Introductory Physics II

303 Pages·2016·4.88 MB·English

Introductory Physics II:
Waves, Acoustics, Electromagnetism,Optics, and Modern Physics
D.G.Simpson,Ph.D.
DepartmentofNaturalSciences
PrinceGeorge’sCommunityCollege
Largo,Maryland
Spring2021
Lastupdated:September14,2020
Contents
Acknowledgments 10
I Preliminaries 11
1 WhatisPhysics? 12
2 Units 14
2.1 SystemsofUnits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.2 SIUnits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 CGSSystemsofUnits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.4 BritishEngineeringUnits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.5 UnitsasanError-CheckingTechnique. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.6 UnitConversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.7 CurrencyUnits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.8 OddsandEnds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3 Problem-SolvingStrategies 23
4 TheCalculus 25
4.1 InfinitesimalNumbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
4.2 DifferentialCalculus—FindingSlopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.3 IntegralCalculus—FindingAreas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.4 TheFundamentalTheoremofCalculus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.5 Approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
4.6 MoreExamples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.7 MainIdeas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.8 GoingFurther . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
II Waves 38
5 SimpleHarmonicMotion 39
5.1 Energy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2 TheVerticalSpring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.3 FrequencyandPeriod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.4 MassonaSpring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
5.5 MoreontheSpringConstant. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
1
PrinceGeorge’sCommunityCollege IntroductoryPhysicsII D.G.Simpson
6 DampedOscillations 47
6.1 Underdamped . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.2 Overdamped. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
6.3 CriticallyDamped . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
7 ForcedOscillations 49
7.1 Resonance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
8 ThePendulum 51
8.1 EquationofMotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
8.2 Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
8.3 TheSphericalPendulum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
8.4 TheConicalPendulum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
8.5 TheTorsionalPendulum. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
8.6 ThePhysicalPendulum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
8.7 OtherPendulums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
9 Waves 57
9.1 TypesofWaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
9.2 WaveSpeed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
9.3 StringWaves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9.4 ReflectionandTransmission. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
9.5 Superposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
9.6 Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
9.7 WaveEnergy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
9.8 WaveIntensity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
9.9 OceanWaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
9.10 SeismicWaves. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
10 StandingWaves 66
10.1 FixedorFreeatBothEnds. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
10.2 FixedatOneEndandFreeattheOther . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
10.3 VibrationsofRodsandPlates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
III Acoustics 70
11 Sound 71
11.1 SpeedofSound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
11.2 FrequencyofSound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
12 TheDopplerEffect 75
12.1 RelativisticDopplerEffect. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
13 SoundIntensity 79
13.1 Intensity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
13.2 Decibels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
13.3 Nepers. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
2
PrinceGeorge’sCommunityCollege IntroductoryPhysicsII D.G.Simpson
14 TheEdisonPhonograph 81
15 Music 84
15.1 Pitch. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
15.2 MusicalScales. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
15.3 MusicNotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
15.4 Timing. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
15.5 AnExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
15.6 MusicalInstruments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
IV ElectricityandMagnetism 92
16 Electricity 93
16.1 ElectricCharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
16.2 Coulomb’sLaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
16.3 AtomicViewofElectricity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
16.4 Materials. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
16.5 Coulomb’sLawinTwoorThreeDimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
17 TheElectricField 97
17.1 ElectricFieldduetoaPointCharge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
17.2 ElectricFieldLines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
17.3 TheElectricDipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
17.4 ElectricFlux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
17.5 Gauss’sLaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
17.6 ElectricFieldsofConductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
17.7 DielectricBreakdown . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
17.8 Lightning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
18 ElectricPotential 101
18.1 PotentialEnergy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
18.2 Potential. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
18.3 EquipotentialSurfaces. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
18.4 ComparisonbetweenGravityandElectricity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
18.5 TheElectronVolt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
19 TheBattery 104
20 ElectricCurrent 106
21 Resistance 107
21.1 Resistivity. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
21.2 ResistorsinSeriesandParallel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
21.3 Conductance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
21.4 Wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
21.5 BatteryInternalResistance. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
22 Ohm’sLaw 113
22.1 ElectricPower. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
3
PrinceGeorge’sCommunityCollege IntroductoryPhysicsII D.G.Simpson
23 DCElectricCircuits 114
23.1 SchematicDiagrams. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
23.2 KirchhoffPlots. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
23.3 ASimpleCircuit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
23.4 CircuitAnalysisPrinciples. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
24 Kirchhoff’sRules 120
24.1 ExampleCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
25 ElectronicInstruments 123
25.1 Ammeter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
25.2 Voltmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
25.3 Ohmmeter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
25.4 Multimeter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
25.5 Oscilloscope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
25.6 LogicProbe . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
26 Capacitance 125
26.1 Parallel-PlateCapacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
26.2 CapacitorsinSeriesandParallel. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
26.3 DielectricMaterialsinCapacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
26.4 EnergyStoredinaCapacitor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
27 RCCircuits 129
27.1 ChargingRCCircuit. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
27.2 DischargingRCCircuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
28 OtherElectronicComponents 132
28.1 TheDiode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
28.2 TheTransistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
28.3 IntegratedCircuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
29 TheElectricLight 133
29.1 TheEdisonIncandescentLamp . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
29.2 CompactFluorescentBulbs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
29.3 Light-EmittingDiode(LED)Bulbs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
30 ElectronicsasaHobby 136
30.1 AnalogElectronics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
30.2 DigitalElectronics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
30.3 AmateurRadio. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
30.4 Robotics. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
30.5 AmateurRocketry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
30.6 AmateurSatellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
30.7 SampleElectronicsProjects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
31 Magnetism 140
31.1 MagneticPoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
31.2 AtomicViewofMagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
4
PrinceGeorge’sCommunityCollege IntroductoryPhysicsII D.G.Simpson
32 TheMagneticField 142
32.1 MagneticField. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
32.2 MagneticFieldduetoaSingleMagneticPole. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
32.3 MagneticFieldLines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
32.4 TheMagneticDipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
32.5 MagneticFlux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
32.6 Gauss’sLawforMagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
32.7 Biot-SavartLaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
32.8 MagneticFieldduetoaLongWire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
32.9 MagneticFieldofaSolenoid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
32.10 MagneticFieldofaLooporCoilofWire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
32.11 TorqueonaMagneticDipoleinaMagneticField . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
32.12 MagneticPressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
33 TheLorentzForce 147
33.1 Plasmas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
33.2 ForceonaWireinaMagneticField. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
33.3 MagneticForcebetweenTwoLongWires. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
33.4 TheHallEffect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
34 Geomagnetism 151
34.1 Earth’sMagneticDipole. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
34.2 MagneticDeclination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
34.3 MagneticInclination. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
34.4 MagneticReversals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
34.5 TheMagnetosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
34.6 TheAurora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
35 MagneticMaterials 161
35.1 Diamagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
35.2 Paramagnetism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
35.3 Ferromagnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
35.4 PermanentMagnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
35.5 CurieTemperature. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
35.6 EddyCurrents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
36 Ampe`re’sLaw 164
37 Faraday’sLaw 166
37.1 Lenz’sLaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
37.2 MotionalEMF. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
38 Maxwell’sEquations 169
39 Inductance 170
39.1 SolenoidInductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
39.2 InductorsinSeriesandParallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
39.3 MagneticMaterialsinInductors. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
39.4 EnergyStoredinanInductor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
5
PrinceGeorge’sCommunityCollege IntroductoryPhysicsII D.G.Simpson
40 LRCircuits 173
41 LCandLCRCircuits 175
41.1 LCCircuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
41.2 LCRCircuits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
42 ACCircuits 179
42.1 FormatWarsofthe19thCentury:ACvs.DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
43 Memristance 181
44 Electromagnetism 182
44.1 ElectromagneticWaves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182
45 Radio 184
45.1 TheIonosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
45.2 TheCrystalRadio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187
45.3 TheRadioTransmitter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
V Optics 193
46 GeometricalOptics 194
46.1 LawofReflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
47 Mirrors 195
47.1 RayDiagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
47.2 AlgebraicMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
47.3 SegmentedMirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
48 Refraction 200
48.1 Snell’sLaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
48.2 TotalInternalReflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
49 Lenses 202
49.1 RayDiagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
49.2 AlgebraicMethod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
49.3 TheFresnelLens. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
50 OpticalDefects 206
50.1 SphericalAberration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
50.2 ChromaticAberration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
50.3 Astigmatism. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
50.4 Coma . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
51 OpticalInstruments 208
51.1 TheMagnifyingGlass. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
51.2 TheHumanEye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
51.3 TheTrilobiteEye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 210
51.4 TheCamera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
6
PrinceGeorge’sCommunityCollege IntroductoryPhysicsII D.G.Simpson
51.5 TheMicroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
51.6 TheTelescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
51.7 ThePeriscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
51.8 TheKaleidoscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
52 Photometry 217
52.1 LuminousFlux. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
52.2 LuminousIntensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
52.3 Illuminance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
52.4 Example: TheSun. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
52.5 Example: IncandescentLightBulb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
52.6 AstronomicalPhotometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
53 Young’sExperiment 222
53.1 QuantumEffects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
54 Diffraction 224
54.1 TheRayleighCriterion. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224
54.2 FloatersintheEye. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
54.3 TheDiffractionGrating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
55 OpticsoftheHubbleSpaceTelescope 226
55.1 TheHubbleSpaceTelescope. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
55.2 HSTOpticsOverview . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
55.3 Resolution. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227
55.4 SphericalAberration. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
56 Dispersion 230
56.1 CauchyDispersionFormula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
56.2 SellmeierDispersionFormula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
57 Polarization 232
57.1 SelectiveAbsorption. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
57.2 Reflection;Brewster’sLaw . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
57.3 Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
57.4 Birefringence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
58 Color 234
58.1 Lights . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
58.2 Pigments. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
58.3 SpectralColors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
58.4 TheChromaticityDiagram. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
59 TheRainbow 240
59.1 Colors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
59.2 ThePrimaryRainbow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
59.3 TheSecondaryRainbow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
59.4 LocationoftheRainbow. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
59.5 Alexander’sDarkBand . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
7
PrinceGeorge’sCommunityCollege IntroductoryPhysicsII D.G.Simpson
59.6 Higher-OrderRainbows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
VI ModernPhysics 249
60 SpecialRelativity 250
60.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
60.2 Postulates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
60.3 TimeDilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
60.4 LengthContraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
60.5 AnExample . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
60.6 Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
60.7 AdditionofVelocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
60.8 Energy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
61 Superfluids 254
62 TheStandardModel 257
62.1 Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
62.2 Antimatter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
62.3 Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
62.4 TheHiggsBoson . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
FurtherReading 260
Appendices 263
A Greek Alphabet 265
B Trigonometry 266
C UsefulSeries 272
D TableofDerivatives 273
E TableofIntegrals 275
F MathematicalSubtleties 277
G SIUnits 279
H GaussianUnits 282
I UnitsofPhysicalQuantities 284
J PhysicalConstants 287
K AstronomicalData 288
L UnitConversionTables 289
8
PrinceGeorge’sCommunityCollege IntroductoryPhysicsII D.G.Simpson
M AngularMeasure 293
M.1 PlaneAngle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
M.2 SolidAngle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
N VectorArithmetic 295
O MatrixProperties 298
P MomentsofInertia 300
Q TheSimplePlanePendulum: ExactSolution 302
Q.1 EquationofMotion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
Q.2 Solution,(cid:2).t/ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
Q.3 Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
R CIEChromaticityCoordinates 307
S CalculatorPrograms 309
T Right-HandRules 310
U TheEarth’sMagnetosphere 311
V Round-NumberHandbookofPhysics 314
W ShortGlossaryofParticlePhysics 316
X FundamentalPhysicalConstants—ExtensiveListing 317
Y PeriodicTableoftheElements 324
References 324
Index 327
9