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FHSST AuthorsThe Free High School Science Texts:Textbooks for High School StudentsStudying the SciencesPhysical ScienceGrade 10Version 0.5September 9, 2010
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.
iiiFHSST Core TeamMark Horner ; Samuel Halliday ; Sarah Blyth ; Rory Adams ; Spencer WheatonFHSST EditorsJaynie Padayachee ; Joanne Boulle ; Diana Mulcahy ; Annette Nell ; René Toerien ; DonovanWhitfieldFHSST ContributorsSarah Abel ; Dr. Rory Adams ; Andrea Africa ; Ben Anhalt ; Prashant Arora ; RaymondBarbour ; Richard Baxter ; Tara Beckerling ; Tim van Beek ; Jennifer de Beyer ; Dr. SarahBlyth ; Sebastian Bodenstein ; Martin Bongers ; Stephan Brandt ; Craig Brown ; GraemeBroster ; Deanne de Bude ; Richard Case ; Fanny Cherblanc ; Dr. Christine Chung ; BrettCocks ; Andrew Craig ; Tim Crombie ; Dan Crytser ; Dr. Anne Dabrowski ; Laura Daniels ;Sean Dobbs ; Esmi Dreyer ; Matthew Duddy ; Fernando Durrell ; Dr. Dan Dwyer ; Frans vanEeden ; Alex Ellis ; Tom Ellis ; Giovanni Franzoni ; Ingrid von Glehn ; Tamara von Glehn ;Lindsay Glesener ; Kevin Godby ; Dr. Vanessa Godfrey ; Dr. Johan Gonzalez ; Hemant Gopal ;Dr. Stephanie Gould ; Umeshree Govender ; Heather Gray ; Lynn Greeff ; Dr. Tom Gutierrez ;Brooke Haag ; Kate Hadley ; Dr. Sam Halliday ; Asheena Hanuman ; Dr Melanie DymondHarper ; Dr. Nicholas Harrison ; Neil Hart ; Nicholas Hatcher ; Dr. William P. Heal ; Pierrevan Heerden ; Dr. Fritha Hennessy ; Millie Hilgart ; Chris Holdsworth ; Dr. Benne Holwerda ;Dr. Mark Horner ; Mfandaidza Hove ; Robert Hovden ; Jennifer Hsieh ; Clare Johnson ; LukeJordan ; Tana Joseph ; Dr. Fabian Jutz ; Dr. Lutz Kampmann ; Paul Kim ; Dr. Jennifer Klay ;Lara Kruger ; Sihle Kubheka ; Andrew Kubik ; Dr. Jannie Leach ; Dr. Marco van Leeuwen ;Dr. Tom Leinster ; Dr. Anton Machacek ; Dr. Komal Maheshwari ; Kosma von Maltitz ;Bryony Martin ; Nicole Masureik ; John Mathew ; Dr. Will Matthews ; JoEllen McBride ;Nikolai Meures ; Riana Meyer ; Filippo Miatto ; Jenny Miller ; Abdul Mirza ; Mapholo Modise ;Carla Moerdyk ; Asogan Moodaly ; Jothi Moodley ; David Myburgh ; Kamie Naidu ; NoleneNaidu ; Bridget Nash ; Tyrone Negus ; Thomas O’Donnell ; Dr. Markus Oldenburg ; Dr.Jaynie Padayachee ; Dave Pawson ; Nicolette Pekeur ; Sirika Pillay ; Jacques Plaut ; AndreaPrinsloo ; Joseph Raimondo ; Sanya Rajani ; Prof. Sergey Rakityansky ; Alastair Ramlakan ;Dr. Matina J. Rassias ; Dr. Jocelyn Read ; Dr. Matthew Reece ; Razvan Remsing ; LauraRichter ; Max Richter ; Sean Riddle ; Jonathan Reader ; Dr. David Roberts ; Evan Robinson ;Raoul Rontsch ; Dr. Andrew Rose ; Katie Ross ; Jeanne-Marié Roux ; Bianca Ruddy ; KatieRussell ; Steven Sam ; Nathaniel Schwartz ; Duncan Scott ; Helen Seals ; Ian Sherratt ; Dr.James Short ; Roger Sieloff ; Clare Slotow ; Bradley Smith ; Greg Solomon ; Dr. AndrewStacey ; Dr. Jim Stasheff ; Mike Stay ; Mike Stringer ; Tim Teatro ; Ben Thompson ; ShenTian ; Nicola du Toit ; Robert Torregrosa ; Jimmy Tseng ; Pieter Vergeer ; Helen Waugh ; Dr.Dawn Webber ; Michelle Wen ; Neels van der Westhuizen ; Dr. Alexander Wetzler ; Dr.Spencer Wheaton ; Vivian White ; Dr. Gerald Wigger ; Harry Wiggins ; Heather Williams ;Wendy Williams ; Julie Wilson ; Timothy Wilson ; Andrew Wood ; Emma Wormauld ; Dr.Sahal Yacoob ; Jean Youssef ; Ewald ZietsmanContributors 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.org
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Contents1 Units11.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.2Unit Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.2.1SI Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .11.2.2The Other Systems of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21.3Writing Units as Words or Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .21.4Combinations of SI Base Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41.5Rounding, Scientific Notation and Significant Figures . . . . . . . . . . . . . . .41.5.1Rounding Off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .41.5.2Error Margins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61.5.3Scientific Notation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .61.5.4Significant Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81.6Prefixes of Base Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .81.7The Importance of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.8How to Change Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101.8.11.9Two other useful conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12A sanity test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.11 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14IChemistry152 Classification of Matter - Grade 102.12.217Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172.1.1Heterogeneous mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.1.2Homogeneous mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.1.3Separating mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19Pure Substances: Elements and Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2.1Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.2.2Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212.3Giving names and formulae to substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222.4Metals, Semi-metals and Non-metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.4.1Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25v
CONTENTSCONTENTS2.4.2Non-metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.4.3Semi-metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.5Electrical conductors, semi-conductors and insulators . . . . . . . . . . . . . . . 262.6Thermal Conductors and Insulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.7Magnetic and Non-magnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292.8Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 What are the objects around us made of? - Grade 10333.1Introduction: The atom as the building block of matter . . . . . . . . . . . . . . 333.2Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.2.1Representing molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333.3Intramolecular and intermolecular forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373.4The Kinetic Theory of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383.5The Properties of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.6Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434 The Atom - Grade 104.14.24.347Models of the Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.1.1The Plum Pudding Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474.1.2Rutherford’s model of the atom4.1.3The Bohr Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48How big is an atom? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.2.1How heavy is an atom? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.2.2How big is an atom? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50Atomic structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504.3.1The Electron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.3.2The Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514.4Atomic number and atomic mass number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 524.5Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.64.74.84.94.5.1What is an isotope? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544.5.2Relative atomic mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57Energy quantisation and electron configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.6.1The energy of electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.6.2Energy quantisation and line emission spectra . . . . . . . . . . . . . . . 594.6.3Electron configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594.6.4Core and valence electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644.6.5The importance of understanding electron configuration. . . . . . . . . 64Ionisation Energy and the Periodic Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.7.1Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 664.7.2Ionisation Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67The Arrangement of Atoms in the Periodic Table . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.8.1Groups in the periodic table. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684.8.2Periods in the periodic table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71vi
CONTENTSCONTENTS5 Physical and Chemical Change - Grade 10755.1Physical changes in matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 755.2Chemical Changes in Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 765.2.1Decomposition reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 775.2.2Synthesis reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785.3Energy changes in chemical reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.4Conservation of atoms and mass in reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 815.5Law of constant composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 835.6Volume relationships in gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845.7Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 846 Representing Chemical Change - Grade 10876.1Chemical symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 876.2Writing chemical formulae6.3Balancing chemical equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 886.3.1The law of conservation of mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 886.3.2Steps to balance a chemical equation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 906.4State symbols and other information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 946.5Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 967 The Water Cycle - Grade 10997.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997.2The importance of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 997.3The movement of water through the water cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1007.4The microscopic structure of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1037.4.1The polar nature of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1037.4.2Hydrogen bonding in water molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1037.5The unique properties of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1047.6Water conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1077.7Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1108 Global Cycles: The Nitrogen Cycle - Grade 101138.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1138.2Nitrogen fixation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1138.3Nitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1158.4Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1168.5Human Influences on the Nitrogen Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1168.6The industrial fixation of nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1178.7Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1199 The Hydrosphere - Grade 101219.1Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1219.2Interactions of the hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121vii
CONTENTSCONTENTS9.3Exploring the Hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1229.4The Importance of the Hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1239.5Ions in aqueous solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1239.69.5.1Dissociation in water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1249.5.2Ions and water hardness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1269.5.3The pH scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1269.5.4Acid rain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128Electrolytes, ionisation and conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1309.6.1Electrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1309.6.2Non-electrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1319.6.3Factors that affect the conductivity of water . . . . . . . . . . . . . . . . 1319.7Precipitation reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1339.8Testing for common anions in solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1359.99.8.1Test for a chloride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1359.8.2Test for a sulphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1359.8.3Test for a carbonate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1369.8.4Test for bromides and iodides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136Threats to the Hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1379.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138IIPhysics14110 Units14310.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14310.2 Unit Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14310.2.1 SI Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14310.2.2 The Other Systems of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14410.3 Writing Units as Words or Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14410.4 Combinations of SI Base Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14510.5 Rounding, Scientific Notation and Significant Figures . . . . . . . . . . . . . . . 14510.5.1 Rounding Off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14510.5.2 Error Margins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14610.5.3 Scientific Notation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14710.5.4 Significant Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14710.6 Prefixes of Base Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14810.7 The Importance of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14910.8 How to Change Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15010.8.1 Two other useful conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15110.9 A sanity test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15110.10Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15210.11End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152viii
CONTENTSCONTENTS11 Motion in One Dimension - Grade 1015511.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15511.2 Reference Point, Frame of Reference and Position . . . . . . . . . . . . . . . . . 15511.2.1 Frames of Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15511.2.2 Position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15611.3 Displacement and Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15811.3.1 Interpreting Direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15911.3.2 Differences between Distance and Displacement . . . . . . . . . . . . . . 15911.4 Speed, Average Velocity and Instantaneous Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . 16011.4.1 Differences between Speed and Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16411.5 Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16711.6 Description of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16911.6.1 Stationary Object . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16911.6.2 Motion at Constant Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17011.6.3 Motion at Constant Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17411.7 Summary of Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17611.8 Worked Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17711.9 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18311.9.1 Finding the Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18311.10Applications in the Real-World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18811.11Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19111.12End of Chapter Exercises: Motion in One Dimension . . . . . . . . . . . . . . . 19212 Gravity and Mechanical Energy - Grade 1019712.1 Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19712.1.1 Differences between Mass and Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19812.2 Acceleration due to Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19912.2.1 Gravitational Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19912.2.2 Free fall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19912.3 Potential Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20412.4 Kinetic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20612.4.1 Checking units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20712.5 Mechanical Energy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20812.5.1 Conservation of Mechanical Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20812.5.2 Using the Law of Conservation of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . 20912.6 Energy graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21312.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21412.8 End of Chapter Exercises: Gravity and Mechanical Energy . . . . . . . . . . . . 21413 Transverse Pulses - Grade 1021713.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21713.2 What is a medium? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217ix
CONTENTSCONTENTS13.3 What is a pulse? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21713.3.1 Pulse Length and Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21813.3.2 Pulse Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21913.4 Graphs of Position and Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22013.4.1 Motion of a Particle of the Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22013.4.2 Motion of the Pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22213.5 Transmission and Reflection of a Pulse at a Boundary . . . . . . . . . . . . . . . 22613.6 Reflection of a Pulse from Fixed and Free Ends . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22813.6.1 Reflection of a Pulse from a Fixed End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22813.6.2 Reflection of a Pulse from a Free End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22813.7 Superposition of Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22913.8 Exercises - Transverse Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23214 Transverse Waves - Grade 1023514.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23514.2 What is a transverse wave? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23514.2.1 Peaks and Troughs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23614.2.2 Amplitude and Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23714.2.3 Points in Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23914.2.4 Period and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24014.2.5 Speed of a Transverse Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24114.3 Graphs of Particle Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24514.4 Standing Waves and Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24814.4.1 Reflection of a Transverse Wave from a Fixed End . . . . . . . . . . . . 24814.4.2 Reflection of a Transverse Wave from a Free End . . . . . . . . . . . . . 24814.4.3 Standing Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24914.4.4 Nodes and Anti-nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25214.4.5 Wavelengths of Standing Waves with Fixed and Free Ends . . . . . . . . 25214.4.6 Superposition and Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25514.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25714.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25715 Geometrical Optics - Grade 1025915.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25915.2 Light Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25915.2.1 Shadows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26115.2.2 Ray Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26115.3 Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26215.3.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26215.3.2 Law of Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26215.3.3 Types of Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26415.4 Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266x
CONTENTSCONTENTS15.4.1 Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26715.4.2 Snell’s Law. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26915.4.3 Apparent Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27215.5 Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27615.5.1 Image Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27615.5.2 Plane Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27615.5.3 Ray Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27815.5.4 Spherical Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28015.5.5 Concave Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28015.5.6 Convex Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28215.5.7 Summary of Properties of Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28315.5.8 Magnification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28315.6 Total Internal Reflection and Fibre Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28515.6.1 Total Internal Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28515.6.2 Fibre Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29015.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29215.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29316 Magnetism - Grade 1029516.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29516.2 Magnetic fields. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29516.3 Permanent magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29716.3.1 The poles of permanent magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29716.3.2 Magnetic attraction and repulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29716.3.3 Representing magnetic fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29816.4 The compass and the earth’s magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30116.4.1 The earth’s magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30216.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30316.6 End of chapter exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30317 Electrostatics - Grade 1030517.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30517.2 Two kinds of charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30517.3 Unit of charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30517.4 Conservation of charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30517.5 Force between Charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30617.6 Conductors and insulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30917.6.1 The electroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31017.7 Attraction between charged and uncharged objects . . . . . . . . . . . . . . . . 31217.7.1 Polarisation of Insulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31217.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31217.9 End of chapter exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313xi
CONTENTSCONTENTS18 Electric Circuits - Grade 1031518.1 Electric Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31518.1.1 Closed circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31518.1.2 Representing electric circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31618.2 Potential Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32018.2.1 Potential Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32018.2.2 Potential Difference and Parallel Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . 32118.2.3 Potential Difference and Series Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32218.2.4 Ohm’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32318.2.5 EMF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32318.3 Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32618.3.1 Flow of Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32618.3.2 Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32718.3.3 Series Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32718.3.4 Parallel Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32918.4 Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33018
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