26
Kinematics 1 D Kinematics 2 D Kinematics Graphing motion (Note: the graphs below do not represent the same moving object)

Physics AP B Review Packet2012-2013

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Physics AP B Review Packet2012-2013

Kinematics  1  D  Kinematics  

 2  D  Kinematics  

 Graphing  motion        (Note:  the  graphs  below  do  not  represent  the  same  moving  object)  

 

Page 2: Physics AP B Review Packet2012-2013

Forces  Newton’s  Laws  1.  Objects  maintain  constant  velocity  unless  there  is  force.  - “No forces” does not mean “no motion”. “No forces” means no acceleration (constant motion/velocity).  

2.  ΣF  =  ma  -You need to choose only one direction at a time, e.g. ΣFx  =  max ΣFy  =  may  

3.  Every  force  on  an  object,  has  an  equal  and  opposite  force            on  a  different  object.  - Since the forces are on different objects they do not cancel.

Some common kinds of forces

     

Page 3: Physics AP B Review Packet2012-2013

Common  types  of  force  problems    

 

 

Page 4: Physics AP B Review Packet2012-2013

Solving  2D  force  (vector)  problems  1.  Draw  the  forces  exerted  on  the  object  you  are  concerned  with  (These  are  forces  ON  the  object,  not  the  forces  the  object  is  exerting  on  other  objects)  

   2.  Break  each  force  into  vertical  and  horizontal  components  Fy  and  Fx  (For  completely  vertical  or  horizontal  forces  one  component  will  be  zero,  the  other  is  +  F)  (For  diagonal  forces  you  need  to  use  sin  and  cos  to  break  the  vector  into  components)  (Up  or  Right  is  a  positive  component,  Left  or  Down  is  a  negative  component)  

   3.  Use  ΣFy=may  and  ΣFx=max    i.e.  for  the  example  shown                  ΣFx  =  Fa  cosθ  +  0  +  (-­‐Fc)=Max                    ΣFy  =  Fa  sinθ  +  (-­‐Fb)  +  0=  May    

4.  If  object  is  not  moving  in  the  x  direction  (or  constant  speed  in  x  direction)  then  ΣFx  =  0  

 Similarly  for  the  y  direction,  if  the  object  is  not  moving  vertically  (or  it  is  moving  at  constant  speed  vertically)  then  ΣFy  =  0  

 

Page 5: Physics AP B Review Packet2012-2013

Centripetal  Motion  

ΣF  =  m  v2/r  -­‐  Forces  directed  into  the  circle  are  positive  and  forces  directed  out  of  the  circle  are  negative  -­‐  You  can  always  use  this  if  something  is  going  in  a  circle  (but  you  don’t  always  have  to  use  this)  

-­‐  If  an  object  is  moving  with  constant  speed  in  a  circle  then        v  =  2πr/Tperiod  

 

Page 6: Physics AP B Review Packet2012-2013

Energy  and  Work  Work  W=Fdcosθ Fd (Note:  Area  under  F  vs.  x  graph  equals  work.)  

 -­‐  Work  tells  you  how  much  energy  is  tranfered  -­‐  If  a  force  pushes  in  the  direction  of  d  (tries  to  speed  up  object),  force  does  +  work  -­‐  If  the  object  doesn’t  move  d=0,  or  the  force  is  perpendicular  to  motion,  W=0  -­‐  The  work  done  by  gravity  is  Wg  =  +mgh      (use  +  if  moving  down,  -­‐  if  moving  up)  -­‐  Work-­‐Kinetic  energy                  Wtotal  =  Δ  KE  =  KEf  -­‐  KEi  

Types  of  energy  

KE  =  ½mv2  PEgravity  =  mgh       (you  choose  where  h=0)  PEspring  =  ½kx2       (x  is  the  compression  or  extension)  

 Qheat  =  mcΔT  =  mL  

PEelectric  =  qV  =  kq1q2/r  

Ecapacitor  =  ½  CV2  =  ½  QV  Ephoton  =  hf                                      E  =  mc2    

Page 7: Physics AP B Review Packet2012-2013

Momentum  and  Collisions  Momentum  

p  =  mv        [kg  m/s]          -­‐Momentum  is  a  vector  and  direction  matters  (+  if  going  right,  -­‐  if  going  left)  -­‐A  situation  where  two  objects  of  mass  m  move  with  speed  v  toward          each  other  has  no  total  momentum  -­‐Momentum  is  always  conserved    

ΣF  =  Δp/Δt          [which  also  =  ma]                -­‐This  is  a  way  to  relate  changes  in  momentum  to  forces    

Impulse  =  Δp  =  FΔt        [Ns]  -­‐Area  under  F  vs.  time  graph  is  the  Impulse  (change  in  momentum)  

 

Collisions  -­‐momentum  is  conserved  in  every  type  of  collision  (elastic  and  inelastic)  

a.  Elastic  collisions  -­‐  KE  is  conserved  -­‐objects  must  bounce  off  each  other  -­‐Note:  For  elastic  collisions,  (v1  –  v2)initial  =  -­‐(v1  –  v2)final  

b.  Inelastic  collisions  -­‐  KE  is  not  conserved,  KE  gets  lost  in  the  collision  (turns  into  thermal  energy,  etc)  -­‐objects  can  stick  together  (perfectly  inelastic)  or  bounce  off  each  other  Note:  To  determine  whether  a  collision  is  elastic  or  inelastic  just  compare  the  KEtot  before  and  after  the  collision.    -­‐  If  KEtot  initial  =  KE  tot  final,  then  it  is  elastic.  If  not,  it  is  inelastic.  

Page 8: Physics AP B Review Packet2012-2013

Torque  and  Center  of  Mass  Torque        

 

-­‐  r  is  from  the  axis  to  the  point  where  the  force  is  applied  

 Equilibrium  

     -­‐  no  acceleration  and  no  angular  acceleration  (usually  means  at  rest)  -­‐  i.e.  Torque  in  CW  direction  equals  torque  in  CCW  direction  

 Center  of  mass  

 

 -­‐  r  is  distance  from  arbitrary  point  (end  of  object,  middle  of  object,  etc.)  to  mass  m  or  dm,  but  if  there  is  an  obvious  axis  it  is  usually  a  good  idea  to  use  it    -­‐  the  CM  tells  you  the  position  where  an  object  could  balance    -­‐  the  CM  is  also  where  you  could  treat  all  the  mass  as  residing  

   

Page 9: Physics AP B Review Packet2012-2013

Fluids  and  Pressure  Density            ρ  =  mass/volume    [kg/m3]  -­‐Specific  gravity      SG  =  ρobject/  ρwater                            If  SG>1  sinks,          if  SG  <1  floats  

-­‐  Specific  gravity    SG  =  fraction  of  floating  object  below  the  water  -­‐  ρwater  =  1000  kg/m

3  

Pressure          P  =  Force/Area      [N/m2  =  Pascals]  -­‐  Patm  =  1.01  x  10

5  Pa  -­‐  A  small  force  can  exert  a  huge  pressure  if  area  of  contact  is  small    (e.g.  pushing  tack  into  wall)    

Pabsolute=Po  +  ρgh       Pgauge=  ρgh  -­‐  Po  is  the  pressure  above  the  fluid,  which  is  usually  Patm  =  1.01  x  10

5  Pa  -­‐  Pgauge  measures  the  difference  between  the  fluid  pressure  and  atmosphereic  pressure  -­‐  Pgauge  is  what  you  measure  when  you  check  your  tires    

Volume  flow  rate  =  (Area)(speed)        [m3/sec]    

A1v1=A2v2                                  (  or  Av  =  constant)  -­‐  Note:  This  is  true  for  liquids,  not  gases,  because  liquids  are  incompressible    

Buoyancy    -­‐  Archimedes  principle:  The  Buoyant  force  equals  the  weight  of  the  fluid  displaced  

Fbuoyancy  =  ρ fluidVfluid displaced g -­‐  The  Vfluid displaced is  not  always  the  volume  of  the  object!          (unless  it  is  completely  submerged)  -­‐  Fbuoyancy  =  Weight  in  air  –  Weight  in  water              (for  objects  that  don’t  float)    

Bernoulli’s  Equation  P1  +  ½ρv1

2  +  ρgh1  =  P2  +  ½ρv22  +  ρgh2  

 

Note:  If  the  height  does  not  change  significantly,  Bernoulli’s  eqn  says,  

P1  +  ½ρv12  =  P2  +  ½ρv2

2             (or      P  +  ½ρv2=  constant  )  

-­‐  Bernoulli’s  principle:  If  the  speed  of  a  fluid  increases,  the  pressure  of  the  fluid  decreases  -­‐  e.g.  Blowing  air  over  paper  decreases  pressure  on  top,  and  the  paper  rises      

 

 

Page 10: Physics AP B Review Packet2012-2013

Waves  and  Simple  Harmonic  Motion  Simple  Harmonic  oscillators  - position described by x(t)=Asin(ωt) or x(t)=Acos(ωt) ω = 2π /T [rad/sec]

Tmass  on  spring  =  2π  [m/k]1/2                      Remember  that    f  =  1/T      [Hz]

-Spring Period T does not depend on g or amplitude - Etotal = ½ kA2 ( for horiz. mass on spring, because at the maximum displacement A the KE=0 )

Tpendulum  =  2π  [L/g]1/2  

- Pendulum Period T does not depend on mass or amplitude (as long as the amplitude is small θ < 20o)

 Waves  v  =  λ  f    (v is wave speed, λ is wavelength, f is frequency) Note: this eqn. is true for every wave

Transverse waves: medium moves perpendicular to velocity of wave (e.g. ripple on pond) Longitudinal waves: medium moves parallel to velocity of wave (e.g. sound waves)

Standing waves - Nodes: points that don’t move (dest. int) Antinodes: points of maximum displacement (const. int) - Open-Open pipe is node-node Open-closed pipe is Node-Antinode

Page 11: Physics AP B Review Packet2012-2013

Wave  phenomenon  Reflection   θ in  =  θout       Note:  always  measure  θ  from  the  normal  line  

Refraction        n1sinθ1=  n2sinθ2     n =c/v = (3 x 108 m/s)/v Index  of  refraction  n  is  always  greater  than  1  When  a  wave  passes  from  a  fast  medium  to  a  slow  medium  it  bends  “toward  the  normal”  When  a  wave  passes  from  a  slow  medium  to  a  fast  medium  it  bends  “away  from  the  normal”  

Total  internal  reflection:    sin  θ critical  =  n2/n1      (Note:  TIR  only  occurs  if  reflected  off  of  “fast”  medium)  

 Diffraction:      The  spreading  out  of  waves  when  they  encounter  a  hole  or  corner    

 

For  Single  Slit  Diffraction,  it  is  the  opposite,    i.e.  Destructive  happens  for    nλ    =  dsinθ   n=  +1,  +2,  +3   (don’t  use  n=0  here!)  

Page 12: Physics AP B Review Packet2012-2013

Thin  film  interference  For  Fast  -­‐>  Slow  -­‐>  Fast  interference      (e.g.  a  soap  bubble,  or  a  thin  piece  of  plastic)  

For  Fast  -­‐>  Slow  -­‐>  Slower  interference    (  e.g.  water  on  glass  )  

 

 

Page 13: Physics AP B Review Packet2012-2013

Thermal  Physics  Thermal expansion ΔL  =  α  Lo  ΔT   [m]    -­‐  Note:  ΔT  can  be  in  oC  or  K,  but  if  you  have  an  equation  with  just  T  it  must  be  in  K  

-­‐  Almost  all  objects  expand  when  heated                (note:  holes  in  heated  objects  also  expand)    

Thermal  conduction          Q/time  =  kA  ΔT/L   [J/sec  or  Watts]  -­‐  Heat  Q  passes  through  a  material  of  area  A,  thickness  L,  and  thermal  conductivity  k  -­‐  Conduction  is  when  heat  flows  through  an  object,  convection  is  when  currents  of  hot  fluid        flow  to  colder  regions,  and  radiation  is  when  energy  is  transferred  by  EM  waves    

PV  =  nRT                                  (n=moles,  T  in  K,  R  =  8.31  Pa  m3  /mol  K,  R  =  0.082  atm  L  /mol  K  )  

PV  =  NkBT                    (N  =  #  molecules,  T  in  K,  P  in  Pa,  V  in  m3,  kB  =  1.38  x  10-­‐23  J/K)  

 

Qgained  =  Qlost     (note:  Heat  is  measured  in  Joules)  

Q  =  mc  ΔT     (use  when  object  is  changing  temperature)  

Q  =  mL       (use  when  object  is  changing  phase,  e.g.  solid  to  liquid  or  liquid  to  gas)  

-­‐  use  heat  of  fusion  for  (solid      <-­‐>      liquid)              use  heat  of  vaporization  for  (liquid      <-­‐>      gas)    

Vrms  =  [3kBT/Mmolecule]1/2            (root-­‐mean-­‐square  speed  of  molecule  in  an  ideal  gas)  

 

Laws of thermodynamics First Law: ΔU  =  Qheat  flows  into  gas  +  Wwork  done  on  gas      -­‐  Internal  energy  (U)  increases  if  heat  Q  flows  into  a  gas,  or  work  W  is  done  on  a  gas  -­‐  If  internal  energy  of  a  gas  increases,  then  T  increases.  -­‐  For  Monatomic  Ideal  Gas  you  can  use  the  equation            ΔU=3/2  Δ(PV)  

Second Law:    Entropy  of  universe  is  always  increasing  -­‐  heat  never  flows  spontaneously  from  cold  to  hot  -­‐  no  heat  engine  can  have  an  efficiency  of  1  

efficiency  =  W/QH  =  1  –  QC/QH      (Qc  is  waste  heat  created  by  heat  engine)    

-­‐  The  most  efficient  engine  (Carnot  engine)  has  efficiency  of  e  =  1  -­‐TC/TH  

Change  in  entropy ΔS=Q/T    -­‐  if  heat  flows  into  an  object,  that  object’s  entropy  increases      (and  vice  versa)  

Page 14: Physics AP B Review Packet2012-2013

 

 

Page 15: Physics AP B Review Packet2012-2013

Electric  Forces,  Fields,  Energy  &  Voltage    

Fe  is  electric  force  [Newtons]  + charges feel force in same dir of the electric field (E), - charges feel force in opp. dir of electric field (E)

E  is  electric  field  [N/Coulomb  or  Volts/meter]  + charges create electric fields that point radially outward from charge, - charges create E pointing inward

PEelectric  is  electric  potential  energy  [Joules]  Electric Poetential Energy (PE) is another form of energy that objects can have

V  is  electric  potential  [J/Coulomb  or  Volts]  Electric Potential (V) at a point is the Electric Potential Energy (PE) 1C of charge would have at that point

 

 

Note: + and - charges both feel a force toward lower PEelectric , also Electric fields E point toward lower V

 

Page 16: Physics AP B Review Packet2012-2013

Solving  2D  electric  force/field  problems  1.  Draw  the  forces  exerted  on  the  charge  you  are  concerned  with  (These  are  forces  ON  charge  Q,  not  the  forces  charge  Q  is  exerting  on  other  charges)  

   2.  Find  the  size  of  each  force  using  F=kq1q2/r

2    

3.  Break  forces  into  vertical  and  horizontal  components  Fy  and  Fx  (For  completely  vertical  or  horizontal  forces  one  component  will  be  zero,  the  other  is  +  F)  (For  diagonal  forces  you  need  to  use  sin  and  cos  to  break  the  vector  into  components)  

(Up  or  Right  is  a  positive  component,  Left  or  Down  is  a  negative  component)  

 4.  Add  up  all  the  Fx  and  Fy  to  get  the  components  of  the  total  Force  vector  Fxtot  and  Fytot  i.e.  for  the  example  shown                  Fxtot  =  Fa  cosθ  +  0  +  (-­‐Fc)                    Fytot  =  Fa  sinθ  +  (-­‐Fb)  +  0    

5.  Find  magnitude  of  total  Force  using  the  Pythagorean  Theorem                          i.e.    Ftot

2  =  Fxtot2  +  Fytot

2  6.  Find  the  angle  from  horizontal  by  using  θ  =  tan-­‐1  (Fytot/Fxtot)  (Note:  This  angle  is  always  the  angle  from  the  “nearest”  x-­‐axis  to  the  total  Force  vector)  

 

Page 17: Physics AP B Review Packet2012-2013

Electric  Field  Lines  and  Equipotential  Lines  Electric  Field  Lines  show  the  direction  of  the  electric  field  (E)  at  points  in  space.  Field  lines  point  radially  outward  from  “+”  charges,  and  radially  inward  toward  “-­‐“  charges.  The  Electric  field  E  is  greatest  where  field  lines  are  closest  together.  Larger  charges  get  more  field  lines  to  start/end  on  them.  

 

 Equipotential  Lines  show  lines  of  constant  electric  potential  (V).  Equipotential  Lines  are  always  perpendicular  to  the  Electric  Field  Lines.  The  Electric  Field  E  is  greatest  where  Equipotential  Lines  are  closest  together,  E=-­‐ΔV/Δx  

There  is  no  work  done  when  a  charge  is  moved  along  an  Equipotential  Line.  

 

 

Page 18: Physics AP B Review Packet2012-2013

Circuits  Current  I  =  Q/t                [C/sec  =  Amperes]  -­‐  defined  to  be  in  the  direction  of  positive  charge  flow  (or  opposite  direction  of  e-­‐)  -­‐  is  directed  out  of  the  +  terminal  of  a  battery,  and  into  the  -­‐  terminal    

Resistance  The  resistance  of  a  length  L  of  cylinder  made  with  resistivity  ρ ,  and  cross  sectional  area  A  is,  

R=ρ  L/A    [Ohms]        

Ohm’s  Law  V  =  IR    (V  is  voltage  drop  across  resistor,  I  is  current  through  the  resistor,  R  is  resistance)  -­‐  V  is  not  necessarily  the  voltage  of  the  battery!  -­‐  Ohmic  materials  have  constant  resistance  (slope  on  V  vs.  I),  regardless  of  what  the  current  is  -­‐  Non-­‐Ohmic  materials  change  their  “resistance”  depending  on  what  the  current/voltage  is  

 

Electrical  Power  P  =  IV   [Watts]  P  =  I2R  P  =  V2/R    

Capacitors  C  =  Q/V     (C  is  capacitance,  Q  is  charge  on  +  plate,  V  is  voltage  across  capacitor)  

-­‐  Capacitance  tells  you  how  well  a  capacitor  can  store  charge  -­‐  Inserting  a  Dielectric  between  a  capacitor  always  increases  capacitance  by  a  factor  of  k  -­‐  Capacitors  store  energy  as  well,  which  is  given  by  

Ecapacitor  =  ½  QV  =  ½  CV2  

-­‐  For  a  parallel  plate  capacitor  with  plates  of  area  A  separated  by  a  distance  d,  capacitance  is,  

C  =  εoA/d    

   

Page 19: Physics AP B Review Packet2012-2013

Combining  Resistors  

   

Combining  Capacitors  

     

Page 20: Physics AP B Review Packet2012-2013

Kirchoff’s  Rules  Junction  Rule:  Iin  =  Iout  -­‐  Total  current  flowing  into  junction  equals  total  current  flowing  out  of  junction  

 Loop  Rule:  ΣΔV  =  0  

-­‐  The  sum  of  the  changes  in  voltage  around  any  closed  loop  always  equals  zero  

ΔV  =  -­‐IR (if you pass through resistor in the same direction as current)

ΔV  =  IR (if you pass through resistor in the opp. direction as current)  ΔV  =  +εbattery        (if you pass through the battery from – terminal to + terminal)

ΔV  =  -­‐εbattery        (if you pass through the battery from + terminal to - terminal)    

Terminal  Voltage  

Vab  =  ε  -­‐  Ir    (Vab  is  the  terminal  voltage,  ε  is  the  emf  of  battery,  r  is  internal  resistance)  

-­‐Every  battery  has  an  internal  resistance  r  which  will  lower  the  terminal  voltage  when  current  flows  -­‐  A  9V  battery  will  not  necessarily  have  a  measured  terminal  voltage  of  9V,  unless  no  current  flows  -­‐  The  ε  of  a  9V  battery  is  9V  even  when  no  current  flows,  but  the  measured  terminal  voltage  will  be  less  

-­‐  Slope  of  Vab  vs.  I  graph  is  negative  the  internal  resistance.  The  y  intercept  is  the  emf  ε .  

 

Electrical  Meters  Voltmeter  -­‐  Measures  voltage  change  across  circuit  element  (resistor,  battery,  etc.)  -­‐  Ideally  has  infinite  resistance  so  it  does  not  draw  any  current  away  from  circuit  -­‐  Needs  to  be  hooked  up  in  parallel  with  circuit  element  

 

Ammeter  -­‐  Measures  current  through  a  circuit  element  (resistor,  battery,  etc.)  -­‐  Ideally  has  no  resistance  so  it  does  not  change  the  current  -­‐  Needs  to  be  hooked  up  in  series  with  circuit  element  

Page 21: Physics AP B Review Packet2012-2013

Magnetism  Magnetic  forces  FB  =  qvBsinθvB                (q  is  charge,  v  is  speed,  B  is  magnetic  field,  θ  is  angle  between  v  and  B)  

-­‐  The  direction  of  force  on  +  charge  is  given  by  the  Right  hand  rule     (Very-­‐Bad-­‐Finger)  -­‐  If  the  charge  is  negative  the  force  is  in  the  opposite  direction  -­‐  Magnetic  forces  never  do  Work  (since  FB  is  always  perpendicular  to  motion  W=Fdcos90=0)  -­‐  Magnetic  forces  often  make  charges  (q)  of  mass  m  travel  in  circles  of  radius  r  given  by,  

r  =  mv/qB    Note:  If  you  want  a  charged  particle  to  travel  in  a  straight  line  (“velocity  selector”),  create  an  electric  field  E  so  that  the  forces  cancel,  i.e.  speed  is  ratio  of  E  to  B  

v=E/B     (since  FB  =  FE        or    qvB  =  qE)  

Note:  The  forces  have  to  be  of  equal  size,  not  the  fields!    (i.e.  FB  =  FE    ,    but  E  does  not  equal  B)      

Magnetic  force  on  wire  

FB  =  ILB   (I  is  current  that  feels  force,  L  is  length  of  wire,  B  is  mag.  field  from  other  sources)  

-­‐to  find  direction  of  FB  use  the  same  right  hand  rule  (except  v  is  now  direction  of  I)    

Magnetic  fields  The  magnetic  field  a  distance  r  from  a  long  straight  current  (I)  carrying  wire  is  given  by,  

B  =  µoI/2πr        [Tesla]                      µo  =  4π  x  10-­‐7  T  m/A  

 -­‐  The  magnetic  field  from  a  long  straight  wire  is  directed  along  a  circle  centered  at  wire  with  direction  given  by  right  hand  rule  (Thumb  in  direction  of  current,  fingers  curl  in  direction  of  B)  

 -­‐  Note:  Wires  with  I  in  same  direction  will  attract,  Wires  with  I  in  opp.  Direction  will  repel  

 

Page 22: Physics AP B Review Packet2012-2013

Induced  voltage  ε  ε  =  -­‐  ΔΦM/Δt                    (magnetic  flux    ΦM  =  BAcosθ A is the area of the loop of wire)  

ε  =  Δ(BAcosθ)/Δt                      -­‐  You  will  induce  a  voltage  in  a  loop  of  wire  if  you  change  B,  A,  or  θ    

For  a  piece  of  wire  or  a  conducting  bar  of  length  L  the  induced  voltage  will  be    

ε = LvB (remember there is voltage on Las Vegas Boulevard)

 

Lenz’s  Law  -­‐  Induced  current  always  opposes  the  change  in  flux    If  flux  increases,  induced  current  creates  a  magnetic  field  B  in  opp  direction  of  existing  B  If  flux  decreases,  induced  current  creates  a  magnetic  field  B  in  same  direction  of  existing  B    

 

 

 

Page 23: Physics AP B Review Packet2012-2013

Optics  Reflection   θ in  =  θout       Note:  always  measure  θ  from  the  normal  line  

Refraction        n1sinθ1=  n2sinθ2     n =c/v = (3 x 108 m/s)/v Index  of  refraction  n  is  always  greater  than  or  equal  to  1  When  a  wave  passes  from  a  fast  medium  to  a  slow  medium  it  bends  “toward  the  normal”  When  a  wave  passes  from  a  slow  medium  to  a  fast  medium  it  bends  “away  from  the  normal”  

Total  internal  reflection:    sin  θ critical  =  n2/n1      (Note:  TIR  only  occurs  if  reflected  off  of  “fast”  medium)  

Ray  tracing  for  Mirrors     (one  ray  parallel,  and  one  ray  into  the  center)  

 Ray  tracing  for  Lenses   (one  ray  parallel,  and  one  ray  into  the  center)  

 

Page 24: Physics AP B Review Packet2012-2013

Mirror  or  Lens  Equation     Magnification  equation  1/f  =  1/do  +  1/di          M  =  hi/ho  =  -­‐  di/do  

 For  Mirrors  

 For  Lenses  

   

Page 25: Physics AP B Review Packet2012-2013

Modern  Physics  Photons  E  =  hf     (f  is  frequency,  h  is  Plank’s  constant  h  =  6.626  x  10-­‐34  J  sec)    

λ = h/p     (p  is  momentum,  λ  is  wavelength)  -­‐  Higher  frequency  (lower  wavelength)  light  has  more  energy  per  photon  -­‐  1  eV  (electron  Volt)  =  1.6x10-­‐19  Joules  -­‐  Note:  λ = h/p  =  h/mv  works  for  electrons  and  other  particles  too.  (DeBroglie  Wavelength)  

Photoelectric  Effect  -­‐  Provided  evidence  that  light  behaves  like  a  particle  (photon)  

KEmax  =  hf  -­‐  φ (φ is the work function. Energy needed to free electron from metal.)

 -­‐Increasing  Intensity  of  light  (number  of  photons)  increases  number  of  electrons    -­‐Increasing  frequency  of  light  (energy  of  photons)  increases  KEmax  of  electrons      

Stopping  potential:        ΔV  =  KEmax/e    -­‐  Stopping  potential  is  the  minimum  voltage  needed  to  stop  the  outgoing  electrons      

Compton  Scattering  -­‐  Photons  collide  and  scatter  off  other  particles  (typically  electrons)    -­‐  Provided  more  evidence  that  light  behaves  like  a  particle,  since  photons  collide  like  particles  -­‐  Wavelength  of  scattered  light  always  increases  by  an  amount,  

λ − λο = h/mec (1-cosθ) (θ is the angle between scattered and incident photons)  

 -­‐  The  photon  always  decreases  in  energy,  decreases  in  frequency,  and  increases  in  wavelength  

Nuclear  processes  

Page 26: Physics AP B Review Packet2012-2013

 Alpha  Decay     e.g.        23892U      -­‐>    

23490Th    +  

42HE  

-­‐  An  alpha  particle,  i.e.  a  Helium  nucleus  (2  protons  +2  neutrons),  is  emitted  by  a  larger  nucleus  -­‐mass  number  A  decreases  by  4  and  atomic  number  Z  decreases  by  2    

Beta  Decay     e.g.        146C      -­‐>    14

7N    +  e-­‐  +  antineutrino  

-­‐  Typically  a  neutron  decays  into  a  proton,  electron  and  antineutrino  -­‐mass  number  A  always  stays  the  same    -­‐atomic  number  Z  typically  increases  by  1  (if  neutron  decays  into  proton)    -­‐Occasionally  a  proton  can  absorb  an  electron  and  turn  into  a  neutron.  In  this  case  Z  decreases  by  1    

Gamma  Decay   e.g.      126C*    -­‐>    12

6C    +  γ (X* denotes an excited nucleus)

-­‐  A  high  energy  photon  (Gamma  ray)  is  emitted  by  an  excited  nucleus  -­‐  Mass  number  A  and  atomic  number  Z  remain  the  same  -­‐  Gamma  decay  typically  occurs  after  an  alpha  or  beta  decay    

Mass  Defect      (The  total  mass  often  changes  in  nuclear  reactions  like  fission  and  fusion)  

Erest  energy  =  mc2     or          ΔE  =  Δmc2      -­‐  Mass  can  be  converted  into  energy  (e-­‐  +  e+  -­‐>  γ’s),  and  energy  can  be  converted  into  mass      

Atomic  energy  levels  (e-­‐  emit  photons  if  drop  E  levels,  absorb  photons  if  rise  E  levels)