College Physics For AP® Courses

1680 Pages·2016·30.21 MB·English

®
College Physics for AP
Courses
OpenStax
Rice University
6100 Main Street MS-375
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ISBN-10 1938168933

ISBN-13 978-1-938168-93-2

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The William and Flora Hewlett Foundation has been making grants since 1967 to help solve social
and environmental problems at home and around the world. The Foundation concentrates its

resources on activities in education, the environment, global development and population,
performing arts, and philanthropy, and makes grants to support disadvantaged communities in the

San Francisco Bay Area.

Guided by the belief that every life has equal value, the Bill & Melinda Gates Foundation works to
help all people lead healthy, productive lives. In developing countries, it focuses on improving
people’s health with vaccines and other life-saving tools and giving them the chance to lift
themselves out of hunger and extreme poverty. In the United States, it seeks to significantly improve
education so that all young people have the opportunity to reach their full potential. Based in Seattle,
Washington, the foundation is led by CEO Jeff Raikes and Co-chair William H. Gates Sr., under the
direction of Bill and Melinda Gates and Warren Buffett.

The Maxfield Foundation supports projects with potential for high impact in science, education,
sustainability, and other areas of social importance.

Our mission at the Twenty Million Minds Foundation is to grow access and success by eliminating
unnecessary hurdles to affordability. We support the creation, sharing, and proliferation of more
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Table of Contents
Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1Introduction: The Nature of Science and Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
Physics: An Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
Physical Quantities and Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
Accuracy, Precision, and Significant Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
Displacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
Vectors, Scalars, and Coordinate Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Time, Velocity, and Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Motion Equations for Constant Acceleration in One Dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Problem-Solving Basics for One Dimensional Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
Falling Objects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
Graphical Analysis of One Dimensional Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3Two-Dimensional Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
Kinematics in Two Dimensions: An Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
Vector Addition and Subtraction: Graphical Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
Vector Addition and Subtraction: Analytical Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Projectile Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
Addition of Velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
4Dynamics: Force and Newton's Laws of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
Development of Force Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Newton's First Law of Motion: Inertia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
Newton's Second Law of Motion: Concept of a System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
Newton's Third Law of Motion: Symmetry in Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
Normal, Tension, and Other Examples of Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Problem-Solving Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
Further Applications of Newton's Laws of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Extended Topic: The Four Basic Forces—An Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
5Further Applications of Newton's Laws: Friction, Drag, and Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 194
Drag Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
Elasticity: Stress and Strain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6Gravitation and Uniform Circular Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
Rotation Angle and Angular Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
Centripetal Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226
Centripetal Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
Fictitious Forces and Non-inertial Frames: The Coriolis Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
Newton's Universal Law of Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
Satellites and Kepler's Laws: An Argument for Simplicity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7Work, Energy, and Energy Resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
Work: The Scientific Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
Kinetic Energy and the Work-Energy Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
Gravitational Potential Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 273
Conservative Forces and Potential Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
Nonconservative Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
Conservation of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 288
Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293
Work, Energy, and Power in Humans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
World Energy Use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300
8Linear Momentum and Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
Linear Momentum and Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
Impulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321
Conservation of Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
Elastic Collisions in One Dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
Inelastic Collisions in One Dimension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
Collisions of Point Masses in Two Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
Introduction to Rocket Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
9Statics and Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
The First Condition for Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360
The Second Condition for Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
Applications of Statics, Including Problem-Solving Strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
Simple Machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
Forces and Torques in Muscles and Joints . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
10Rotational Motion and Angular Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391
Angular Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
Kinematics of Rotational Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
Dynamics of Rotational Motion: Rotational Inertia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
Rotational Kinetic Energy: Work and Energy Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
Angular Momentum and Its Conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
Collisions of Extended Bodies in Two Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421
Gyroscopic Effects: Vector Aspects of Angular Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
11Fluid Statics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 441
What Is a Fluid? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
Variation of Pressure with Depth in a Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 449
Pascal’s Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453
Gauge Pressure, Absolute Pressure, and Pressure Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
Archimedes’ Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
Cohesion and Adhesion in Liquids: Surface Tension and Capillary Action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
Pressures in the Body . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
12Fluid Dynamics and Its Biological and Medical Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
Flow Rate and Its Relation to Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
Bernoulli’s Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
The Most General Applications of Bernoulli’s Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
Viscosity and Laminar Flow; Poiseuille’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
The Onset of Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 513
Motion of an Object in a Viscous Fluid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 515
Molecular Transport Phenomena: Diffusion, Osmosis, and Related Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517
13Temperature, Kinetic Theory, and the Gas Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
Thermal Expansion of Solids and Liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
The Ideal Gas Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
Kinetic Theory: Atomic and Molecular Explanation of Pressure and Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
Phase Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
Humidity, Evaporation, and Boiling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562
14Heat and Heat Transfer Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
Temperature Change and Heat Capacity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
Phase Change and Latent Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 588
Heat Transfer Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
Conduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
Convection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 601
Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605
15Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 623
The First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 624
The First Law of Thermodynamics and Some Simple Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630
Introduction to the Second Law of Thermodynamics: Heat Engines and Their Efficiency . . . . . . . . . . . . . . . 638
Carnot’s Perfect Heat Engine: The Second Law of Thermodynamics Restated . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 643
Applications of Thermodynamics: Heat Pumps and Refrigerators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648
Entropy and the Second Law of Thermodynamics: Disorder and the Unavailability of Energy . . . . . . . . . . . . 653
Statistical Interpretation of Entropy and the Second Law of Thermodynamics: The Underlying Explanation . . . . . 660
16Oscillatory Motion and Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 677
Hooke’s Law: Stress and Strain Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679
Period and Frequency in Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 683
Simple Harmonic Motion: A Special Periodic Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685
The Simple Pendulum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 690
Energy and the Simple Harmonic Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 692
Uniform Circular Motion and Simple Harmonic Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 695
Damped Harmonic Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 698
Forced Oscillations and Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702
Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 704
Superposition and Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707
Energy in Waves: Intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712
17Physics of Hearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 727
Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 728
Speed of Sound, Frequency, and Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 730
Sound Intensity and Sound Level . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 735
Doppler Effect and Sonic Booms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 740
Sound Interference and Resonance: Standing Waves in Air Columns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744
Hearing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753
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Ultrasound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 758
18Electric Charge and Electric Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 777
Static Electricity and Charge: Conservation of Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 780
Conductors and Insulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 785
Conductors and Electric Fields in Static Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 789
Coulomb’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 793
Electric Field: Concept of a Field Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 795
Electric Field Lines: Multiple Charges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 798
Electric Forces in Biology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 802
Applications of Electrostatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 804
19Electric Potential and Electric Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 825
Electric Potential Energy: Potential Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 827
Electric Potential in a Uniform Electric Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834
Electrical Potential Due to a Point Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 839
Equipotential Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 841
Capacitors and Dielectrics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 845
Capacitors in Series and Parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 853
Energy Stored in Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 857
20Electric Current, Resistance, and Ohm's Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 871
Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 872
Ohm’s Law: Resistance and Simple Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 878
Resistance and Resistivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 881
Electric Power and Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 887
Alternating Current versus Direct Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 890
Electric Hazards and the Human Body . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 894
Nerve Conduction–Electrocardiograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 899
21Circuits, Bioelectricity, and DC Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 917
Resistors in Series and Parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 918
Electromotive Force: Terminal Voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 927
Kirchhoff’s Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 936
DC Voltmeters and Ammeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 942
Null Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 946
DC Circuits Containing Resistors and Capacitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 949
22Magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 969
Magnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 970
Ferromagnets and Electromagnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 973
Magnetic Fields and Magnetic Field Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 977
Magnetic Field Strength: Force on a Moving Charge in a Magnetic Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 978
Force on a Moving Charge in a Magnetic Field: Examples and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 981
The Hall Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985
Magnetic Force on a Current-Carrying Conductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 988
Torque on a Current Loop: Motors and Meters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 990
Magnetic Fields Produced by Currents: Ampere’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 993
Magnetic Force between Two Parallel Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 998
More Applications of Magnetism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1000
23Electromagnetic Induction, AC Circuits, and Electrical Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1019
Induced Emf and Magnetic Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1020
Faraday’s Law of Induction: Lenz’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1023
Motional Emf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1025
Eddy Currents and Magnetic Damping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1028
Electric Generators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1032
Back Emf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1035
Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1036
Electrical Safety: Systems and Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1040
Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1044
RL Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1049
Reactance, Inductive and Capacitive . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1050
RLC Series AC Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1054
24Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1075
Maxwell’s Equations: Electromagnetic Waves Predicted and Observed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1077
Production of Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1079
The Electromagnetic Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1083
Energy in Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1096
25Geometric Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1107
The Ray Aspect of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1108
The Law of Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1109
The Law of Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1112
Total Internal Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1117
Dispersion: The Rainbow and Prisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1123
Image Formation by Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1128
Image Formation by Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1141
26Vision and Optical Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1159
Physics of the Eye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1160
Vision Correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1164
Color and Color Vision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1168
Microscopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1171
Telescopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1177
Aberrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1180
27Wave Optics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1191
The Wave Aspect of Light: Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1192
Huygens's Principle: Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1194
Young’s Double Slit Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1196
Multiple Slit Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1202
Single Slit Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1206
Limits of Resolution: The Rayleigh Criterion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1209
Thin Film Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1214
Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1218
*Extended Topic* Microscopy Enhanced by the Wave Characteristics of Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1227
28Special Relativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1243
Einstein’s Postulates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1244
Simultaneity And Time Dilation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1246
Length Contraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1253
Relativistic Addition of Velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1257
Relativistic Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1262
Relativistic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1264
29Introduction to Quantum Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1281
Quantization of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1283
The Photoelectric Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1286
Photon Energies and the Electromagnetic Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1289
Photon Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1296
The Particle-Wave Duality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1300
The Wave Nature of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1301
Probability: The Heisenberg Uncertainty Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1305
The Particle-Wave Duality Reviewed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1310
30Atomic Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1323
Discovery of the Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1324
Discovery of the Parts of the Atom: Electrons and Nuclei . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1326
Bohr’s Theory of the Hydrogen Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1333
X Rays: Atomic Origins and Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1340
Applications of Atomic Excitations and De-Excitations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1345
The Wave Nature of Matter Causes Quantization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1354
Patterns in Spectra Reveal More Quantization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1356
Quantum Numbers and Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1359
The Pauli Exclusion Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1364
31Radioactivity and Nuclear Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1383
Nuclear Radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1384
Radiation Detection and Detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1389
Substructure of the Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1391
Nuclear Decay and Conservation Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1396
Half-Life and Activity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1403
Binding Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1409
Tunneling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1413
32Medical Applications of Nuclear Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1429
Medical Imaging and Diagnostics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1431
Biological Effects of Ionizing Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1434
Therapeutic Uses of Ionizing Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1441
Food Irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1443
Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1444
Fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1450
Nuclear Weapons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1455
33Particle Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1471
The Yukawa Particle and the Heisenberg Uncertainty Principle Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1473
The Four Basic Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1475
Accelerators Create Matter from Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1477
Particles, Patterns, and Conservation Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1481
Quarks: Is That All There Is? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1486
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GUTs: The Unification of Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1494
34Frontiers of Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1507
Cosmology and Particle Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1507
General Relativity and Quantum Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1515
Superstrings . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1521
Dark Matter and Closure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1521
Complexity and Chaos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1525
High-Temperature Superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1527
Some Questions We Know to Ask . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1529
Appendix A:Atomic Masses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1537
Appendix B:Selected Radioactive Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1543
Appendix C:Useful Information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1547
Appendix D:Glossary of Key Symbols and Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1551
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1665
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