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Collection Contents

Chemistry

by Siyavula Siyavula

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. This FHSST Chemistry textbook contains a total of 23 chapters to be used in grades 10 through 12. At the end of this description is a complete Table of Contents. In this collection, you will find folders for each of the main sections (Matter and Materials, Chemical Change, and Chemical Systems). These folders include content across all three grade levels, G10, G11, G12. You will also find folders with just G10, just G11, and just G12 chapters if you are teaching a particular grade. TABLE OF CONTENTS II MATTER AND MATERIALS 1 Classification of Matter - Grade 10 1.1 Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1.1.1 Heterogeneous mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.2 Homogeneous mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 1.1.3 Separating mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 1.2 Pure Substances: Elements and Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2.1 Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.2.2 Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.3 Giving names and formulae to substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 1.4 Metals, Semi-metals and Non-metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.4.1 Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.4.2 Non-metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.4.3 Semi-metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.5 Electrical conductors, semi-conductors and insulators . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.6 Thermal Conductors and Insulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 1.7 Magnetic and Non-magnetic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2 What are the objects around us made of? - Grade 10 2.1 Introduction: The atom as the building block of matter . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2 Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.1 Representing molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.3 Intramolecular and intermolecular forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4 The Kinetic Theory of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.5 The Properties of Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 2.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3 The Atom - Grade 10 3.1 Models of the Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.1 The Plum Pudding Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 3.1.2 Rutherford’s model of the atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 3.1.3 The Bohr Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 3.2 How big is an atom? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.2.1 How heavy is an atom? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.2.2 How big is an atom? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3 Atomic structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.3.1 The Electron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.3.2 The Nucleus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.4 Atomic number and atomic mass number . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 3.5 Isotopes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.5.1 What is an isotope? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 3.5.2 Relative atomic mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45 3.6 Energy quantisation and electron configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.6.1 The energy of electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46 3.6.2 Energy quantisation and line emission spectra . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.6.3 Electron configuration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.6.4 Core and valence electrons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51 3.6.5 The importance of understanding electron configuration . . . . . . . . . 51 3.7 Ionisation Energy and the Periodic Table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.7.1 Ions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53 3.7.2 Ionisation Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3.8 The Arrangement of Atoms in the Periodic Table . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.8.1 Groups in the periodic table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56 3.8.2 Periods in the periodic table . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58 3.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4 Atomic Combinations - Grade 11 4.1 Why do atoms bond? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2 Energy and bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.3 What happens when atoms bond? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.4 Covalent Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.4.1 The nature of the covalent bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.5 Lewis notation and molecular structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 4.6 Electronegativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 4.6.1 Non-polar and polar covalent bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.6.2 Polar molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 4.7 Ionic Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.7.1 The nature of the ionic bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 4.7.2 The crystal lattice structure of ionic compounds . . . . . . . . . . . . . . 76 4.7.3 Properties of Ionic Compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.8 Metallic bonds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.8.1 The nature of the metallic bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76 4.8.2 The properties of metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.9 Writing chemical formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.9.1 The formulae of covalent compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78 4.9.2 The formulae of ionic compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.10 The Shape of Molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.10.1 Valence Shell Electron Pair Repulsion (VSEPR) theory . . . . . . . . . . 82 4.10.2 Determining the shape of a molecule . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 4.11 Oxidation numbers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.12 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 5 Intermolecular Forces - Grade 11 5.1 Types of Intermolecular Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 5.2 Understanding intermolecular forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94 5.3 Intermolecular forces in liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96 5.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 6 Solutions and solubility - Grade 11 6.1 Types of solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101 6.2 Forces and solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.3 Solubility . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103 6.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 7 Atomic Nuclei - Grade 11 7.1 Nuclear structure and stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 7.2 The Discovery of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 7.3 Radioactivity and Types of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 7.3.1 Alpha (_) particles and alpha decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7.3.2 Beta (_) particles and beta decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109 7.3.3 Gamma () rays and gamma decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 7.4 Sources of radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7.4.1 Natural background radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7.4.2 Man-made sources of radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 7.5 The ’half-life’ of an element . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 7.6 The Dangers of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116 7.7 The Uses of Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 7.8 Nuclear Fission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118 7.8.1 The Atomic bomb - an abuse of nuclear fission . . . . . . . . . . . . . . 119 7.8.2 Nuclear power - harnessing energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 7.9 Nuclear Fusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 7.10 Nucleosynthesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 7.10.1 Age of Nucleosynthesis (225 s - 103 s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121 7.10.2 Age of Ions (103 s - 1013 s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 7.10.3 Age of Atoms (1013 s - 1015 s) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 7.10.4 Age of Stars and Galaxies (the universe today) . . . . . . . . . . . . . . 122 7.11 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122 8 Thermal Properties and Ideal Gases - Grade 11 8.1 A review of the kinetic theory of matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125 8.2 Boyle’s Law: Pressure and volume of an enclosed gas . . . . . . . . . . . . . . . 126 8.3 Charles’s Law: Volume and Temperature of an enclosed gas . . . . . . . . . . . 132 8.4 The relationship between temperature and pressure . . . . . . . . . . . . . . . . 136 8.5 The general gas equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 8.6 The ideal gas equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140 8.7 Molar volume of gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145 8.8 Ideal gases and non-ideal gas behaviour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 8.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147 9 Organic Molecules - Grade 12 9.1 What is organic chemistry? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 9.2 Sources of carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151 9.3 Unique properties of carbon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 9.4 Representing organic compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 9.4.1 Molecular formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152 9.4.2 Structural formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 9.4.3 Condensed structural formula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153 9.5 Isomerism in organic compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154 9.6 Functional groups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 9.7 The Hydrocarbons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 9.7.1 The Alkanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 9.7.2 Naming the alkanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 9.7.3 Properties of the alkanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 9.7.4 Reactions of the alkanes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163 9.7.5 The alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 9.7.6 Naming the alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166 9.7.7 The properties of the alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 9.7.8 Reactions of the alkenes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169 9.7.9 The Alkynes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 9.7.10 Naming the alkynes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 9.8 The Alcohols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172 9.8.1 Naming the alcohols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173 9.8.2 Physical and chemical properties of the alcohols . . . . . . . . . . . . . . 175 9.9 Carboxylic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176 9.9.1 Physical Properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177 9.9.2 Derivatives of carboxylic acids: The esters . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 9.10 The Amino Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 9.11 The Carbonyl Group . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178 9.12 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179 10 Organic Macromolecules - Grade 12 10.1 Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185 10.2 How do polymers form? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 10.2.1 Addition polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 10.2.2 Condensation polymerisation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 10.3 The chemical properties of polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190 10.4 Types of polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 10.5 Plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191 10.5.1 The uses of plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 10.5.2 Thermoplastics and thermosetting plastics . . . . . . . . . . . . . . . . . 194 10.5.3 Plastics and the environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 10.6 Biological Macromolecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196 10.6.1 Carbohydrates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197 10.6.2 Proteins . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199 10.6.3 Nucleic Acids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202 10.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204 III CHEMICAL CHANGE 11 Physical and Chemical Change - Grade 10 11.1 Physical changes in matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 11.2 Chemical Changes in Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212 11.2.1 Decomposition reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213 11.2.2 Synthesis reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214 11.3 Energy changes in chemical reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 11.4 Conservation of atoms and mass in reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217 11.5 Law of constant composition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 11.6 Volume relationships in gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219 11.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220 12 Representing Chemical Change - Grade 10 12.1 Chemical symbols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223 12.2 Writing chemical formulae . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 12.3 Balancing chemical equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 12.3.1 The law of conservation of mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 224 12.3.2 Steps to balance a chemical equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 226 12.4 State symbols and other information . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230 12.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232 13 Quantitative Aspects of Chemical Change - Grade 11 13.1 The Mole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233 13.2 Molar Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235 13.3 An equation to calculate moles and mass in chemical reactions . . . . . . . . . . 237 13.4 Molecules and compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 239 13.5 The Composition of Substances . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 242 13.6 Molar Volumes of Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246 13.7 Molar concentrations in liquids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247 13.8 Stoichiometric calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 13.9 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252 14 Energy Changes In Chemical Reactions - Grade 11 14.1 What causes the energy changes in chemical reactions? . . . . . . . . . . . . . . 255 14.2 Exothermic and endothermic reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255 14.3 The heat of reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257 14.4 Examples of endothermic and exothermic reactions . . . . . . . . . . . . . . . . 259 14.5 Spontaneous and non-spontaneous reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260 14.6 Activation energy and the activated complex . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261 14.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264 15 Types of Reactions - Grade 11 15.1 Acid-base reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 15.1.1 What are acids and bases? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 15.1.2 Defining acids and bases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267 15.1.3 Conjugate acid-base pairs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269 15.1.4 Acid-base reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270 15.1.5 Acid-carbonate reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274 15.2 Redox reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 276 15.2.1 Oxidation and reduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277 15.2.2 Redox reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 278 15.3 Addition, substitution and elimination reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 15.3.1 Addition reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280 15.3.2 Elimination reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281 15.3.3 Substitution reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282 15.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283 16 Reaction Rates - Grade 12 16.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287 16.2 Factors affecting reaction rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289 16.3 Reaction rates and collision theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293 16.4 Measuring Rates of Reaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295 16.5 Mechanism of reaction and catalysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297 16.6 Chemical equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 300 16.6.1 Open and closed systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 16.6.2 Reversible reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302 16.6.3 Chemical equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303 16.7 The equilibrium constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304 16.7.1 Calculating the equilibrium constant . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305 16.7.2 The meaning of kc values . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 306 16.8 Le Chatelier’s principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 16.8.1 The effect of concentration on equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 16.8.2 The effect of temperature on equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310 16.8.3 The effect of pressure on equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312 16.9 Industrial applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315 16.10Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316 17 Electrochemical Reactions - Grade 12 17.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319 17.2 The Galvanic Cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320 17.2.1 Half-cell reactions in the Zn-Cu cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 321 17.2.2 Components of the Zn-Cu cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 322 17.2.3 The Galvanic cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 323 17.2.4 Uses and applications of the galvanic cell . . . . . . . . . . . . . . . . . 324 17.3 The Electrolytic cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325 17.3.1 The electrolysis of copper sulphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326 17.3.2 The electrolysis of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327 17.3.3 A comparison of galvanic and electrolytic cells . . . . . . . . . . . . . . . 328 17.4 Standard Electrode Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328 17.4.1 The different reactivities of metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 17.4.2 Equilibrium reactions in half cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329 17.4.3 Measuring electrode potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 17.4.4 The standard hydrogen electrode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330 17.4.5 Standard electrode potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333 17.4.6 Combining half cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337 17.4.7 Uses of standard electrode potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338 17.5 Balancing redox reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342 17.6 Applications of electrochemistry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 17.6.1 Electroplating . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347 17.6.2 The production of chlorine . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348 17.6.3 Extraction of aluminium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 17.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349 IV CHEMICAL SYSTEMS 18 The Water Cycle - Grade 10 18.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 18.2 The importance of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355 18.3 The movement of water through the water cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356 18.4 The microscopic structure of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 18.4.1 The polar nature of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 18.4.2 Hydrogen bonding in water molecules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359 18.5 The unique properties of water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360 18.6 Water conservation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363 18.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366 19 Global Cycles: The Nitrogen Cycle – Grade 10 19.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 19.2 Nitrogen fixation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 369 19.3 Nitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371 19.4 Denitrification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 19.5 Human Influences on the Nitrogen Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 372 19.6 The industrial fixation of nitrogen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373 19.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 374 20 The Hydrosphere - Grade 10 20.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 20.2 Interactions of the hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377 20.3 Exploring the Hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378 20.4 The Importance of the Hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 20.5 Ions in aqueous solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 379 20.5.1 Dissociation in water . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380 20.5.2 Ions and water hardness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 20.5.3 The pH scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382 20.5.4 Acid rain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 384 20.6 Electrolytes, ionisation and conductivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 20.6.1 Electrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386 20.6.2 Non-electrolytes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387 20.6.3 Factors that affect the conductivity of water . . . . . . . . . . . . . . . . 387 20.7 Precipitation reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389 20.8 Testing for common anions in solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 20.8.1 Test for a chloride . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 20.8.2 Test for a sulphate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391 20.8.3 Test for a carbonate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 20.8.4 Test for bromides and iodides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 392 20.9 Threats to the Hydrosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393 20.10Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394 21 The Lithosphere - Grade 11 21.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397 21.2 The chemistry of the earth’s crust . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398 21.3 A brief history of mineral use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399 21.4 Energy resources and their uses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400 21.5 Mining and Mineral Processing: Gold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 21.5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 21.5.2 Mining the Gold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 21.5.3 Processing the gold ore . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401 21.5.4 Characteristics and uses of gold . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402 21.5.5 Environmental impacts of gold mining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404 21.6 Mining and mineral processing: Iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 21.6.1 Iron mining and iron ore processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406 21.6.2 Types of iron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407 21.6.3 Iron in South Africa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408 21.7 Mining and mineral processing: Phosphates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 21.7.1 Mining phosphates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 21.7.2 Uses of phosphates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409 21.8 Energy resources and their uses: Coal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 21.8.1 The formation of coal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 21.8.2 How coal is removed from the ground . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411 21.8.3 The uses of coal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 21.8.4 Coal and the South African economy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412 21.8.5 The environmental impacts of coal mining . . . . . . . . . . . . . . . . . 413 21.9 Energy resources and their uses: Oil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 21.9.1 How oil is formed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 21.9.2 Extracting oil . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414 21.9.3 Other oil products . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 21.9.4 The environmental impacts of oil extraction and use . . . . . . . . . . . 415 21.10Alternative energy resources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415 21.11Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417 22 The Atmosphere - Grade 11 22.1 The composition of the atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 421 22.2 The structure of the atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 22.2.1 The troposphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 22.2.2 The stratosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 422 22.2.3 The mesosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 22.2.4 The thermosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 424 22.3 Greenhouse gases and global warming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426 22.3.1 The heating of the atmosphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 426 22.3.2 The greenhouse gases and global warming . . . . . . . . . . . . . . . . . 426 22.3.3 The consequences of global warming . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429 22.3.4 Taking action to combat global warming . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430 22.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431 23 The Chemical Industry - Grade 12 23.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 23.2 Sasol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 435 23.2.1 Sasol today: Technology and production . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436 23.2.2 Sasol and the environment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440 23.3 The Chloralkali Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442 23.3.1 The Industrial Production of Chlorine and Sodium Hydroxide . . . . . . . 442 23.3.2 Soaps and Detergents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446 23.4 The Fertiliser Industry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 23.4.1 The value of nutrients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 23.4.2 The Role of fertilisers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 450 23.4.3 The Industrial Production of Fertilisers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451 23.4.4 Fertilisers and the Environment: Eutrophication . . . . . . . . . . . . . . 454 23.5 Electrochemistry and batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 23.5.1 How batteries work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456 23.5.2 Battery capacity and energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 23.5.3 Lead-acid batteries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457 23.5.4 The zinc-carbon dry cell . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 459 23.5.5 Environmental considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460 23.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
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Physics

by Siyavula Siyavula

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
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