Combined+IB+SL+Physics+Astro+Option+Qs+09 10
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Transcript of Combined+IB+SL+Physics+Astro+Option+Qs+09 10
8810-6506
–20– N10/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX
Option E — Astrophysics
E1. ThisquestionisaboutthecharacteristicsofthestarsProcyonAandProcyonB.
(a) ThestarsProcyonAandProcyonBareboth located in thesamestellarcluster in theconstellationCanisMinor.Distinguishbetweenaconstellationandastellarcluster.
Constellation: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Stellarcluster: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) ThetableshowssomedataforProcyonAandProcyonB.
Apparent magnitude
Absolute magnitude
Apparent brightness/ Wm–2
Procyon A ( PA ) +0.400 +2.68 2.06 10–8
Procyon B ( PB ) +10.7 +13.0 1.46 10–12
Explain,usingdatafromthetable,why
(i) asviewedfromEarth,PAismuchbrighterthanPB.
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(ii) theluminosityofPAismuchgreaterthanthatofPB.
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N10/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX
(QuestionE1continued)
(c) Deduce, using data from the tablein(b), that PA and PB are approximately the samedistancefromEarth.
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(d) State,usingyouranswersto(a)and(c),whyPAandPBmightbebinarystars.
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(e) Calculate,usingdatafromthetablein(b),theratioLL
A
B
whereLAistheluminosityofPAandLB is the luminosityofPB.
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(QuestionE1continued)
(f) ThesurfacetemperatureofbothPAandPBisoftheorderof104K.TheluminosityofPA
isoftheorderof10LS,whereLSistheluminosityoftheSun.ThediagramshowsthegridofaHertzsprung–Russelldiagram.
luminosity(Sun=1)
104
103
102
101
100
10–1
10–2
10–3
10–4
20 10 5 2.5 temperature/K 103
Label,onthegridabove,theapproximatepositionof
(i) starPAwiththeletterA. [1]
(ii) starPBwiththeletterB. [1]
(g) IdentifythenatureofstarPB.
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N10/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX
E2. ThisquestionisabouttheBigBangmodelandred-shift.
(a) DescribewhatismeantbytheBigBangmodel.
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(b) In the 1960s, Penzias andWilson discovered a uniform cosmic background radiation(CMB)inthemicrowaveregionoftheelectromagneticspectrum.
(i) ExplainhowtheCMBisconsistentwiththeBigBangmodel.
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(ii) Statewhythered-shiftoflightfromgalaxiessupportstheBigBangmodel.
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Option E — Astrophysics
E1. ThisquestionisaboutdeterminingsomepropertiesofthestarWolf359.
(a) ThestarWolf359hasaparallaxangleof0.419arcseconds.
(i) Describehowthisparallaxangleismeasured.
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(ii) Calculatethedistanceinlight-yearsfromEarthtoWolf359.
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(iii) StatewhythemethodofparallaxcanonlybeusedforstarsatadistanceoflessthanafewhundredparsecsfromEarth.
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(Question E1 continued)
(b) Theratio
apparentbrightnessofWolf359apparentbrightnessoftheSSun
3 7 10 15. .× −
Showthattheratio
luminosityofWolf359luminosityoftheSun
is8 9 10 4. × − .( . ).1 6 3 104ly AU= ×
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(c) The surface temperature of Wolf 359 is 2800K and its luminosity is 3.5 10 W23× .CalculatetheradiusofWolf359.
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(d) By reference to thedata in (c), suggestwhyWolf 359 is neither awhite dwarf nor aredgiant.
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[2]
is
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E2. Thisquestionisaboutthedensityoftheuniverse.
(a) Definecritical density.
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(b) Explainhow the futureof theuniversemaybepredictedby comparing the estimateddensityoftheuniversetothecriticaldensity.
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(c) Explainwhy the existenceofdarkmattermakes it difficult tomeasure thedensityoftheuniverse.
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Option E — Astrophysics
E1. Thisquestionisabouttherelativepopulationdensityofstarsandgalaxies.
ThenumberofstarsaroundtheSun,withinadistanceof17ly,is75.Thenumberofgalaxiesinthelocalgroup,withinadistanceof4.0×106lyfromtheSun,is26.
(a) Calculatetheaveragepopulationdensity,perly3,ofstarsandgalaxies.
Stars: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Galaxies: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) Useyouranswerto(a)todeterminetheratio
averagepopulationdensityofstarsaveragepopulationdensiityofgalaxies
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E2. Thisquestionisabouttheluminosity,sizeanddistanceofstars.
The Hertzsprung–Russell (HR) diagram shows the variation with spectral class of theabsolute magnitude of stars.
absolutemagnitude
–4
–2
0
+2
+4
+6
+8
+10
+12
Capella Vega
Sun
10000
1000
100
10
1
0.1
0.01
0.001
luminosity(Sun=1)
O B A F G K Mspectralclass
ThestarCapellaandtheSunareinthesamespectralclass(G).UsingtheHRdiagram,
(a) (i) suggestwhyCapellahasagreatersurfaceareathantheSun.
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(ii) estimate the luminosityofCapella intermsofthatof theSun.
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2210-6518
–23–
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M10/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX
(Question E2 continued)
(iii) calculatetheradiusofCapellaintermsofthatoftheSun.
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[2]
(b) ThespectroscopicparallaxmethodcanbeusedtomeasurethedistanceofstarVega.
(i) UsingtheHRdiagram,statetheabsolutemagnitudeofVega.
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(ii) The apparentmagnitude of Vega is 0.0. Determine (in parsec) the distance ofVegafromEarth.
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(iii) LightfromVegaisabsorbedbyadustcloudbetweenVegaandEarth.Suggesttheeffect,ifany,thiswillhaveondeterminingthedistanceofVegafromEarth.
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(c) Vegaisaverymassivestar.StatewhyVegadoesnotundergogravitationalcollapse.
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–24– M10/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX
E3. This question is about cosmic microwave background radiation (CMB) and the density oftheuniverse.
Thegraphshows therelative intensityof theCMBasa functionofwavelength.
relativeintensity
0 1 wavelength/mm
(a) ExplainhowthisgraphisconsistentwiththeBigBangmodeloftheuniverse.
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(b) The density of the universe will determine its ultimate fate. Outline the problemsassociatedwithdeterminingthedensityoftheuniverse.
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– 15 –
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SPEC/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX
Option e — Astrophysics
e1. This question is about stars.
Betelgeuse and Rigel are two super giants in the constellation of Orion.
(a) Distinguish between a constellation and a stellar cluster.
Constellation: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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Stellar cluster: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) The star Betelgeuse has a parallax of 0.0077 arc second. Deduce that its distance from Earth is approximately 130 pc.
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(c) State why the Hipparcos satellite which orbits Earth is able to measure stellar parallaxes for stars at considerably greater distances than 130 pc.
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(This question continues on the following page)
– 16 – SPEC/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX
(Question E1 continued)
(d) The table below gives some information about the types and magnitudes of Betelgeuse and Rigel.
star Type Apparentmagnitude colour Apparent
brightness
Betelgeuse M −0.04 2.0 10−7 W m−2
Rigel B 0.12 3.4 10−8 W m−2
(i) Complete the above table for the colours of the stars. [2]
(ii) State why Betelgeuse has a lower apparent magnitude than Rigel.
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(iii) Given that the distance of Betelgeuse from Earth is 130 pc, calculate the luminosity of Betelgeuse.
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(iv) The luminosity of Rigel is 2.3 1031 W. Without any further calculation, explain whether Rigel is closer or further than Betelgeuse from Earth.
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– 17 –
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SPEC/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX
e2. This question is about Olbers’ paradox.
(a) Newton assumed that the universe is static and that the stars are uniformly distributed. State one further assumption of the Newtonian universe.
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(b) Explain how Newton’s assumptions led to Olbers’ paradox.
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–16– N09/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
Option E — Astrophysics
E1. ThisquestionisaboutthestarBecruxandCepheidvariables.
(a) Describewhat ismeantby
(i) theapparentmagnitudescale.
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(ii) absolutemagnitude.
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(b) BecruxisamainsequencestarandisoneofthestarsthatmakeuptheSouthernCross.ThefollowingdataareavailableforBecrux.
Apparentmagnitude =1.25Absolutemagnitude =–3.92Apparentbrightness =7.00×10–12bSun
bSunistheapparentbrightnessoftheSun.Usethedatatodeducethatthe
(i) distanceofBecruxfromEarthis108pc.
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(ii) luminosity of Becrux is 3.43×103LSun where LSun is the luminosity of the Sun.(1pc=2.05×105AU)
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–17–
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N09/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ0/XX+
(Question E1 continued)
(c) BecruxisaspectralclassBstar.OntheaxesoftheHertzsprung–RusselldiagramlabelwiththeletterBtheapproximatepositionofBecrux. [1]
absolutemagnitude
–10
–5
0
+5
40 20 10 5 2.5temperature/K×103
(d) OntheaxesoftheHertzsprung–Russelldiagramabove,drawtheapproximateregioninwhichCepheidvariablestarsarelocated. [1]
(e) StatethereasonfortheperiodicvariationinluminosityofaCepheidvariable.
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(f) State the two quantities that need to bemeasured in order to use aCepheid variableas a “standard candle” to determine the distance to the galaxy inwhich theCepheidis located.
1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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E2. Thisquestionisaboutcosmology.
(a) ThediagrambelowrepresentsasphericalregionofspacebasedonNewton’smodeloftheuniverse.Earthisatthecentreoftheregion.ThedarklinerepresentsaverythinsphericalshellofspacedistanceRfromEarth.
R
Earth
WithreferencetothediagramandNewton’smodeloftheuniverseexplainquantitativelyOlbers’paradox.
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(b) OutlinehowtheBigBangtheoryprovidesaresolutiontoOlbers’paradox.
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Option E — Astrophysics
E1. Thisquestionisaboutstars.
(a) Distinguishbetweenapparentmagnitudeandabsolutemagnitude.
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[2]
(b) Thetablegivesinformationonthreestars,Achernar,EG129andMira.
Absolute magnitude Apparent magnitude Spectral class
Achernar –3.0 +0.50 B
EG129 +13.0 +14.0 B
Mira –3.0 +5.0 M
(i) StatewhichoneofthethreestarsappearsbrightestfromEarth.
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[1]
(ii) Estimate the ratioLL
A
E
where LA is the luminosity ofAchernar and LE is the
luminosityofEG129.
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(iii) ShowthatthedistanceofthestarAchernarfromEarthisapproximately50pc.
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–21–
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(Question E1 continued)
(c) ThesurfacetemperatureofMirais5timeslowerthanthatofAchernar.EstimatetheratioRR
M
A
whereRM istheradiusofMiraandRA istheradiusofAchernar.
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(d) Stateandexplainwhichofthestarsinthetablein(b)isawhitedwarf.
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E2. Thisquestionisaboutcosmicmicrowavebackgroundradiation.
Thegraphshowsthespectrumofthecosmicmicrowavebackgroundradiation.
0
01 2
/ mm
Intensity
3
The shape of the graph suggests a black body spectrum i.e. a spectrum towhich theWiendisplacementlawapplies.
(a) Usethegraphtoestimatetheblackbodytemperature.
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(b) Explainhowyouranswerto(a)isevidenceinsupportoftheBigBangmodel.
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(c) State and explain another piece of experimental evidence in support of theBigBangmodel.
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Option E — Astrophysics
E1. ThisquestionisaboutthestarAntares.
ThestarAntaresisaredsupergiantstarintheconstellationScorpius.
(a) Describe three characteristics of a red supergiant star and state what is meant byaconstellation.
Redsupergiantstar:
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Constellation:
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(b) TheapparentmagnitudeofAntaresis+1.1anditsabsolutemagnitudeis–5.3.
(i) Distinguishbetweenapparentmagnitudeandabsolutemagnitude.
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(ii) ShowthatthedistanceofAntaresfromEarthis3.9×107AU.
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(iii) State the name of the method that is used to measure the distance of AntaresfromEarth.
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Turn over
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(Question E1 continued)
(c) The apparent brightness of Antares is 4.3×10–11 times the apparent brightness oftheSun.
(i) Defineapparent brightness.
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(ii) Using the answer to (b)(ii), show thatAntares is 6.5×104 timesmore luminousthan theSun.
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–20– M09/4/PHYSI/SP3/ENG/TZ2/XX+
E2. Thisquestionisaboutmodelsoftheuniverse.
Observationsofthenightskyindicatethattherearemanyregionsoftheuniversethatdonotcontainanystars.
(a) ExplainwhythisobservationcontradictsNewton’smodeloftheuniverse.
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(b) OutlinehowtheBigBangmodeloftheuniverseisconsistentwiththisobservation.
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