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8808-6530 33 páginas
N08/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX+
Miércoles 5 de noviembre de 2008 (mañana)
FÍSICA
NIVEL MEDIO
PRUEBA 3
INSTRUCCIONES PARA LOS ALUMNOS
• Escriba su número de convocatoria en las casillas de arriba.
• No abra esta prueba hasta que se lo autoricen.
• Conteste todas las preguntas de dos de las opciones en los espacios provistos.
• Cuando termine el examen, indique en las casillas correspondientes de la portada de su
examen las letras de las opciones que ha contestado.
1 hora
Número de convocatoria del alumno
0 0
© International Baccalaureate Organization 2008
0133
88086530
8808-6530
–2– N08/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX+
Opción A — Ampliación de mecánica
A1. Estapreguntatratadelaintensidaddelcampogravitatorioydelavelocidaddeescape.
(a) Definaintensidad de campo gravitatorio.
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(b) ApartirdelaleydelagravitaciónuniversaldeNewton,deduzcaquelaintensidaddecampogravitatoriogenlasuperficiedeunplanetademasaMyradioR,esproporcionalaM
R2.
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[2]
(c) La intensidad de campo gravitatorio en la superficie deVenusgV se relaciona con laintensidaddecampogravitatorioenlasuperficiedelaTierragTporlaecuación
gV =0,87× gT.
ElradiodeVenus RVserelacionaconelradiodelaTierraRTpor
RV =0,96× RT .
CalculelamasadeVenusMVentérminosdelamasadelaTierraMT .
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Véase al dorso
N08/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX+
(Pregunta A1: continuación)
(d) (i) DeduzcaquelavelocidaddeescapevdesdelasuperficiedeVenuses
v g R= 2 V V .
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(ii) Indiquesi lavelocidaddeescapedesdelasuperficiedeVenusesigual,mayoromenorquelavelocidaddeescapedesdelasuperficiedelaTierra.
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A2. Estapreguntatratadelrozamientoydelequilibrioderotación.
Unbloqueuniformedemasa5,0kgestáenrepososobreunasuperficiehorizontal.SeaplicaunafuerzaFalbloque,talcomoseindica.
masa = 5,0kg F
superficie
SeaumentagradualmenteelmódulodeFhastaqueelbloquecomienzaamoverse,despuésdelocualFsemantieneconstanteyelbloquecontinúaganandorapidez.LavariaciónconeltiempotdelafuerzaFsemuestraacontinuación.
F/N 20
15
10
5
0
0 1 2 3 4 5 t/s
(a) Indique y explique el valor de la fuerza de rozamiento máxima entre el objeto ylasuperficie.
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Véase al dorso
N08/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX+
(Pregunta A2: continuación)
(b) Elvalordelafuerzaderozamientomáximapuedeutilizarseparacalcularelcoeficientede rozamiento entre el bloque y la superficie. Explique si el valor calculado sería elcoeficientederozamientoestáticooelcoeficientederozamientodinámico.
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(c) Ent = 4,0s,laaceleracióndelbloquees0,60ms–2.Calculeelcoeficientederozamientoqueactúaeneseinstanteentreelbloqueylasuperficie.
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(d) SellevaelbloquealreposoysehacequelafuerzaFactúeverticalmentesobreelbloque,talcomosemuestra.SeaumentagradualmenteelmódulodeF,perosudireccióncontinuasiendovertical.Cuandoelbloquecomienzaamoverse,giraalrededordelaaristaP.
F
masa = 5,0kg
superficie P
(i) CalculeelvalormínimodeFqueharájustamentequeelbloquecomienceagirar.
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(ii) IndiqueelvalordeFparaelcualelbloquepierdecompletamenteelcontactoconlasuperficie.
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Opción B — Física cuántica y física nuclear
B1. Estapreguntatratadelaspruebassobrelacuantizacióndelaenergíaenlosátomos.
(a) Indiquequesignificalafrasecuantización de la energía en los átomos.
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(b) Ayudándosedeundiagramarotulado, resumaunmontajeexperimentalpormediodelcualpuedanemitirserayosXapartirdeunamuestradewolframio.
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(Pregunta B1: continuación)
(c) ElgráficosiguientemuestraelespectroderayosXdeunamuestradewolframio.
Intensidad
0
Longituddeonda
Explique qué características de ese espectro de rayos X proporcionan pruebas de lacuantizacióndelosnivelesdeenergíaenlosátomosdewolframio.
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(d) Unadelaslíneasdelespectrodeemisióndelhidrógenoatómicotieneunalongituddeondade410nm. Apartirdeestevalordelongituddeonda,determinequéinformacióncuantitativa puede deducirse sobre algunos de los niveles de energía en el átomodehidrógeno.
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B2. Estapreguntatratadeladesintegraciónβ+-.
Un núcleo de nitrógeno-13, 713
N, experimenta desintegración β+- produciendo un isótopo
delcarbono.
(a) Determine las tres partículas que resultan de la desintegración de un núcleo denitrógeno-13.Indiqueelnúmeromásicoyelnúmeroatómicodecadapartícula.
1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
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(b) Identifiquequépartículadelasquehayaindicadoen(a)contienequarks.
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(c) Lasemividadelnitrógeno-13esde10minutos.Determinelaconstantededesintegracióndelnitrógeno-13.
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(d) Unamuestracontieneinicialmente0,13mgdenitrógeno-13.
Calcule
(i) elritmoinicialdeemisióndepartículasβ+-desdelamuestra.
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(ii) lamasadenitrógeno-13quequedadespuésde15minutos.
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Páginaenblanco
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Opción C — Ampliación de energía
C1. Estapreguntatratasobrelatermodinámicadeungasideal.
Eldiagramasiguientemuestralarelaciónpresión-volumen(p-V)correspondienteaunamasafijadegasidealquedescribeunciclotermodinámico.
p/×105Pa
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
A
B C
D
0,0 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 V /×10
–3m3
(a) DuranteelprocesoA→B,expliquesi
(i) laenergíainternadelgasaumenta,disminuyeopermanecesincambio.
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(ii) setransfiereenergíatérmicaentreelgasysusalrededores.
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(b) DuranteelprocesoB→C,expliquesielgasrealizatrabajosobrelosalrededoresolosalrededoressobreelgas.
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(Pregunta C1: continuación)
(c) Calculelaenergíatotaltransferidaduranteunciclo.
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(d) Expliquesi,despuésdeunciclocompleto,laenergíainternadelgasglobalmenteaumenta,disminuyeopermanecesincambio.
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C2. Estapreguntatratasobrelageneracióndeenergíaeléctrica.
Para lageneracióndeenergíaeléctricapuedenutilizarsecentralesdecombustibles fósilesocentralessolares.
(a) Indiqueyexpliquesilasfuentesdeenergíaencadaunadeesascentralesseclasificancomorenovablesonorenovables.
Energíadeloscombustiblesfósiles:
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Energíasolar:
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(b) Discutalasprincipalestransformacionesdeenergíaqueestáninvolucradasenelusodecombustiblesfósilesparagenerarenergíaeléctrica.
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(c) Las células fotovoltaicasy los calentadores solares activos sonambosdispositivosdeenergíasolar.Resumaladiferenciaentreestosdosdispositivos.
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(Pregunta C2: continuación)
(d) Indique un inconveniente de la generación de energía por combustibles fósiles yuninconvenientedelosdispositivosdeenergíasolar.
Generacióndeenergíaporcombustiblesfósiles:
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Dispositivosdeenergíasolar:
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Opción D — Física biomédica
D1. Estapreguntatratasobreelescalamiento.
Dosmamíferos,XeY, tienencuerposdeformassimilares. LamasadelmamíferoXesde40kg,mientrasquelamasadelmamíferoYesde10kg.
(a) (i) DeduzcaqueelcocientelongituddelmamíferoXlongituddelmamíferoY
tieneunvalorde1,6.
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(ii) Indiqueunasuposiciónhechaenelcálculode(a)(i).
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(b) LosmamíferosXeYseencuentranexpuestosaunentornomuyfrío.Expliqueporquéla temperatura corporal delmamíferoX debería disminuirmás lentamente que la delmamíferoY.
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D2. Estapreguntatratasobreeloído.
Elgráficosiguientemuestra lavariacióncon la frecuenciadelumbraldeaudiciónparadoshermanosgemelos,FrankyAlbert.
Niveldeintensidadsonora/dB
100
80
60
40
20
0
–20
–40
Clave:
Frank
Albert
101 102 103 104
Frecuencia/Hz
FrankyAlberthantrabajadoenpuestosdistintosdurantemuchosaños.Unpuestodetrabajoeramuytranquiloyelotromuyruidoso.
(a) Haciendoreferenciaalgráfico,sugieracuáldeloshermanosparecehabertrabajadoenelpuestoruidoso.
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(b) Paraunafrecuenciade10000Hz,calculeelcociente
umbraldeintensidadsonorajustamentedetectableporFrankkumbraldeintensidadsonorajustamentedetectableporAlbbert
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(Pregunta D2: continuación)
(c) Indiqueuna característica del gráfico que sugiera que uno de los hermanos sufre depérdidadeaudiciónsensorial.
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(d) Una persona con la cóclea dañada tendrá pérdida de audición en estrechos rangos defrecuencias determinados. Explique cómo este fenómeno conduce a una pérdida dediscriminacióndelhabla.
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D3. EstapreguntatratasobreimágenesderayosX.
(a) ResumacómoseproduceunaimagenderayosXporTC(TomografíaComputerizada)eindiquelanaturalezadelaimagen.
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(b) DescribaelusodelbarioenimágenesderayosX.
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Opción E — Historia y desarrollo de la física
E1. Estapreguntatratadelmovimientodeestrellasyplanetas.
Tresobservacionesquepuedenhacerse,concernientesalmovimientorelativoaparentedelosplanetasylasestrellasson:
• lasestrellasnotienenmovimientorelativounasrespectoaotras • losplanetassemuevenrespectoalasestrellasfijas • losplanetascambianelsentidodesumovimiento.
(a) Conlaayudadeundiagrama,expliquecómoelmodelodeAristótelesoelmodelodePtolomeodacuentadeesastresobservaciones.
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(b) Discuta las diferencias entre el modelo del sistema solar de Ptolomeo y el modelodeKepler.
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Véase al dorso
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E2. Estapreguntatratasobrelateoríadelcalórico.
(a) Describacómolateoríadelcalóricodabacuentadelaconduccióntérmica.
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(b) DiscutalasobservacionesydeduccionesllevadasacaboporelCondeRumford,en1798,querefutaronlateoríadelcalórico.
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E3. Estapreguntatratasobreteoríasacercadelacargaeléctrica.
(a) Cuandountrozodeplásticosefrotaconunpaño,secargaeléctricamente.Resumacómoexplicaestefenómeno
(i) elmodelodelosdosfluidosdeDuFay.
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(ii) elmodeloatómicomodernodelamateria.
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(b) A finales del siglo XIX, J J Thomson midió la relación carga-masa de un electrón.Resumacómosellevóacaboesamedida.
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Véase al dorso
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Opción F — Astrofísica
F1. Estapreguntatratasobrelamedidadedistanciasestelares.
(a) Describaquéseentiendepor
(i) brilloaparente.
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(ii) magnitudaparente.
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(iii) magnitudabsoluta.
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(b) Indique qué propiedad de una estrella está más íntimamente relacionada con sumagnitudabsoluta.
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(c) LaestrellaRoss128tieneunamagnitudaparentequeesmenorquesumagnitudabsoluta.Haciendoreferenciaalaanteriorafirmación,expliqueporquéelmétododelaparalajeestelarpuedeutilizarseparamedirladistanciadeRoss128alaTierra.
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(Pregunta F1: continuación)
(d) Describa cómo puede utilizarse el espectro observado de estrellas muy lejanas paraestimarsumagnitudabsoluta.
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(e) El brillo aparente de Ross 128 es 7,9×10–15Wm–2 y su luminosidad es 1,1×10
21W.DetermineladistanciaenparsecsdeRoss128alaTierra.
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F2. EstapreguntatratasobreeldesplazamientoDopplerylaexpansióndeluniverso.
Cuandoseanalizalaluzprocedentedegalaxiaslejanas,seobservaquelaslíneasespectralespresentanundesplazamientoDoppler.
(a) IndiquelarazóndeestedesplazamientoDoppler.
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(b) PenziasyWilsondescubrieronquehabíaunafuenteuniformederadiacióndemicroondasprocedentede todas lasdireccionesdeluniverso. Expliquecómoestedescubrimientoapoyalateoríadeluniversoenexpansión.
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(c) SesugierequeelritmodeexpansióndeluniversohapodidoiraumentandogradualmentedesdeelBigBang.Indiqueydescribaelefecto,silohay,queestateoríapredeciríasobreeldesplazamientoDopplerobservadodelaluzprocedentedegalaxiaslejanas.
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Opción G — Relatividad
G1. EstapreguntatratasobrelaRelatividadEspecial.
Dosobservadoresinerciales,AliceyBob,seestánmoviendounohaciaelotroalolargodelamismalínearecta,conunarapidezrelativaconstantev.AambosladosdeAlice,yaigualdistanciadeella,haydosbombillas,XeY,queestánenreposoenelsistemadereferenciadeAlice.
EldiagramasiguienterepresentalasituaciónsegúnelsistemadereferenciadeBob.
v
bombillaX Alice bombillaY Bob
Alice tiene un interruptor que controla cada bombilla. Las bombillas están inicialmenteapagadas.
(a) Describaqueseentiendeporsistemainercialdereferencia.
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(b) Alice conecta el interruptor produciendo una señal electromagnética que viaja desdeellaalasbombillas.Cuandocualquieradelasbombillasrecibelaseñalelectromagnética,se enciende. Indique y explique el orden en el que la señal llega a las bombillas(primeroX,primeroYo simultáneamente)
(i) segúnAlice.
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(ii) segúnBob.
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(Pregunta G1: continuación)
(c) Explique en términos del camino seguido por las ondas electromagnéticas desdeel interruptorhastaBob, porquéBob recibe la luzde la bombillaYantesque la luzprocedentedelabombillaX.
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(d) Dossucesosestándefinidoscomosigue:sucesoP:secierraelinterruptordelabombillaX•sucesoQ:laluzdelabombillaXllegaaAlice.•
AlicemideuntiempotAyBobmideuntiempotB entreesosdossucesos.
(i) Haciendoreferenciaaltiempopropio,discutaladiferenciaentrelosvalorestAytB.
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(ii) Indiqueyexpliquesisurespuestaa(d)(i)seríadiferenteparalasituaciónenlaqueAliceestuvieraalejándosedeBobconunarapidezv,talcomoesmedidaporBob.
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(Pregunta G1: continuación)
(e) LadistanciaqueAlicemideentrelasbombillasesde30,0m.Larapidezves0,90c.
(i) Explique si la longitud propia entre las dos bombillas esmayor, igualomenorque30,0m.
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(ii) Calculeladistanciaentrelasbombillas,talcomolamideBob.
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G2. Estapreguntatratasobrelasumarelativistadevelocidadesysobremasarelativista.
Unapartícula,P,seestámoviendoalolargodelejexconunavelocidadconstantede0,950c,respectoalsistemainercialdereferenciadellaboratorio.Eldiagramademásabajorepresentaestasituaciónsegúnelsistemadereferenciadellaboratorio.
0,950c
P
Lapartícula sedesintegra. Unode losproductosde ladesintegraciónesunapartículamaspequeña,Q,demasaenreposo940MeVc–2queesexpulsadaavelocidad0,900calolargodelejex,respectoalsistemadereferenciadeP.
EldiagramasiguienterepresentalasituaciónsegúnelsistemadereferenciadeP.Nosemuestranlosdemásproductosdeladesintegración.
0,900c
P Q
(a) CalculelavelocidaddelaparticularQ talcomoesmedidaenelsistemadereferenciadellaboratorio.
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(b) CalculeladiferenciaentrelamasadelapartículaQenelsistemadereferenciadePyenelsistemadereferenciadellaboratorio.
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Opción H — Óptica
H1. Estapreguntatratadeladispersión.
Diagrama1muestra dos prismas idénticosAyB. El prismaB está invertido respecto delprismaA.
Diagrama 1
A B
SehaceincidirsobreelprismadevidrioAunestrechohazdeluzblanca,talycomosemuestraendiagrama2.
Diagrama 2
AA
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(Pregunta H1: continuación)
TodalaluzincidentesobreelprismaAatraviesaelprismaB.
(a) (i) Sobrediagrama 2delapáginaanterior,dibujelíneasquemuestrenelcaminodeunrayodeluzrojayeldeunrayodeluzazulatravesandoelprismaAyemergiendodeél.RotulelastrayectoriasconRparaelrojoyBparaelazul. [2]
(ii) Sobrediagrama 2delapáginaanterior,dibujeelprismaBenelcaminodelaluzquehapasadoatravésdelprismaA.Dibujelaslíneas,trazadasen(a),paraquemuestrenlatrayectoriadelrayodeluzrojaydelrayodeluzazulatravesandoelprismaByemergiendodeél. [2]
(b) SesitúaunapantallaenelcaminodelaluzemergentedelprismaB.Describaelaspectoquepresentalaluzsobrelapantalla.
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H2. Estapreguntatratasobrelareflexiónylarefraccióndelaluzdeunláser.
(a) Definaíndice de refracción.
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(b) Unhazdeluzláserincidesobreunasuperficiedeseparaciónvidrio-aire.
aire
vidrio
(i) Sobreeldiagramaanterior,dibujerayosquemuestrenelrayoreflejado(rotúleloconL)yelrayorefractado(rotúleloconR). [1]
(ii) Seaumentagradualmenteelángulodeincidenciadelhaz.Deduzcacómocambiaráel trayectode la luz láserparaángulosde incidenciadehasta80
. El índicederefraccióndelvidrioes1,5.
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(Opción H: continuación)
H3. Lapreguntasiguientetratasobreeltelescopioastronómico.
Untelescopio,ajustadonormalmente,seapuntahaciaunobjetodistante.Sobrelalenteobjetivoincidenrayosdeluzparalelos,comosemuestraenlafigura.
lenteobjetivo lenteocular
F
Sedisponenlaslentesdemodoquesuspuntosfocalescoincidanenlamismaposición,rotuladacomoFeneldiagrama.
(a) (i) Sobre el diagrama anterior, construya un diagrama de rayos para localizar laimagenfinal. [3]
(ii) Sobreeldiagramaanterior,rotuleconlaletraEellugardondesedebesituarelojoparavisualizarlaimagen. [1]
(iii) Indique,conunabreveexplicación,lalocalizacióndelaimagenfinal.
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(Esta pregunta continúa en la siguiente página)
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8808-6530
–33– N08/4/PHYSI/SP3/SPA/TZ0/XX+
(Pregunta H3: continuación)
(b) Utilicesudiagramaparaexplicarporquélaimagenproducidaporeltelescopioestá
(i) ampliada.
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(ii) invertida.
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