Textbooks for High School Students Studying the Sciences Physical Science Grade 10

354 Pages·2010·2.44 MB·English

FHSST Authors
The Free High School Science Texts:
Textbooks for High School Students
Studying the Sciences
Physical Science
Grade 10
Version 0.5
September 9, 2010
ii
Copyright 2007 “Free High School Science Texts”
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iii
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Mark Horner ; Samuel Halliday ; Sarah Blyth ; Rory Adams ; Spencer Wheaton
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Whitfield
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Broster ; Deanne de Bude ; Richard Case ; Fanny Cherblanc ; Dr. Christine Chung ; Brett
Cocks ; Andrew Craig ; Tim Crombie ; Dan Crytser ; Dr. Anne Dabrowski ; Laura Daniels ;
Sean Dobbs ; Esmi Dreyer ; Matthew Duddy ; Fernando Durrell ; Dr. Dan Dwyer ; Frans van
Eeden ; Alex Ellis ; Tom Ellis ; Giovanni Franzoni ; Ingrid von Glehn ; Tamara von Glehn ;
Lindsay Glesener ; Kevin Godby ; Dr. Vanessa Godfrey ; Dr. Johan Gonzalez ; Hemant Gopal ;
Dr. Stephanie Gould ; Umeshree Govender ; Heather Gray ; Lynn Greeff ; Dr. Tom Gutierrez ;
Brooke Haag ; Kate Hadley ; Dr. Sam Halliday ; Asheena Hanuman ; Dr Melanie Dymond
Harper ; Dr. Nicholas Harrison ; Neil Hart ; Nicholas Hatcher ; Dr. William P. Heal ; Pierre
van Heerden ; Dr. Fritha Hennessy ; Millie Hilgart ; Chris Holdsworth ; Dr. Benne Holwerda ;
Dr. Mark Horner ; Mfandaidza Hove ; Robert Hovden ; Jennifer Hsieh ; Clare Johnson ; Luke
Jordan ; Tana Joseph ; Dr. Fabian Jutz ; Dr. Lutz Kampmann ; Paul Kim ; Dr. Jennifer Klay ;
Lara Kruger ; Sihle Kubheka ; Andrew Kubik ; Dr. Jannie Leach ; Dr. Marco van Leeuwen ;
Dr. Tom Leinster ; Dr. Anton Machacek ; Dr. Komal Maheshwari ; Kosma von Maltitz ;
Bryony Martin ; Nicole Masureik ; John Mathew ; Dr. Will Matthews ; JoEllen McBride ;
Nikolai Meures ; Riana Meyer ; Filippo Miatto ; Jenny Miller ; Abdul Mirza ; Mapholo Modise ;
Carla Moerdyk ; Asogan Moodaly ; Jothi Moodley ; David Myburgh ; Kamie Naidu ; Nolene
Naidu ; Bridget Nash ; Tyrone Negus ; Thomas O’Donnell ; Dr. Markus Oldenburg ; Dr.
Jaynie Padayachee ; Dave Pawson ; Nicolette Pekeur ; Sirika Pillay ; Jacques Plaut ; Andrea
Prinsloo ; Joseph Raimondo ; Sanya Rajani ; Prof. Sergey Rakityansky ; Alastair Ramlakan ;
Dr. Matina J. Rassias ; Dr. Jocelyn Read ; Dr. Matthew Reece ; Razvan Remsing ; Laura
Richter ; Max Richter ; Sean Riddle ; Jonathan Reader ; Dr. David Roberts ; Evan Robinson ;
Raoul Rontsch ; Dr. Andrew Rose ; Katie Ross ; Jeanne-Mari´e Roux ; Bianca Ruddy ; Katie
Russell ; Steven Sam ; Nathaniel Schwartz ; Duncan Scott ; Helen Seals ; Ian Sherratt ; Dr.
James Short ; Roger Sieloff ; Clare Slotow ; Bradley Smith ; Greg Solomon ; Dr. Andrew
Stacey ; Dr. Jim Stasheff ; Mike Stay ; Mike Stringer ; Tim Teatro ; Ben Thompson ; Shen
Tian ; Nicola du Toit ; Robert Torregrosa ; Jimmy Tseng ; Pieter Vergeer ; Helen Waugh ; Dr.
Dawn Webber ; Michelle Wen ; Neels van der Westhuizen ; Dr. Alexander Wetzler ; Dr.
Spencer Wheaton ; Vivian White ; Dr. Gerald Wigger ; Harry Wiggins ; Heather Williams ;
Wendy Williams ; Julie Wilson ; Timothy Wilson ; Andrew Wood ; Emma Wormauld ; Dr.
Sahal Yacoob ; Jean Youssef ; Ewald Zietsman
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iv
Contents
1 Units 1
1.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Unit Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.1 SI Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2.2 The Other Systems of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 Writing Units as Words or Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.4 Combinations of SI Base Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5 Rounding, Scientific Notation and Significant Figures . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5.1 Rounding Off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.5.2 Error Margins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.3 Scientific Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.5.4 Significant Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.6 Prefixes of Base Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.7 The Importance of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.8 How to Change Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.8.1 Two other useful conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.9 A sanity test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.11 End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
I Chemistry 15
2 Classification of Matter - Grade 10 17
2.1 Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.1.1 Heterogeneous mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.2 Homogeneous mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.1.3 Separating mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2 Pure Substances: Elements and Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.1 Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.2.2 Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Giving names and formulae to substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Metals, Semi-metals and Non-metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.4.1 Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
v
CONTENTS CONTENTS
2.4.2 Non-metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.4.3 Semi-metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5 Electrical conductors, semi-conductors and insulators . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6 Thermal Conductors and Insulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7 Magnetic and Non-magnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3 What are the objects around us made of? - Grade 10 33
3.1 Introduction: The atom as the building block of matter . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2.1 Representing molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.3 Intramolecular and intermolecular forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.4 The Kinetic Theory of Matter. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.5 The Properties of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4 The Atom - Grade 10 47
4.1 Models of the Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.1 The Plum Pudding Model. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.2 Rutherford’s model of the atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
4.1.3 The Bohr Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
4.2 How big is an atom? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.1 How heavy is an atom? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.2.2 How big is an atom? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3 Atomic structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
4.3.1 The Electron. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.3.2 The Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
4.4 Atomic number and atomic mass number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
4.5 Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.5.1 What is an isotope? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4.5.2 Relative atomic mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.6 Energy quantisation and electron configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.6.1 The energy of electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.6.2 Energy quantisation and line emission spectra . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.6.3 Electron configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.6.4 Core and valence electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.6.5 The importance of understanding electron configuration . . . . . . . . . 64
4.7 Ionisation Energy and the Periodic Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.7.1 Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.7.2 Ionisation Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.8 The Arrangement of Atoms in the Periodic Table . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.8.1 Groups in the periodic table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.8.2 Periods in the periodic table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
vi
CONTENTS CONTENTS
5 Physical and Chemical Change - Grade 10 75
5.1 Physical changes in matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
5.2 Chemical Changes in Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.2.1 Decomposition reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
5.2.2 Synthesis reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
5.3 Energy changes in chemical reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.4 Conservation of atoms and mass in reactions. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
5.5 Law of constant composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.6 Volume relationships in gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
6 Representing Chemical Change - Grade 10 87
6.1 Chemical symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
6.2 Writing chemical formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3 Balancing chemical equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3.1 The law of conservation of mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
6.3.2 Steps to balance a chemical equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.4 State symbols and other information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7 The Water Cycle - Grade 10 99
7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.2 The importance of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.3 The movement of water through the water cycle. . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
7.4 The microscopic structure of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.4.1 The polar nature of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.4.2 Hydrogen bonding in water molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
7.5 The unique properties of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
7.6 Water conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
7.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
8 Global Cycles: The Nitrogen Cycle - Grade 10 113
8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.2 Nitrogen fixation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
8.3 Nitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
8.4 Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
8.5 Human Influences on the Nitrogen Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
8.6 The industrial fixation of nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
8.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
9 The Hydrosphere - Grade 10 121
9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
9.2 Interactions of the hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
vii
CONTENTS CONTENTS
9.3 Exploring the Hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122
9.4 The Importance of the Hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.5 Ions in aqueous solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
9.5.1 Dissociation in water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
9.5.2 Ions and water hardness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
9.5.3 The pH scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
9.5.4 Acid rain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
9.6 Electrolytes, ionisation and conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
9.6.1 Electrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
9.6.2 Non-electrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
9.6.3 Factors that affect the conductivity of water . . . . . . . . . . . . . . . . 131
9.7 Precipitation reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
9.8 Testing for common anions in solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.8.1 Test for a chloride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.8.2 Test for a sulphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
9.8.3 Test for a carbonate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
9.8.4 Test for bromides and iodides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
9.9 Threats to the Hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
9.10 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
II Physics 141
10 Units 143
10.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.2 Unit Systems. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.2.1 SI Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
10.2.2 The Other Systems of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.3 Writing Units as Words or Symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
10.4 Combinations of SI Base Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
10.5 Rounding, Scientific Notation and Significant Figures . . . . . . . . . . . . . . . 145
10.5.1 Rounding Off . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
10.5.2 Error Margins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
10.5.3 Scientific Notation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
10.5.4 Significant Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
10.6 Prefixes of Base Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
10.7 The Importance of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
10.8 How to Change Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
10.8.1 Two other useful conversions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
10.9 A sanity test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
10.10Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
10.11End of Chapter Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
viii
CONTENTS CONTENTS
11 Motion in One Dimension - Grade 10 155
11.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
11.2 Reference Point, Frame of Reference and Position . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
11.2.1 Frames of Reference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
11.2.2 Position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
11.3 Displacement and Distance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
11.3.1 Interpreting Direction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
11.3.2 Differences between Distance and Displacement . . . . . . . . . . . . . . 159
11.4 Speed, Average Velocity and Instantaneous Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . 160
11.4.1 Differences between Speed and Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
11.5 Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
11.6 Description of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
11.6.1 Stationary Object . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
11.6.2 Motion at Constant Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
11.6.3 Motion at Constant Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
11.7 Summary of Graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
11.8 Worked Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
11.9 Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
11.9.1 Finding the Equations of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
11.10Applications in the Real-World . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
11.11Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
11.12End of Chapter Exercises: Motion in One Dimension . . . . . . . . . . . . . . . 192
12 Gravity and Mechanical Energy - Grade 10 197
12.1 Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
12.1.1 Differences between Mass and Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
12.2 Acceleration due to Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
12.2.1 Gravitational Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
12.2.2 Free fall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
12.3 Potential Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204
12.4 Kinetic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 206
12.4.1 Checking units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
12.5 Mechanical Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
12.5.1 Conservation of Mechanical Energy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208
12.5.2 Using the Law of Conservation of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
12.6 Energy graphs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
12.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
12.8 End of Chapter Exercises: Gravity and Mechanical Energy . . . . . . . . . . . . 214
13 Transverse Pulses - Grade 10 217
13.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
13.2 What is a medium? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
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CONTENTS CONTENTS
13.3 What is a pulse?. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
13.3.1 Pulse Length and Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
13.3.2 Pulse Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
13.4 Graphs of Position and Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
13.4.1 Motion of a Particle of the Medium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
13.4.2 Motion of the Pulse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
13.5 Transmission and Reflection of a Pulse at a Boundary . . . . . . . . . . . . . . . 226
13.6 Reflection of a Pulse from Fixed and Free Ends . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
13.6.1 Reflection of a Pulse from a Fixed End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
13.6.2 Reflection of a Pulse from a Free End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
13.7 Superposition of Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
13.8 Exercises - Transverse Pulses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
14 Transverse Waves - Grade 10 235
14.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
14.2 What is a transverse wave? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
14.2.1 Peaks and Troughs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236
14.2.2 Amplitude and Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
14.2.3 Points in Phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239
14.2.4 Period and Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
14.2.5 Speed of a Transverse Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
14.3 Graphs of Particle Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
14.4 Standing Waves and Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
14.4.1 Reflection of a Transverse Wave from a Fixed End . . . . . . . . . . . . 248
14.4.2 Reflection of a Transverse Wave from a Free End . . . . . . . . . . . . . 248
14.4.3 Standing Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
14.4.4 Nodes and Anti-nodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
14.4.5 Wavelengths of Standing Waves with Fixed and Free Ends . . . . . . . . 252
14.4.6 Superposition and Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
14.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
14.6 Exercises . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
15 Geometrical Optics - Grade 10 259
15.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
15.2 Light Rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 259
15.2.1 Shadows . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
15.2.2 Ray Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
15.3 Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
15.3.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
15.3.2 Law of Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
15.3.3 Types of Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
15.4 Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266
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