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The Free High School Science Texts: A Textbook for High School Students Studying Physics. FHSST Authors 1 December 9, 2005 1 See
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Contents I Physics 1 1 Units 3 1.1 PGCE Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.2 ‘TO DO’ LIST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.3 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4 Unit Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4.1 SI Units ( Syst` eme International d’Unit´ es ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 1.4.2 The Other Systems of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.5 The Importance of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.6 Choice of Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.7 How to Change Units— the “Multiply by 1” Technique . . . . . . . . . . . . . . 7 1.8 How Units Can Help You . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.8.1 What is a ‘sanity test’? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.9 Temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1.10 Scientific Notation, Significant Figures and Rounding . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.11 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2 Waves and Wavelike Motion 11 2.1 What are waves? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.1 Characteristics of Waves : Amplitude . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.1.2 Characteristics of Waves : Wavelength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.3 Characteristics of Waves : Period . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.4 Characteristics of Waves : Frequency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.5 Characteristics of Waves : Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.2 Two Types of Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2.3 Properties of Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.1 Properties of Waves : Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2.3.2 Properties of Waves : Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.3.3 Properties of Waves : Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.3.4 Properties of Waves : Standing Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.3.5 Beats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.6 Properties of Waves : Diffraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.3.7 Properties of Waves : Dispersion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.4 Practical Applications of Waves: Sound Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.4.1 Doppler Shift . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.4.2 Mach Cone . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 2.4.3 Ultra-Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 ii
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2.5 Important Equations and Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3 Geometrical Optics 37 3.1 Refraction re-looked . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.1.1 Apparent and Real Depth: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1.2 Splitting of White Light . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.1.3 Total Internal Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2 Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.2.1 Convex lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.2 Concave Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 3.2.3 Magnification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.2.4 Compound Microscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.2.5 The Human Eye . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 3.3 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4 Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.1 Diffuse reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.2 Regular reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.3 Laws of reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.4.4 Lateral inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.5 Curved Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.5.1 Concave Mirrors (Converging Mirrors) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.5.2 Convex Mirrors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.5.3 Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.5.4 Laws of Refraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.5.5 Total Internal Reflection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 3.5.6 Mirage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.6 The Electromagnetic Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.7 Important Equations and Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 4 Vectors 51 4.1 PGCE Comments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.2 ‘TO DO’ LIST . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 4.3 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.3.1 Mathematical representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 4.3.2 Graphical representation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4 Some Examples of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4.1 Displacement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 4.4.2 Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 4.4.3 Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.5 Mathematical Properties of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.5.1 Addition of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 4.5.2 Subtraction of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 4.5.3 Scalar Multiplication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.6 Techniques of Vector Addition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.6.1 Graphical Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 4.6.2 Algebraic Addition and Subtraction of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . 71 4.7 Components of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.7.1 Block on an incline . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.7.2 Vector addition using components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 iii
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4.8 Do I really need to learn about vectors? Are they really useful? . . . . . . . . . . 83 4.9
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  • Spring '15
  • Unknow
  • Physics, The American, Speak, SI base unit, International System of Units, Thermodynamic temperature, SI derived unit

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