High School Physics Textbook pdf

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Dr.MasonHanks,Germany,Teacher
Published Date:23-07-2017
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FHSST Authors The Free High School Science Texts: Textbooks for High School Students Studying the Sciences Physics Grades 10 - 12 Version 0 November 9, 2008ii Copyright 2007 “Free High School Science Texts” Permission is granted to copy, distribute and/or modify this document under the 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? Our copyright license is different It grants freedoms rather than just imposing restrictions like all those other textbooks you probably own or use. • We know people copy textbooks illegally but we would LOVE it if you copied our’s - go ahead copy to your hearts content, legally • Publishers’ revenue is generated by controlling the market, we don’t want any money, go ahead, distribute our books far and wide - we DARE you • Everwantedtochangeyourtextbook? Ofcourseyouhave Goahead,change ours, make your own version, get your friends together, rip it apart and put it back together the way you like it. That’s what we really want • Copy, modify, adapt, enhance, share, critique, adore, and contextualise. Do it all, do it with your colleagues, your friends, or alone but get involved Together we can overcome the challenges our complex and diverse country presents. • So what is the catch? The only thing you can’t do is take this book, make a few changes and then tell others that they can’t do the same with your changes. 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 and re-use. Thousands of hours went into making them and they are a gift to everyone in the education community.FHSST Core Team Mark Horner ; Samuel Halliday ; Sarah Blyth ; Rory Adams ; Spencer Wheaton FHSST Editors Jaynie Padayachee ; Joanne Boulle ; Diana Mulcahy ; Annette Nell ; Ren´e Toerien ; Donovan Whitfield FHSST Contributors Rory Adams ; Prashant Arora ; Richard Baxter ; Dr. Sarah Blyth ; Sebastian Bodenstein ; Graeme Broster ; Richard Case ; Brett Cocks ; Tim Crombie ; Dr. Anne Dabrowski ; Laura Daniels ; Sean Dobbs ; Fernando Durrell ; Dr. Dan Dwyer ; Frans van Eeden ; Giovanni Franzoni ; Ingrid von Glehn ; Tamara von Glehn ; Lindsay Glesener ; Dr. Vanessa Godfrey ; Dr. Johan Gonzalez ; Hemant Gopal ; Umeshree Govender ; Heather Gray ; Lynn Greeff ; Dr. Tom Gutierrez ; 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 ; Sanya Rajani ; Prof. Sergey Rakityansky ; Alastair Ramlakan ; Razvan Remsing ; Max Richter ; Sean Riddle ; 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 ; Michelle Wen ; Dr. Alexander Wetzler ; Dr. Spencer Wheaton ; Vivian White ; Dr. Gerald Wigger ; Harry Wiggins ; Wendy Williams ; Julie Wilson ; Andrew Wood ; Emma Wormauld ; Sahal Yacoob ; Jean Youssef Contributors 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 make this a continuously evolving resource www.fhsst.org iiiivContents I Introduction 1 1 What is Physics? 3 II Grade 10 - Physics 5 2 Units 9 2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2 Unit Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.1 SI Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.2.2 The Other Systems of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.3 Writing Units as Words or Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.4 Combinations of SI Base Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.5 Rounding, Scientific Notation and Significant Figures . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.5.1 Rounding Off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.5.2 Error Margins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.5.3 Scientific Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.5.4 Significant Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.6 Prefixes of Base Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.7 The Importance of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.8 How to Change Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.8.1 Two other useful conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.9 A sanity test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.11 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3 Motion in One Dimension - Grade 10 23 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2 Reference Point, Frame of Reference and Position . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.1 Frames of Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23 3.2.2 Position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 3.3 Displacement and Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.3.1 Interpreting Direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 3.3.2 Differences between Distance and Displacement . . . . . . . . . . . . . . 29 3.4 Speed, Average Velocity and Instantaneous Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . 31 vCONTENTS CONTENTS 3.4.1 Differences between Speed and Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.5 Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.6 Description of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.6.1 Stationary Object . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.6.2 Motion at Constant Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.6.3 Motion at Constant Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.7 Summary of Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.8 Worked Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.9 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.9.1 Finding the Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.10 Applications in the Real-World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 3.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 3.12 End of Chapter Exercises: Motion in One Dimension . . . . . . . . . . . . . . . 62 4 Gravity and Mechanical Energy - Grade 10 67 4.1 Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 4.1.1 Differences between Mass and Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 4.2 Acceleration due to Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.2.1 Gravitational Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.2.2 Free fall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.3 Potential Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.4 Kinetic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75 4.4.1 Checking units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.5 Mechanical Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.5.1 Conservation of Mechanical Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.5.2 Using the Law of Conservation of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.6 Energy graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.8 End of Chapter Exercises: Gravity and Mechanical Energy . . . . . . . . . . . . 84 5 Transverse Pulses - Grade 10 87 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.2 What is a medium? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.3 What is a pulse? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87 5.3.1 Pulse Length and Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5.3.2 Pulse Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.4 Graphs of Position and Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.4.1 Motion of a Particle of the Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 5.4.2 Motion of the Pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 5.5 Transmission and Reflection of a Pulse at a Boundary . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.6 Reflection of a Pulse from Fixed and Free Ends . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 5.6.1 Reflection of a Pulse from a Fixed End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 viCONTENTS CONTENTS 5.6.2 Reflection of a Pulse from a Free End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98 5.7 Superposition of Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5.8 Exercises - Transverse Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6 Transverse Waves - Grade 10 105 6.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.2 What is a transverse wave? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 6.2.1 Peaks and Troughs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 6.2.2 Amplitude and Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6.2.3 Points in Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 6.2.4 Period and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 6.2.5 Speed of a Transverse Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 6.3 Graphs of Particle Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115 6.4 Standing Waves and Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.4.1 Reflection of a Transverse Wave from a Fixed End . . . . . . . . . . . . 118 6.4.2 Reflection of a Transverse Wave from a Free End . . . . . . . . . . . . . 118 6.4.3 Standing Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 6.4.4 Nodes and anti-nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 6.4.5 Wavelengths of Standing Waves with Fixed and Free Ends . . . . . . . . 122 6.4.6 Superposition and Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 6.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 7 Geometrical Optics - Grade 10 129 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 7.2 Light Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129 7.2.1 Shadows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7.2.2 Ray Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7.3 Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132 7.3.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 7.3.2 Law of Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133 7.3.3 Types of Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135 7.4 Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 7.4.1 Refractive Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.4.2 Snell’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139 7.4.3 Apparent Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 7.5 Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 7.5.1 Image Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 7.5.2 Plane Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 7.5.3 Ray Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148 7.5.4 Spherical Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 7.5.5 Concave Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150 viiCONTENTS CONTENTS 7.5.6 Convex Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 7.5.7 Summary of Properties of Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 7.5.8 Magnification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 7.6 Total Internal Reflection and Fibre Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 7.6.1 Total Internal Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156 7.6.2 Fibre Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161 7.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 7.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164 8 Magnetism - Grade 10 167 8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 8.2 Magnetic fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 8.3 Permanent magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 8.3.1 The poles of permanent magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 8.3.2 Magnetic attraction and repulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 8.3.3 Representing magnetic fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170 8.4 The compass and the earth’s magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 8.4.1 The earth’s magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 8.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175 8.6 End of chapter exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 9 Electrostatics - Grade 10 177 9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 9.2 Two kinds of charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 9.3 Unit of charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 9.4 Conservation of charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 9.5 Force between Charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 9.6 Conductors and insulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181 9.6.1 The electroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182 9.7 Attraction between charged and uncharged objects . . . . . . . . . . . . . . . . 183 9.7.1 Polarisation of Insulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183 9.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 9.9 End of chapter exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184 10 Electric Circuits - Grade 10 187 10.1 Electric Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 10.1.1 Closed circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 10.1.2 Representing electric circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 10.2 Potential Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 10.2.1 Potential Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 10.2.2 Potential Difference and Parallel Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . 193 10.2.3 Potential Difference and Series Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 10.2.4 Ohm’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 viiiCONTENTS CONTENTS 10.2.5 EMF . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 10.3 Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 10.3.1 Flow of Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 10.3.2 Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198 10.3.3 Series Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 10.3.4 Parallel Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200 10.4 Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 10.4.1 What causes resistance? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 10.4.2 Resistors in electric circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 10.5 Instruments to Measure voltage, current and resistance . . . . . . . . . . . . . . 204 10.5.1 Voltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 10.5.2 Ammeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 10.5.3 Ohmmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 10.5.4 Meters Impact on Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 10.6 Exercises - Electric circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205 III Grade 11 - Physics 209 11 Vectors 211 11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 11.2 Scalars and Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 11.3 Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 11.3.1 Mathematical Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 11.3.2 Graphical Representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 11.4 Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 11.4.1 Relative Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 11.4.2 Compass Directions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 11.4.3 Bearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 11.5 Drawing Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 11.6 Mathematical Properties of Vectors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 11.6.1 Adding Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215 11.6.2 Subtracting Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 11.6.3 Scalar Multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 11.7 Techniques of Vector Addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 11.7.1 Graphical Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218 11.7.2 Algebraic Addition and Subtraction of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . 223 11.8 Components of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228 11.8.1 Vector addition using components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 231 11.8.2 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 11.8.3 End of chapter exercises: Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236 11.8.4 End of chapter exercises: Vectors - Long questions . . . . . . . . . . . . 237 ixCONTENTS CONTENTS 12 Force, Momentum and Impulse - Grade 11 239 12.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 12.2 Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 12.2.1 What is a force? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 12.2.2 Examples of Forces in Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240 12.2.3 Systems and External Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241 12.2.4 Force Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 12.2.5 Free Body Diagrams. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243 12.2.6 Finding the Resultant Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244 12.2.7 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 12.3 Newton’s Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 12.3.1 Newton’s First Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 12.3.2 Newton’s Second Law of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 12.3.3 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 12.3.4 Newton’s Third Law of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263 12.3.5 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 12.3.6 Different types of forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268 12.3.7 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275 12.3.8 Forces in equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 12.3.9 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279 12.4 Forces between Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 12.4.1 Newton’s Law of Universal Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 12.4.2 Comparative Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284 12.4.3 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286 12.5 Momentum and Impulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 12.5.1 Vector Nature of Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290 12.5.2 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 12.5.3 Change in Momentum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291 12.5.4 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 12.5.5 Newton’s Second Law revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 12.5.6 Impulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294 12.5.7 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 296 12.5.8 Conservation of Momentum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 12.5.9 Physics in Action: Impulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 12.5.10Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301 12.6 Torque and Levers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 12.6.1 Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 12.6.2 Mechanical Advantage and Levers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 12.6.3 Classes of levers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307 12.6.4 Exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308 12.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309 12.8 End of Chapter exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 xCONTENTS CONTENTS 13 Geometrical Optics - Grade 11 327 13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 13.2 Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 13.2.1 Converging Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 13.2.2 Diverging Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340 13.2.3 Summary of Image Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 343 13.3 The Human Eye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 344 13.3.1 Structure of the Eye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345 13.3.2 Defects of Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346 13.4 Gravitational Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 13.5 Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 13.5.1 Refracting Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 13.5.2 Reflecting Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 13.5.3 Southern African Large Telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 13.6 Microscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 13.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351 13.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352 14 Longitudinal Waves - Grade 11 355 14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 14.2 What is a longitudinal wave? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 14.3 Characteristics of Longitudinal Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 14.3.1 Compression and Rarefaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 14.3.2 Wavelength and Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 14.3.3 Period and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357 14.3.4 Speed of a Longitudinal Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358 14.4 Graphs of Particle Position, Displacement, Velocity and Acceleration . . . . . . . 359 14.5 Sound Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 14.6 Seismic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 14.7 Summary - Longitudinal Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361 14.8 Exercises - Longitudinal Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362 15 Sound - Grade 11 363 15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 15.2 Characteristics of a Sound Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 15.2.1 Pitch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 15.2.2 Loudness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 15.2.3 Tone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364 15.3 Speed of Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 15.4 Physics of the Ear and Hearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365 15.4.1 Intensity of Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 15.5 Ultrasound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367 xiCONTENTS CONTENTS 15.6 SONAR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 15.6.1 Echolocation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368 15.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 15.8 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 16 The Physics of Music - Grade 11 373 16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 16.2 Standing Waves in String Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 16.3 Standing Waves in Wind Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 16.4 Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 16.5 Music and Sound Quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 16.6 Summary - The Physics of Music . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385 16.7 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 17 Electrostatics - Grade 11 387 17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 17.2 Forces between charges - Coulomb’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 17.3 Electric field around charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 17.3.1 Electric field lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 17.3.2 Positive charge acting on a test charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 17.3.3 Combined charge distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 17.3.4 Parallel plates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 17.4 Electrical potential energy and potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 17.4.1 Electrical potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 17.4.2 Real-world application: lightning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 17.5 Capacitance and the parallel plate capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 17.5.1 Capacitors and capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403 17.5.2 Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 17.5.3 Physical properties of the capacitor and capacitance. . . . . . . . . . . . 404 17.5.4 Electric field in a capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405 17.6 Capacitor as a circuit device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 17.6.1 A capacitor in a circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 17.6.2 Real-world applications: capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 17.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 17.8 Exercises - Electrostatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 18 Electromagnetism - Grade 11 413 18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 18.2 Magnetic field associated with a current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 18.2.1 Real-world applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418 18.3 Current induced by a changing magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420 18.3.1 Real-life applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 18.4 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423 xiiCONTENTS CONTENTS 18.4.1 Real-world applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 18.5 Motion of a charged particle in a magnetic field . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425 18.5.1 Real-world applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426 18.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 18.7 End of chapter exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 427 19 Electric Circuits - Grade 11 429 19.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 19.2 Ohm’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 19.2.1 Definition of Ohm’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 19.2.2 Ohmic and non-ohmic conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 19.2.3 Using Ohm’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432 19.3 Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 19.3.1 Equivalent resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433 19.3.2 Use of Ohm’s Law in series and parallel Circuits . . . . . . . . . . . . . . 438 19.3.3 Batteries and internal resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 19.4 Series and parallel networks of resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 19.5 Wheatstone bridge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445 19.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 19.7 End of chapter exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 447 20 Electronic Properties of Matter - Grade 11 451 20.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 20.2 Conduction. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 20.2.1 Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 20.2.2 Insulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453 20.2.3 Semi-conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 20.3 Intrinsic Properties and Doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 454 20.3.1 Surplus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 20.3.2 Deficiency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455 20.4 The p-n junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 20.4.1 Differences between p- and n-type semi-conductors . . . . . . . . . . . . 457 20.4.2 The p-n Junction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 20.4.3 Unbiased . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 20.4.4 Forward biased . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 20.4.5 Reverse biased . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 458 20.4.6 Real-World Applications of Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . 458 20.5 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 IV Grade 12 - Physics 461 21 Motion in Two Dimensions - Grade 12 463 21.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 xiiiCONTENTS CONTENTS 21.2 Vertical Projectile Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 21.2.1 Motion in a Gravitational Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463 21.2.2 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464 21.2.3 Graphs of Vertical Projectile Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467 21.3 Conservation of Momentum in Two Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475 21.4 Types of Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480 21.4.1 Elastic Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480 21.4.2 Inelastic Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485 21.5 Frames of Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490 21.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490 21.5.2 What is a frame of reference? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491 21.5.3 Why are frames of reference important? . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491 21.5.4 Relative Velocity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491 21.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494 21.7 End of chapter exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 495 22 Mechanical Properties of Matter - Grade 12 503 22.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 22.2 Deformation of materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 22.2.1 Hooke’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503 22.2.2 Deviation from Hooke’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506 22.3 Elasticity, plasticity, fracture, creep . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508 22.3.1 Elasticity and plasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508 22.3.2 Fracture, creep and fatigue . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508 22.4 Failure and strength of materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 22.4.1 The properties of matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 22.4.2 Structure and failure of materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 22.4.3 Controlling the properties of materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509 22.4.4 Steps of Roman Swordsmithing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 510 22.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 22.6 End of chapter exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511 23 Work, Energy and Power - Grade 12 513 23.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513 23.2 Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513 23.3 Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519 23.3.1 External and Internal Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519 23.3.2 Capacity to do Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 520 23.4 Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525 23.5 Important Equations and Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 23.6 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529 xivCONTENTS CONTENTS 24 Doppler Effect - Grade 12 533 24.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533 24.2 The Doppler Effect with Sound and Ultrasound . . . . . . . . . . . . . . . . . . 533 24.2.1 Ultrasound and the Doppler Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537 24.3 The Doppler Effect with Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537 24.3.1 The Expanding Universe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538 24.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539 24.5 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539 25 Colour - Grade 12 541 25.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541 25.2 Colour and Light. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541 25.2.1 Dispersion of white light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544 25.3 Addition and Subtraction of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544 25.3.1 Additive Primary Colours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544 25.3.2 Subtractive Primary Colours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545 25.3.3 Complementary Colours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 25.3.4 Perception of Colour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546 25.3.5 Colours on a Television Screen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 547 25.4 Pigments and Paints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 25.4.1 Colour of opaque objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 25.4.2 Colour of transparent objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548 25.4.3 Pigment primary colours . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549 25.5 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550 26 2D and 3D Wavefronts - Grade 12 553 26.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553 26.2 Wavefronts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553 26.3 The Huygens Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554 26.4 Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556 26.5 Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557 26.5.1 Diffraction through a Slit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558 26.6 Shock Waves and Sonic Booms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562 26.6.1 Subsonic Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563 26.6.2 Supersonic Flight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563 26.6.3 Mach Cone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 566 26.7 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 568 27 Wave Nature of Matter - Grade 12 571 27.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571 27.2 de Broglie Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 571 27.3 The Electron Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 574 27.3.1 Disadvantages of an Electron Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . 577 xvCONTENTS CONTENTS 27.3.2 Uses of Electron Microscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577 27.4 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578 28 Electrodynamics - Grade 12 579 28.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579 28.2 Electrical machines - generators and motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579 28.2.1 Electrical generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580 28.2.2 Electric motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582 28.2.3 Real-life applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582 28.2.4 Exercise - generators and motors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584 28.3 Alternating Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 585 28.3.1 Exercise - alternating current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 28.4 Capacitance and inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 28.4.1 Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 28.4.2 Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586 28.4.3 Exercise - capacitance and inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588 28.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588 28.6 End of chapter exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589 29 Electronics - Grade 12 591 29.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591 29.2 Capacitive and Inductive Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591 29.3 Filters and Signal Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596 29.3.1 Capacitors and Inductors as Filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 596 29.3.2 LRC Circuits, Resonance and Signal Tuning . . . . . . . . . . . . . . . . 596 29.4 Active Circuit Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599 29.4.1 The Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 599 29.4.2 The Light Emitting Diode (LED) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601 29.4.3 Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603 29.4.4 The Operational Amplifier . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607 29.5 The Principles of Digital Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 609 29.5.1 Logic Gates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 610 29.6 Using and Storing Binary Numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616 29.6.1 Binary numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 616 29.6.2 Counting circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 617 29.6.3 Storing binary numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619 30 EM Radiation 625 30.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 625 30.2 Particle/wave nature of electromagnetic radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . 625 30.3 The wave nature of electromagnetic radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626 30.4 Electromagnetic spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 626 30.5 The particle nature of electromagnetic radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629 xviCONTENTS CONTENTS 30.5.1 Exercise - particle nature of EM waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630 30.6 Penetrating ability of electromagnetic radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631 30.6.1 Ultraviolet(UV) radiation and the skin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631 30.6.2 Ultraviolet radiation and the eyes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632 30.6.3 X-rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632 30.6.4 Gamma-rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 632 30.6.5 Exercise - Penetrating ability of EM radiation . . . . . . . . . . . . . . . 633 30.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633 30.8 End of chapter exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633 31 Optical Phenomena and Properties of Matter - Grade 12 635 31.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635 31.2 The transmission and scattering of light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635 31.2.1 Energy levels of an electron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635 31.2.2 Interaction of light with metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 636 31.2.3 Why is the sky blue? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637 31.3 The photoelectric effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 638 31.3.1 Applications of the photoelectric effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 640 31.3.2 Real-life applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642 31.4 Emission and absorption spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643 31.4.1 Emission Spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643 31.4.2 Absorption spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 644 31.4.3 Colours and energies of electromagnetic radiation . . . . . . . . . . . . . 646 31.4.4 Applications of emission and absorption spectra . . . . . . . . . . . . . . 648 31.5 Lasers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 650 31.5.1 How a laser works . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 652 31.5.2 A simple laser . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654 31.5.3 Laser applications and safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 655 31.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 656 31.7 End of chapter exercise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 657 V Exercises 659 32 Exercises 661 VI Essays 663 Essay 1: Energy and electricity. Why the fuss? 665 33 Essay: How a cell phone works 671 34 Essay: How a Physiotherapist uses the Concept of Levers 673 35 Essay: How a Pilot Uses Vectors 675 xviiCONTENTS CONTENTS A GNU Free Documentation License 677 xviiiPart I Introduction 1

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