflightarelocatedateachendofthetunnel.ThediagrambelowshowsthissituationfromtheperspectiveofobserverA.

light 1 light 2

0.75 c

observer A

observer B

240 m 200 m

According to observerA, at the instantwhen observer B passes observerA, the twosourcesoflightemitaflash.ObserverAseesthetwoflashessimultaneously.DiscusswhetherornotobserverBseesthetwoflashessimultaneously. [4]

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H2. Thisquestionisaboutrelativevelocitiesandenergyatrelativisticspeeds.

Two identical rockets are moving along the same straight line as viewed from Earth.Rocket1ismovingawayfromtheEarthatspeed0.80crelative to the Earthandrocket2ismovingawayfromrocket1atspeed0.60crelative to rocket 1.

rocket 2

0.80 c relative to Earth 0.60 c relative to rocket 1

rocket 1 Earth

(a) Calculatethevelocityofrocket2relativetotheEarth,usingthe

(i) Galileantransformationequation. [1]

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(ii) relativistictransformationequation. [2]

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(b) Commentonyouranswersin(a). [2]

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(c) The restmass of rocket 1 is1 0 103. × kg. Determine therelativistic kinetic energy ofrocket1,asmeasuredbyanobserveronEarth. [3]

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H3. ThisquestionisabouttheMichelson–Morleyexperiment.

The diagram below shows the essential features of the apparatus used in theMichelson–Morleyexperiment.

light source

telescope

semi-transparentmirror

mirror

mirror

(a) StateandexplainhowthisapparatuswasusedtotryandmeasurethespeedoftheEarthrelativetotheaether. [4]

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(b) Statetheresultofthisexperimentandexplainhowthisresultsupportsthespecialtheoryofrelativity. [2]

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H4. Thisquestionisaboutgravitationalred-shift.

TwoidenticallasersaresituatedonthesurfaceoftheEarth.OneisdirectedhorizontallytowardsobserverA,whomeasuresthefrequencytobe4 62 1014. × Hz.TheotherisdirectedverticallyupwardstowardsobserverB,whoisataheightof1 00 102. .× m

laser

observer A Earth’s surface

observer B

1 00 102. .× m

(a) (i) StatehowthefrequencyasmeasuredbyobserverBcompareswiththefrequencyasmeasuredbyobserverA. [1]

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(ii) Calculate the difference in frequency between the laser light as measured byobserversAandB. [2]

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(iii) Stateoneassumptionthatyoumadein(a)(ii). [1]

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(b) Thelasersarenowplacedonaspaceship,whichisacceleratingupwardsataconstantrateof9 81 2. m s− ,farawayfromanyothermassesasshownbelow.ThedistanceofobserverDfromthelaseris1 00 102. .× m ObserverCisatthebottomofthespaceship.

9.81ms–21 00 102. .× m

laser

observer C

observer D

Explain, with reference to the equivalence principle, the frequencies measured byobserversCandD,ascomparedtoobserversAandB. [2]

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Option I — Medical physics

I1. Thisquestionisaboutsoundintensitylevels.

Aspart of a safety inspectionof anew factory, adata loggermeasures the intensityof thesoundsgeneratedbythemachines. Thesoundintensity levelsneedtobewithinacceptablelimits.

(a) Defineintensityandintensity level. [2]

Intensity: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Intensity level: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(b) The data logger is moved between five different locations in the factory ( ).A E→ Thereadingsareshownbelow.

Location Readingondatalogger/mWm–2

A 302B 158C 891D 413E 524

(i) Determinetheintensitylevelatthenoisiestlocation. [3]

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(Question I1 continued)

(ii) Usingyouranswerto(b)(i),discusswhetherornotitisnecessaryforthemachineoperatorstouseearprotectorswhenworkinginthisfactory. [2]

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(iii) Onepossibleeffectonhearingoflong-termexposuretonoiseistinnitus.Outlinewhatismeantbytinnitus. [1]

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I2. Thisquestionisaboutmedicalimaging.

Apatientissuspectedofhavingapartialblockageinhisintestineasit leadsawayfromhisstomach.PossiblemedicalimagingtechniquesincludeX-rayphotography,ultrasoundandtheuseofanendoscope.

(a) WhenproducingtheX-rayphotograph, thedoseiskept toaminimumbyatechniquecalledenhancement.

(i) Outlinewhythedoseneedstobekepttoaminimum. [2]

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(ii) Describeonepossibleenhancementtechnique. [2]

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(iii) Discussanyextraprocedures thatareneeded togetanappropriate imageof theintestineinthissituation. [2]

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(b) A successful ultrasound scan relies on changes of acoustic impedance around thestructurebeing imaged.

(i) Defineacoustic impedance. [1]

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(ii) StatetheSIunitinwhichitismeasured. [1]

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(iii) Explain,intermsofacousticimpedance,whygelneedstobeappliedonthesurfaceoftheskinbeforetheultrasoundscan. [2]

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(c) The blockage is cut out and removed in a procedure which involves a laser and anendoscope.

(i) Outlinehowitispossibletousealaserasascalpel(knife). [2]

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(ii) Byreferringtotheroleplayedbyopticfibres,discusshowanendoscopeisusedinthissituation. [2]

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I3. Thisquestionisaboutradiationinmedicine.

Anuclearstresstestisusedtoinvestigatethebloodflowwithinapatient’sheartduringexercise.Theradioisotopethallium-201isinjectedintothepatient’sbloodandagamma-raydetectoristhenusedtorecorditsdistributionwithintheheartmuscle.

Thefollowinginformationaboutthisprocedureisavailable.

Massofpatient =75kgDoseequivalentforanuclearstresstest =25mSv

(a) Thequalityfactorofthegamma-raysis1.Determinetheenergyabsorbedbythepatientasaresultofthethalliuminjection. [3]

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(b) Suggestwhetheryouwouldexpecttheenergycalculatedin(a)toresultinasignificantincreaseinthepatient’stemperature. [1]

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(c) Onaverage,1inevery1000patientswhoundertakeanuclearstresstestgoontodevelopcancerasaresultoftheradioactivedosethattheyreceivedduringthetest.

(i) Byreferringtotheconceptofbalancedrisk,outlinewhythetestmaystillbeofbenefittothepatient. [2]

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(ii) Thehospitaltechnicianwhoadministersthetestcouldalsoreceiveanincreaseddose.Outlinehowfilmbadgesareused toprotect technicians from receivingexcessivedosesofradiation. [2]

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Option J — Particle physics

J1. Thisquestionisaboutmesons.

(a) Statewhatismeantbyanexchangeparticle. [1]

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(b) In 1935, the physicist Hideki Yukawa predicted that the strong interaction betweennucleonswasmediatedbyparticlescalledmesons. Giventhat therangeofthestronginteractionisapproximately1 5 10 15. × − m,calculateapossiblevaluefortherestmassofameson. [2]

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(Question J1 continued)

(c) A meson called the pionwas detected in cosmic ray reactions in 1947byPowell andOcchialini.Thepioncomesinthreepossiblechargestates:π π π+ −, .and 0 TheFeynmandiagrambelowrepresentsapossiblereactioninwhichapionparticipates.

n

np

p

pion

Stateandexplainwhetherthemesonproducedisaπ π π+ −, .or a 0 [2]

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(d) Statethepossiblespinnumbersofmesonsandexplainyouranswer. [3]

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(e) Explainwhy,accordingtothequarkmodel,itisnotpossibleforaparticletoconsistoftwoupquarksonly. [2]

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J2. Thisquestionisaboutacceleratingparticles.

Thediagrambelowshowsthebasicstructureofacyclotron.

vacuumtarget

source

x x x x

x x x x

x x x x

x x x x

dees

Chargedparticlesareemittedfromasourceatthecentre.TheymoveinavacuumthroughtwoD-shapedcavitiesor“dees”.Thereisauniformmagneticfielddirectedintothepage,withintheregionofthedees.

(a) Outlinewhythevoltageappliedacrossthedeesmustchangepolarityeveryhalfrevolution. [2]

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(b) Showthatthefrequency,f,oftheappliedpotentialdifferenceisgivenbytheexpression

f qBm

=2π

where q = chargeofparticle m = massofparticle B = magneticfieldstrength. [3]

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(c) Statetwodisadvantagesofusingacyclotronratherthanasynchrotrontoaccelerateparticles. [2]

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

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(d) Explainwhyitisnecessarytoaccelerateparticlestohighspeedsinordertocreatenewparticlesoflargemass. [2]

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(e) Highenergyparticlesareusedtoprobethenucleus.Explainwhyalphaparticleswouldgivebetterresolutionthanprotonsmovingatthesamespeed. [3]

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J3. Thisquestionisaboutenergyandconservationlaws.

Two protons moving at the same speed in opposite directions, collide with each otherproducing threeprotonsandananti-proton,asshownbelow.

p p p p p p+ → + + +

(a) Calculatetheminimumpossiblekineticenergyofoneofthecollidingprotons. [2]

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(b) Explainwhythefollowingreactionisnotpossible,evenifthecollidingparticleshaveenoughenergy.

p n p p p+ → + + [2]

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J4. Thisquestionisaboutcosmologyandstrings.

(a) Thebindingenergyofaheliumnucleusisabout28MeV.Calculatethetemperatureoftheuniverseabovewhichheliumnucleicouldnothaveexisted. [2]

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(b) Statetwofundamentaldifferencesbetweenthestandardmodelandthetheoryofstrings. [2]

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

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