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Pearson Edexcel Centre Number Candidate Number

Level 3 GCE
Physics
Advanced
Paper 3: General and Practical Principles
in Physics
Thursday 29 June 2017 – Morning Paper Reference

Time: 2 hour 30 minutes 9PH0/03

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*P48995RRA0136*
P48995RRA
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1/1/1/1/1/1/
 Answer ALL questions in the spaces provided.

1 A physics textbook states that “when carrying out experimental measurements there will

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always be errors and uncertainties”.
(a) Describe what physicists mean by error and by uncertainty.
(2)

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(b) Give two reasons why a measurement may have an uncertainty.

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(2)

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(Total for Question 1 = 4 marks)

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2
*P48995RRA0236*
 2 A student carries out measurements to determine the density of glass. The student has 20
glass microscope slides available.
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The approximate dimensions of one slide are shown.

y x » 75 mm
y » 1 mm
z » 25 mm
x

(a) The density is calculated using the equation

mass
density =
volume
Describe how the student can determine an accurate value for the density of the glass.
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Your answer should include the measuring instruments required.

(4)

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(b) State one precaution that the student should take to ensure the measurements are accurate.
(1)

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(Total for Question 2 = 5 marks)

3
*P48995RRA0336* Turn over
3 In the 19th century experiments with magnetic and electric field deflections were used to
determine the charge to mass ratio of electrons.
Later experiments showed the diffraction of electrons as they passed through thin metal foils.

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Deduce what these experiments tell us about electrons.
(3)

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(Total for Question 3 = 3 marks)

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4
*P48995RRA0436*
 4 A student set up a “seconds pendulum”. This is a simple pendulum for which the time
taken to move from the bob’s highest position on one side to its highest position on the
opposite side is 1.00 s.
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metre rule
L

bob
(a) Calculate the length L required for the pendulum to be a “seconds pendulum”.
(2)
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L = .........................................

(b) The student set the pendulum into oscillation. She used a stopwatch to check the
accuracy of the pendulum’s period T.
Describe the procedure the student should have used to obtain an accurate value for T.
(2)
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5
*P48995RRA0536* Turn over
 (c) Another student suggested that the uncertainty in the measurement of the time period of
the pendulum could be reduced by using a light gate and a data logger. The data logger
would record the time between successive interruptions of the light beam. Both the

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data logger and the stopwatch have a resolution of 0.01 s.

data logger

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Comment on the student’s suggestion of using a data logger rather than a stopwatch.
(4)

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(Total for Question 4 = 8 marks)

6
*P48995RRA0636*
 *5 The following extract comes from a section on forces, on a website written for children.
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Forces act in pairs.

The lift force on a plane pushing
it up into the sky is paired with gravity, If both forces in the pair
which pulls the plane back towards the are equal, the plane will stay
centre of the Earth. at rest in the same place.

Criticise this extract.

(6)
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(Total for Question 5 = 6 marks)

7
*P48995RRA0736* Turn over
6 A student carried out an experiment to determine the resistivity of nichrome wire.
He used an ohmmeter to measure the resistance of a length of nichrome wire as shown.

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The diameter of the wire was measured as 0.27 mm ± 0.01 mm.
The length of the wire was measured as 1.25 m ± 0.05 m.
(a) Determine which of the three measurements introduces the greatest uncertainty into
the value for the resistivity.
Your answer should include calculations.

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(4)

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8
*P48995RRA0836*
 (b) Explain how the student could reduce the uncertainty in the measurement of the diameter.
(2)
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(c) Calculate the minimum value of resistivity possible from the student’s data.
(4)

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Minimum resistivity = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(Total for Question 6 = 10 marks)

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9
*P48995RRA0936* Turn over
7 A teacher is demonstrating how to measure the speed of sound in a steel rod. The equipment
comprises a hanging steel rod and a hammer connected to a data logger as shown.

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rubber band
B A

hammer
steel rod

data logger

The rod is tapped at A with the hammer. A compression pulse travels to B and is

DO NOT WRITE IN THIS AREA

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reflected back. When the reflection reaches A the hammer loses contact with the rod.
Whilst the hammer is in contact with the rod the output from a 5 V supply is recorded by
the data logger.
The graph shows the output from the data logger for one hammer tap.

6.0 –

5.0 –
data logger output / V

4.0 –

3.0 –

2.0 – DO NOT WRITE IN THIS AREA

DO NOT WRITE IN THIS AREA

1.0 –

0.0 –
–

0 500 1000 1500 2000 2500

time / μ s

10
*P48995RRA01036*
 (a) Explain why a data logger is appropriate for this demonstration.
(2)
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(b) (i) Use the graph to show that the speed of the pulse in the rod is about 6000 m s−1.
length of steel rod = 1.18 m
(3)

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(ii) The speed of sound v in the rod depends on the Young modulus E and the
density ρ of the material of the rod as given by the equation

E
v=
ρ

Calculate the Young modulus of steel.

ρsteel = 7850 kg m−3
(2)

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Young modulus of steel = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(Total for Question 7 = 7 marks)

11
*P48995RRA01136* Turn over
8 A student wanted to plot a graph of current against potential difference for a light
emitting diode (LED). He used the circuit shown.

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(a) Add an ammeter and a voltmeter to the circuit diagram that would enable the data to
be collected.
(1)
(b) The graph of current against potential difference obtained by the student is shown.

80 –

70 –

60 –

50 –
current / mA

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40 –

30 –

20 –

10 –

0–
–

0 0.5 1.0 1.5 2.0

potential difference / V

12
*P48995RRA01236*
 (i) The student wrote the following conclusion.
“The graph shows that in general the LED is not an ohmic conductor.
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However, for potential differences greater than +2 V, Ohm’s law is

obeyed since the graph is linear in this region.”
Criticise the student’s conclusion.
(2)

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(ii) The student used the LED with a 5.0 V power supply as shown in the circuit.

5.0 V

To be lit to normal brightness the current through the LED must be 18 mA.
Calculate the resistance of the resistor needed in the circuit.
(4)

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Resistance = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(Total for Question 8 = 7 marks)

13
*P48995RRA01336* Turn over
9 The majority of stars in the universe are thought to be main sequence stars. For such
stars the luminosity increases with the mass of the star.

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(a) It is suggested that the relationship between luminosity and mass is of the form
L = LSun M p
where L = luminosity, M = (mass of star / mass of the Sun) and LSun and p are constants.
Explain why a graph of log L against log M would give a straight line.
(2)

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(b) The table shows data for a range of main sequence stars.

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L /1025 W M

3.63 0.557
469 1.88
5920 3.52
40 800 5.85
294 000 9.72

(i) Plot a graph of log L against log M. You may use the columns provided to show
any processed data.
(5)
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14
*P48995RRA01436*
 Turn over
15
*P48995RRA01536*
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DO NOT WRITE IN THIS AREA DO NOT WRITE IN THIS AREA DO NOT WRITE IN THIS AREA
 (ii) Determine values for p and LSun and hence state the mathematical relationship
between L and M.
(4)

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(Total for Question 9 = 11 marks)

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16
*P48995RRA01636*
 10 A student investigated the way in which gamma radiation spreads out from a source.
He placed a cobalt-60 source in a source holder and set up a Geiger-Müller (GM)
tube a short distance d away. He connected the GM tube to a counter as shown.
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source GM tube counter

metre rule

The student recorded the count for 2 minutes.

(a) Describe how to determine the corrected count rate from the source.
(2)

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(b) His teacher turned the GM tube through 90° so that the side of the tube faced the
source as shown below.

source GM tube counter

metre rule

(i) Explain why this arrangement could lead to more accurate data.
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(2)

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17
*P48995RRA01736* Turn over
 (ii) Explain another modification to the experimental method which would improve
the accuracy of the data.
(2)

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(c) The variation in the intensity of gamma radiation with distance from a point source
should obey an inverse square law. If this is the case, then the count rate C should
vary with d according to the equation
K
C =
4πd 2

where K is a constant.

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1
The student plotted against d and obtained the following graph.
C

2.5 –

2.0 –

1.5 –
C −½ / Bq −½

1.0 – DO NOT WRITE IN THIS AREA

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0.5 –

0.0 –
–

0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 25.0

d / cm

(i) Draw a line of best fit on the graph.

(1)

18
*P48995RRA01836*
 (ii) The student concluded that the graph was consistent with the gamma radiation
intensity obeying an inverse square law.
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Discuss the extent to which the data obtained supports the student’s conclusion.
(4)
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(d) It is suggested that the investigation into the way in which gamma radiation
spreads out from a source, using the apparatus as shown in (b), could be carried out
successfully using a radium-226 source.
Radium-226 emits α, β and γ radiation.
Justify this suggestion.
(2)
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(Total for Question 10 = 13 marks)

19
*P48995RRA01936* Turn over
11 A student investigated the behaviour of a spring under tension. The spring was hung
vertically with a mass holder attached.

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spring

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
metre rule

mass holder

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The position of the bottom of the mass holder was recorded. The spring was stretched by
adding masses to the mass holder and the new positions were recorded. The extension of
the spring each time was calculated.
The student produced the following table.

Mass added / g Extension / cm Stretching force / N

50 1.9 0.49
70 3 0.69
90 3.5 0.9
110 4.5 1.08
130 5.3 1.28
150 5.8 1.47
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(a) Criticise the student’s table. DO NOT WRITE IN THIS AREA

(2)

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20
*P48995RRA02036*
 (b) The student used her data to plot a graph as shown.

1.6 –
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1.4 –

1.2 –
stretching force / N

1.0 –

0.8 –

0.6 –

0.4 –

0.2 –

0.0 –
–

–
0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0
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extension / cm

Determine a value for the force constant k of the spring.

(2)

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k = .........................................

21
*P48995RRA02136* Turn over
 (c) Two identical springs are joined in series and a bar magnet is hung from one end as shown.

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S

The bar magnet is displaced a small distance vertically from its equilibrium position
and released.

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Calculate the frequency at which the system oscillates.
mass of magnet = 120 g
spring constant of each spring = 22 N m−1
(4)

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Frequency = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

22
*P48995RRA02236*
 *(d) Identical bar magnets are suspended from identical springs, with the North pole of each magnet
inside a coil of wire as shown. The two coils are connected together with conducting leads.
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springs

magnet A magnet B
S conducting S
leads
N N
coil coil

Magnet A is displaced so that it oscillates vertically. The North pole of magnet A moves
into and out of the coil of wire with simple harmonic motion. As this motion continues,
magnet B starts to oscillate. The amplitude of oscillation of magnet B increases over time.
Explain why magnet B starts to oscillate with an increasing amplitude.
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(6)
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(Total for Question 11 = 14 marks)

23
*P48995RRA02336* Turn over
12 Barnard’s star is a red dwarf star in the vicinity of the Sun. The wavelength of a line in
the spectrum of light emitted from Barnard’s star is measured to be 656.0 nm. The same
light produced by a source in a laboratory has a wavelength of 656.2 nm.

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(a) Calculate the velocity of Barnard’s star relative to the Earth.
(3)

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Velocity = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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(b) A diffraction grating can be used to analyse the radiation emitted by a variety of sources.
(i) A diffraction grating of known grating spacing is used in a school laboratory to
analyse the light emitted by a laser.
Describe how the diffraction grating is used and the measurements that should be taken.
(3)

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*P48995RRA02436*
 (ii) A diffraction grating with grating spacing of 2.2 × 10 −6 m is used to determine
the difference in wavelength for the spectral line emitted by Barnard’s star.
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Comment on the suitability of using a diffraction grating with this spacing.

You should include appropriate calculations.
(4)

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(c) Visible light from the star originates from the photosphere. In the photosphere of
Barnard’s star, hydrogen and helium atoms are at a temperature of 3100 K.
(i) Calculate the mean kinetic energy of an atom in the photosphere at a temperature
of 3100 K.
(2)

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Mean kinetic energy = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

(ii) Describe how these atoms emit visible light.
(2)
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(Total for Question 12 = 14 marks)

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*P48995RRA02536* Turn over
13 Mass spectrometry is a technique used to separate ions based on their charge to mass ratio.
The atoms in a sample are ionised and then accelerated and formed into a fine beam.

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This beam is passed into a region of uniform magnetic field and the ions are deflected by
different amounts according to their mass.

uniform magnetic field

ions

ion accelerator
detector

Analysis of mass spectrometer data shows that chlorine exists in nature as two isotopes,

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chlorine-35 and chlorine-37.
(a) State what is meant by isotopes.
(1)

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(b) In a mass spectrometer, chlorine-35 ions are accelerated through a potential difference
of 8.50 kV to produce an ion beam.
Show that the speed of singly ionised chlorine-35 atoms is about 2.2 × 105 m s−1.
mass of an ion of chlorine-35 = 34.97 u
(4)
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*P48995RRA02636*
 (c) In most mass spectrometers the ions are passed through a velocity selector, after
being accelerated, to produce a beam of ions of a particular velocity.
The velocity selector consists of a pair of parallel plates, across which a potential
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difference (p.d.) is applied to create an electric field.

+V

0V

In one mass spectrometer the plates are 2.5 cm apart and a p.d. of 135 V is applied.
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A magnetic field is also applied to produce a force on the ions in the opposite
direction to the force from the electric field. For one particular speed the ions travel
in a straight line and emerge from the selector.
(i) Add to the diagram to indicate the directions of the electric field and the magnetic field.
(2)
(ii) The magnetic flux density applied to the velocity selector is 24.5 mT.
Deduce whether this magnetic flux density is suitable to produce a beam of
chlorine-35 ions of speed 2.2 × 105 m s−1.
(4)

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*P48995RRA02736* Turn over
 (d) After passing through the velocity selector the ion beam enters a region of uniform
magnetic flux density 0.35 T with the ions travelling at right angles to the field direction.

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(i) Explain why the ions travel in a circular path.
(2)

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(ii) Calculate the radius of the circular path.

(2)

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Radius = . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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28
*P48995RRA02836*
 (iii) The diagram shows the path of the chlorine-35 ions in the field. Chlorine-37 ions
enter the magnetic field with the same velocity.
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uniform magnetic field

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detector

1. Add another line to the diagram to show the path of these chlorine-37 ions.
(1)
2. Explain any differences in the paths.
(2)
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(Total for Question 13 = 18 marks)

TOTAL FOR PAPER = 120 MARKS

29
*P48995RRA02936*
 List of data, formulae and relationships

Acceleration of free fall g = 9.81 m s−2 (close to Earth’s surface)

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Boltzmann constant k = 1.38 × 10−23 J K−1
1
Coulomb law constant k= = 8.99 × 109 N m2 C−2
4πε0
Electron charge e = −1.60 × 10−19 C

Electron mass me = 9.11 × 10−31 kg

Electronvolt 1 eV = 1.60 × 10−19 J

Gravitational constant G = 6.67 × 10−11 N m2 kg−2

Gravitational field strength g = 9.81 N kg−1 (close to Earth’s surface)

Permittivity of free space ε0 = 8.85 × 10−12 F m−1

Planck constant h = 6.63 × 10−34 J s

Proton mass mp = 1.67 × 10−27 kg

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Speed of light in a vacuum c = 3.00 × 108 m s−1

Stefan-Boltzmann constant σ = 5.67 × 10−8 W m−2 K−4

Unified atomic mass unit u = 1.66 × 10−27 kg

Mechanics Work, energy and power

Kinematic equations of motion ΔW = FΔs
(u + v)t 1
s= Ek = 2 mv2
2
v = u + at ΔEgrav = mgΔh
1 E
s = ut + 2 at2 P=
t
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v2 = u2 + 2as W
P=
Forces t
useful energy output
∑F = ma efficiency =
total energy input
F
g= useful power output
m efficiency =
total power input
W = mg

moment of force = Fx

Momentum

p = mv

30
*P48995RRA03036*
 Electric circuits Young modulus
Potential difference F
Stress σ =
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A
W
V= Δx
Q Strain ε =
x
Resistance σ
E=
V ε
R=
I
Elastic strain energy
Electrical power and energy 1
ΔEel = 2 FΔ x
P = VI

P = I 2R Waves and Particle Nature of Light

V2 Wave speed
P=
R
v = fλ
W = VIt
Speed of a transverse wave on a string
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Resistivity
ρl T
R= v=
A μ

Current Intensity of radiation

ΔQ P
I= I=
Δt A
I = nqvA Power of a lens
1
Materials P=
f
Density P = P1 + P 2 + P 3 + …
m Thin lens equation
ρ=
V
1 1 1
+ =
Stokes’ law u v f
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F = 6πηrv Magnification for a lens

Hooke’s law image height v
m= =
object height u
ΔF = kΔ x
Diffraction grating

nλ = d sin θ

31
*P48995RRA03136* Turn over
 Refractive index Fields

n1 sin θ1 = n2 sin θ2 Coulomb’s law

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c QQ
F = k 12 2
n= r
v 1
where k =
Critical angle 4πε0
1 Electric field strength
sin C =
n F
E=
Q
Photon model
Q
E=k
E = hf r2
V
Einstein’s photoelectric equation E=
d
1
hf = ϕ + 2 mv2max Electric potential
Q
de Broglie wavelength V=k
r

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h Capacitance
λ=
p
Q
C=
V
Further mechanics
Energy stored in a capacitor
Impulse
1
W = 2 QV
FΔt = Δp
Kinetic energy of a non-relativistic Capacitor discharge
particle
Q = Q0e−t/RC
p2
Ek = Resistor – capacitor discharge
2m
I = I0e−t/RC
Motion in a circle
V = V0e−t/RC
v = ωr
In a magnetic field
2π
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T=
ω F = BIl sin θ
mv 2
F = ma = F = Bqv sin θ
r
v2 Faraday’s and Lenz’s laws
a=
r −d(Nϕ)
ε=
a = rω2 dt
Root-mean-square values
Centripetal force
mv2 V0
F= Vr ms =
r √2
I
F = mrω2 Ir ms = 0
√2
32
*P48995RRA03236*
 Nuclear and particle physics Radioactive decay
In a magnetic field A = λN
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p dN
r= = −λN
BQ dt
ln 2
λ=
Thermodynamics t½
N = N0 e−λt
Heating
A = A0 e−λt
ΔE = mcΔθ
ΔE = LΔm Gravitational fields
Molecular kinetic theory Gravitational force
1 3 Gm1m2
2
mác2ñ = 2 kT F=
r2
1
pV = 3 Nmác2ñ
Gravitational field strength

Ideal gas equation Gm

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g=
r2
pV = NkT
Gravitational potential
Stefan-Boltzmann law
−Gm
L = σAT 4 Vgrav =
r
L = σ4πr2T 4
Oscillations
Wien’s law
Simple harmonic motion
λmaxT = 2.898 × 10−3 m K
F = −k x
Space a = −ω2x
Intensity x = A cos ωt
L
I= v = −Aω sin ωt
4πd 2
a = ‒Aω2 cos ωt
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Redshift of electromagnetic radiation 1 2π

T= =
Δλ Δf v f ω
z= ≈ ≈
λ f c ω = 2π f
Cosmological expansion Simple harmonic oscillator
v = H 0d m
T = 2π
k
Nuclear radiation l
T = 2π
Mass-energy g

ΔE = c2Δm

33
*P48995RRA03336*
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*P48995RRA03436*
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34
 35
*P48995RRA03536*
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*P48995RRA03636*