Transcription
FHSST AuthorsThe Free High School Science Texts:Textbooks for High School StudentsStudying the SciencesPhysicsGrades 10 - 12Version 0November 9, 2008
iiCopyright 2007 “Free High School Science Texts”Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document under theterms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2 or any later versionpublished by the Free Software Foundation; with no Invariant Sections, no FrontCover Texts, and no Back-Cover Texts. A copy of the license is included in thesection entitled “GNU Free Documentation License”.STOP!!!!Did you notice the FREEDOMS we’ve granted you?Our copyright license is different! It grants freedomsrather than just imposing restrictions like all those othertextbooks you probably own or use. We know people copy textbooks illegally but we would LOVE it if you copiedour’s - go ahead copy to your hearts content, legally! Publishers’ revenue is generated by controlling the market, we don’t want anymoney, go ahead, distribute our books far and wide - we DARE you! Ever wanted to change your textbook? Of course you have! Go ahead, changeours, make your own version, get your friends together, rip it apart and putit back together the way you like it. That’s what we really want! Copy, modify, adapt, enhance, share, critique, adore, and contextualise. Doit all, do it with your colleagues, your friends, or alone but get involved!Together we can overcome the challenges our complex and diverse countrypresents. So what is the catch? The only thing you can’t do is take this book, makea few changes and then tell others that they can’t do the same with yourchanges. It’s share and share-alike and we know you’ll agree that is only fair. These books were written by volunteers who want to help support education,who want the facts to be freely available for teachers to copy, adapt andre-use. Thousands of hours went into making them and they are a gift toeveryone in the education community.
FHSST Core TeamMark Horner ; Samuel Halliday ; Sarah Blyth ; Rory Adams ; Spencer WheatonFHSST EditorsJaynie Padayachee ; Joanne Boulle ; Diana Mulcahy ; Annette Nell ; René Toerien ; DonovanWhitfieldFHSST ContributorsRory Adams ; Prashant Arora ; Richard Baxter ; Dr. Sarah Blyth ; Sebastian Bodenstein ;Graeme Broster ; Richard Case ; Brett Cocks ; Tim Crombie ; Dr. Anne Dabrowski ; LauraDaniels ; Sean Dobbs ; Fernando Durrell ; Dr. Dan Dwyer ; Frans van Eeden ; GiovanniFranzoni ; Ingrid von Glehn ; Tamara von Glehn ; Lindsay Glesener ; Dr. Vanessa Godfrey ; Dr.Johan Gonzalez ; Hemant Gopal ; Umeshree Govender ; Heather Gray ; Lynn Greeff ; Dr. TomGutierrez ; Brooke Haag ; Kate Hadley ; Dr. Sam Halliday ; Asheena Hanuman ; Neil Hart ;Nicholas Hatcher ; Dr. Mark Horner ; Robert Hovden ; Mfandaidza Hove ; Jennifer Hsieh ;Clare Johnson ; Luke Jordan ; Tana Joseph ; Dr. Jennifer Klay ; Lara Kruger ; Sihle Kubheka ;Andrew Kubik ; Dr. Marco van Leeuwen ; Dr. Anton Machacek ; Dr. Komal Maheshwari ;Kosma von Maltitz ; Nicole Masureik ; John Mathew ; JoEllen McBride ; Nikolai Meures ;Riana Meyer ; Jenny Miller ; Abdul Mirza ; Asogan Moodaly ; Jothi Moodley ; Nolene Naidu ;Tyrone Negus ; Thomas O’Donnell ; Dr. Markus Oldenburg ; Dr. Jaynie Padayachee ;Nicolette Pekeur ; Sirika Pillay ; Jacques Plaut ; Andrea Prinsloo ; Joseph Raimondo ; SanyaRajani ; Prof. Sergey Rakityansky ; Alastair Ramlakan ; Razvan Remsing ; Max Richter ; SeanRiddle ; Evan Robinson ; Dr. Andrew Rose ; Bianca Ruddy ; Katie Russell ; Duncan Scott ;Helen Seals ; Ian Sherratt ; Roger Sieloff ; Bradley Smith ; Greg Solomon ; Mike Stringer ;Shen Tian ; Robert Torregrosa ; Jimmy Tseng ; Helen Waugh ; Dr. Dawn Webber ; MichelleWen ; Dr. Alexander Wetzler ; Dr. Spencer Wheaton ; Vivian White ; Dr. Gerald Wigger ;Harry Wiggins ; Wendy Williams ; Julie Wilson ; Andrew Wood ; Emma Wormauld ; SahalYacoob ; Jean YoussefContributors and editors have made a sincere effort to produce an accurate and useful resource.Should you have suggestions, find mistakes or be prepared to donate material for inclusion,please don’t hesitate to contact us. We intend to work with all who are willing to help makethis a continuously evolving resource!www.fhsst.orgiii
iv
ContentsIIntroduction11 What is Physics?3II5Grade 10 - Physics2 Units92.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92.2Unit Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92.2.1SI Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .92.2.2The Other Systems of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.3Writing Units as Words or Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102.4Combinations of SI Base Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.5Rounding, Scientific Notation and Significant Figures . . . . . . . . . . . . . . . 122.5.1Rounding Off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122.5.2Error Margins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.5.3Scientific Notation2.5.4Significant Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132.6Prefixes of Base Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152.7The Importance of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.8How to Change Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.8.12.9Two other useful conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19A sanity test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192.11 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 Motion in One Dimension - Grade 10233.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2Reference Point, Frame of Reference and Position . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.33.43.2.1Frames of Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233.2.2Position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25Displacement and Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283.3.1Interpreting Direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293.3.2Differences between Distance and Displacement . . . . . . . . . . . . . . 29Speed, Average Velocity and Instantaneous Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . 31v
CONTENTS3.4.1CONTENTSDifferences between Speed and Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353.5Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.6Description of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393.6.1Stationary Object . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.6.2Motion at Constant Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.6.3Motion at Constant Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.7Summary of Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483.8Worked Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.9Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.9.1Finding the Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543.10 Applications in the Real-World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613.12 End of Chapter Exercises: Motion in One Dimension . . . . . . . . . . . . . . . 624 Gravity and Mechanical Energy - Grade 104.1Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 674.1.14.267Differences between Mass and Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68Acceleration due to Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.2.1Gravitational Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.2.2Free fall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.3Potential Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 734.4Kinetic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754.4.14.5Checking units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77Mechanical Energy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.5.1Conservation of Mechanical Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 784.5.2Using the Law of Conservation of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . 794.6Energy graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 824.7Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.8End of Chapter Exercises: Gravity and Mechanical Energy . . . . . . . . . . . . 845 Transverse Pulses - Grade 10875.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.2What is a medium? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.3What is a pulse? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875.45.3.1Pulse Length and Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 885.3.2Pulse Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89Graphs of Position and Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.4.1Motion of a Particle of the Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.4.2Motion of the Pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925.5Transmission and Reflection of a Pulse at a Boundary . . . . . . . . . . . . . . . 965.6Reflection of a Pulse from Fixed and Free Ends . . . . . . . . . . . . . . . . . . 975.6.1Reflection of a Pulse from a Fixed End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97vi
CONTENTS5.6.2CONTENTSReflection of a Pulse from a Free End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985.7Superposition of Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 995.8Exercises - Transverse Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1026 Transverse Waves - Grade 101056.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1056.2What is a transverse wave? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1056.2.1Peaks and Troughs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1066.2.2Amplitude and Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1076.2.3Points in Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096.2.4Period and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1106.2.5Speed of a Transverse Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1116.3Graphs of Particle Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1156.4Standing Waves and Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1186.4.1Reflection of a Transverse Wave from a Fixed End . . . . . . . . . . . . 1186.4.2Reflection of a Transverse Wave from a Free End . . . . . . . . . . . . . 1186.4.3Standing Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1186.4.4Nodes and anti-nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1226.4.5Wavelengths of Standing Waves with Fixed and Free Ends . . . . . . . . 1226.4.6Superposition and Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1256.5Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1276.6Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1277 Geometrical Optics - Grade 101297.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1297.2Light Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1297.37.47.57.2.1Shadows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1327.2.2Ray Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1327.3.1Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1337.3.2Law of Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1337.3.3Types of Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1377.4.1Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1397.4.2Snell’s Law7.4.3Apparent Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1467.5.1Image Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1467.5.2Plane Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1477.5.3Ray Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1487.5.4Spherical Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1507.5.5Concave Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150vii
CONTENTS7.6CONTENTS7.5.6Convex Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1537.5.7Summary of Properties of Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1547.5.8Magnification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154Total Internal Reflection and Fibre Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1567.6.1Total Internal Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1567.6.2Fibre Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1617.7Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1637.8Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1648 Magnetism - Grade 101678.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1678.2Magnetic fields8.3Permanent magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1698.4. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1678.3.1The poles of permanent magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1698.3.2Magnetic attraction and repulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1698.3.3Representing magnetic fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170The compass and the earth’s magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1738.4.1The earth’s magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1758.5Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1758.6End of chapter exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1769 Electrostatics - Grade 101779.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1779.2Two kinds of charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1779.3Unit of charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1779.4Conservation of charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1779.5Force between Charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1789.6Conductors and insulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1819.6.19.7The electroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182Attraction between charged and uncharged objects . . . . . . . . . . . . . . . . 1839.7.1Polarisation of Insulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1839.8Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1849.9End of chapter exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18410 Electric Circuits - Grade 1018710.1 Electric Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18710.1.1 Closed circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18710.1.2 Representing electric circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18810.2 Potential Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19210.2.1 Potential Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19210.2.2 Potential Difference and Parallel Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . 19310.2.3 Potential Difference and Series Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19410.2.4 Ohm’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194viii
CONTENTSCONTENTS10.2.5 EMF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19510.3 Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19810.3.1 Flow of Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19810.3.2 Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19810.3.3 Series Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19910.3.4 Parallel Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20010.4 Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20210.4.1 What causes resistance? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20210.4.2 Resistors in electric circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20210.5 Instruments to Measure voltage, current and resistance . . . . . . . . . . . . . . 20410.5.1 Voltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20410.5.2 Ammeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20410.5.3 Ohmmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20410.5.4 Meters Impact on Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20510.6 Exercises - Electric circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205IIIGrade 11 - Physics11 Vectors20921111.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21111.2 Scalars and Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21111.3 Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21111.3.1 Mathematical Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21211.3.2 Graphical Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21211.4 Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21211.4.1 Relative Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21211.4.2 Compass Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21311.4.3 Bearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21311.5 Drawing Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21411.6 Mathematical Properties of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21511.6.1 Adding Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21511.6.2 Subtracting Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21711.6.3 Scalar Multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21811.7 Techniques of Vector Addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21811.7.1 Graphical Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21811.7.2 Algebraic Addition and Subtraction of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . 22311.8 Components of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22811.8.1 Vector addition using components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23111.8.2 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23511.8.3 End of chapter exercises: Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23611.8.4 End of chapter exercises: Vectors - Long questions . . . . . . . . . . . . 237ix
CONTENTS12 Force, Momentum and Impulse - Grade 11CONTENTS23912.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23912.2 Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23912.2.1 What is a force? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23912.2.2 Examples of Forces in Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24012.2.3 Systems and External Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24112.2.4 Force Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24212.2.5 Free Body Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24312.2.6 Finding the Resultant Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24412.2.7 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24612.3 Newton’s Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24612.3.1 Newton’s First Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24712.3.2 Newton’s Second Law of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24912.3.3 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26112.3.4 Newton’s Third Law of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26312.3.5 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26712.3.6 Different types of forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26812.3.7 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27512.3.8 Forces in equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27612.3.9 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27912.4 Forces between Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28212.4.1 Newton’s Law of Universal Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28212.4.2 Comparative Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28412.4.3 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28612.5 Momentum and Impulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28712.5.1 Vector Nature of Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29012.5.2 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29112.5.3 Change in Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29112.5.4 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29312.5.5 Newton’s Second Law revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29312.5.6 Impulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29412.5.7 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29612.5.8 Conservation of Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29712.5.9 Physics in Action: Impulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30012.5.10 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30112.6 Torque and Levers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30212.6.1 Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30212.6.2 Mechanical Advantage and Levers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30512.6.3 Classes of levers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30712.6.4 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30812.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30912.8 End of Chapter exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310x
CONTENTSCONTENTS13 Geometrical Optics - Grade 1132713.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32713.2 Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32713.2.1 Converging Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32913.2.2 Diverging Lenses. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34013.2.3 Summary of Image Properties. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34313.3 The Human Eye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34413.3.1 Structure of the Eye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34513.3.2 Defects of Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34613.4 Gravitational Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34713.5 Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34713.5.1 Refracting Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34713.5.2 Reflecting Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34813.5.3 Southern African Large Telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34813.6 Microscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34913.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35113.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35214 Longitudinal Waves - Grade 1135514.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35514.2 What is a longitudinal wave? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35514.3 Characteristics of Longitudinal Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35614.3.1 Compression and Rarefaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35614.3.2 Wavelength and Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35714.3.3 Period and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35714.3.4 Speed of a Longitudinal Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35814.4 Graphs of Particle Position, Displacement, Velocity and Acceleration . . . . . . . 35914.5 Sound Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36014.6 Seismic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36114.7 Summary - Longitudinal Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36114.8 Exercises - Longitudinal Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36215 Sound - Grade 1136315.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36315.2 Characteristics of a Sound Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36315.2.1 Pitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36415.2.2 Loudness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36415.2.3 Tone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36415.3 Speed of Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36515.4 Physics of the Ear and Hearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36515.4.1 Intensity of Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36615.5 Ultrasound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367xi
CONTENTSCONTENTS15.6 SONAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36815.6.1 Echolocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36815.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36915.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36916 The Physics of Music - Grade 1137316.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37316.2 Standing Waves in String Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37316.3 Standing Waves in Wind Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37716.4 Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38216.5 Music and Sound Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38416.6 Summary - The Physics of Music . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38516.7 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38617 Electrostatics - Grade 1138717.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38717.2 Forces between charges - Coulomb’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38717.3 Electric field around charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39217.3.1 Electric field lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39317.3.2 Positive charge acting on a test charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39317.3.3 Combined charge distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39417.3.4 Parallel plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39717.4 Electrical potential energy and potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40017.4.1 Electrical potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40017.4.2 Real-world application: lightning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40217.5 Capacitance and the parallel plate capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40317.5.1 Capacitors and capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40317.5.2 Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40417.5.3 Physical properties of the capacitor and capacitance . . . . . . . . . . . . 40417.5.4 Electric field in a capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40517.6 Capacitor as a circuit device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40617.6.1 A capacitor in a circuit
terms of the GNU Free Documentation License, Version 1.2 or any later version published by the Free Software Foundation; with no Invariant Sections, no Front-Cover Texts, and no Back-Cover Texts. A copy of the license is included in the section entitled "GNU Free Documentation License". STOP!!!! Did you notice the FREEDOMS we've granted you?
