Sample Collection

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This collection has been organized to meet the CA Science Standards for Chemistry in grades 9 ? 12, as adopted by the California State Board of Education.

This unit includes resources, such as diagrams, projects, and labs, on Atomic Structure for high school chemistry students. This unit is part of the Chemistry course.

This unit includes resources, such as a slideshow and worksheets, on Electron Configuration for high school chemistry students. This unit is part of the Chemistry course.

This unit includes resources, such as slideshows, worksheets, activities, and labs, on Gas Laws for high school chemistry students. This unit is part of the Chemistry course.

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

An explosion of inexpensive, readily available new media tools gives artists and social activists new opportunities to communicate with their audience. Rapid expansion of Web2.0 publishing and collaboration websites provides an instant, free medium for dissemination of content. The content for this unit is excerpted from talks given at Pop!Tech 2006. Full versions of these talks (and dozens of others) can be viewed online at http://www.poptech.org/popcasts