Physics for Scientists and Engineers: A Strategic Approach with Modern Physics

Cover......Page 1
Front End Paper......Page 2
Title Page......Page 4
Copyright Page......Page 5
About the Author......Page 6
Preface to the Instructor......Page 11
Acknowledgments......Page 13
Preface to the Student......Page 16
Contents......Page 18
 Overview: Why Things Change......Page 26
 Chapter 1: Concepts of Motion......Page 27
  1.1. Motion Diagrams......Page 28
  1.2. Models and Modeling......Page 29
  1.3. Position, Time, and Displacement......Page 30
  1.4. Velocity......Page 34
  1.5. Linear Acceleration......Page 36
  1.6. Motion in One Dimension......Page 40
  1.7. Solving Problems in Physics......Page 43
  1.8. Unit and Significant Figures......Page 47
  Summary......Page 52
  Questions and Problems......Page 53
 Chapter 2: Kinematics in One Dimension......Page 57
  2.1. Uniform Motion......Page 58
  2.2. Instantaneous Velocity......Page 62
  2.3. Finding Position from Velocity......Page 65
  2.4. Motion with Constant Acceleration......Page 68
  2.5. Free Fall......Page 74
  2.6. Motion on an Inclined Plane......Page 76
  2.7. Advanced Topic: Instantaneous Acceleration......Page 79
  Summary......Page 82
  Questions and Problems......Page 83
 Chapter 3: Vectors and Coordinate Systems......Page 90
  3.2. Using Vectors......Page 91
  3.3. Coordinate Systems and Vector Components......Page 94
  3.4. Unit Vectors and Vector Algebra......Page 97
  Summary......Page 101
  Questions and Problems......Page 102
 Chapter 4: Kinematics in Two Dimensions......Page 105
  4.1. Motion in Two Dimensions......Page 106
  4.2. Projectile Motion......Page 110
  4.3. Relative Motion......Page 115
  4.4. Uniform Circular Motion......Page 117
  4.5. Centripetal Acceleration......Page 121
  4.6. Nonuniform Circular Motion......Page 123
  Summary......Page 128
  Questions and Problems......Page 129
 Chapter 5: Force and Motion......Page 135
  5.1. Force......Page 136
  5.2. A Short Catalog of Forces......Page 138
  5.3. Identifying Forces......Page 140
  5.4. What Do Forces Do?......Page 142
  5.5. Newton’s Second Law......Page 145
  5.6. Newton’s First Law......Page 146
  5.7. Free-Body Diagrams......Page 148
  Summary......Page 151
  Questions and Problems......Page 152
 Chapter 6: Dynamics I: Motion Along a Line......Page 156
  6.1. The Equilibrium Model......Page 157
  6.2. Using Newton’s Second Law......Page 159
  6.3. Mass, Weight, and Gravity......Page 162
  6.4. Friction......Page 166
  6.5. Drag......Page 170
  6.6. More Examples of Newton’s Second Law......Page 173
  Summary......Page 177
  Questions and Problems......Page 178
 Chapter 7: Newton’s Third Law......Page 184
  7.1. Interacting Objects......Page 185
  7.2. Analyzing Interacting Objects......Page 186
  7.3. Newton’s Third Law......Page 189
  7.4. Ropes and Pulleys......Page 194
  7.5. Examples of Interacting-Object Problems......Page 197
  Summary......Page 200
  Questions and Problems......Page 201
 Chapter 8: Dynamics II: Motion in a Plane......Page 207
  8.1. Dynamics in Two Dimensions......Page 208
  8.2. Uniform Circular Motion......Page 209
  8.3. Circular Orbits......Page 214
  8.4. Reasoning About Circular Motion......Page 216
  8.5. Nonuniform Circular Motion......Page 219
  Summary......Page 222
  Questions and Problems......Page 223
 Knowledge Structure: Part I: Newton’s Laws......Page 229
 Overview: Why Some Things Don’t Change......Page 230
 Chapter 9: Work and Kinetic Energy......Page 231
  9.1. Energy Overview......Page 232
  9.2. Work and Kinetic Energy for a Single Particle......Page 234
  9.3. Calculating the Work Done......Page 238
  9.4. Restoring Forces and the Work Done by a Spring......Page 244
  9.5. Dissipative Forces and Thermal Energy......Page 246
  9.6. Power......Page 249
  Summary......Page 251
  Questions and Problems......Page 252
 Chapter 10: Interactions and Potential Energy......Page 256
  10.1. Potential Energy......Page 257
  10.2. Gravitational Potential Energy......Page 258
  10.3. Elastic Potential Energy......Page 264
  10.4. Conservation of Energy......Page 267
  10.5. Energy Diagrams......Page 269
  10.6. Force and Potential Energy......Page 272
  10.7. Conservative and Nonconservative Forces......Page 274
  10.8. The Energy Principle Revisited......Page 276
  Summary......Page 279
  Questions and Problems......Page 280
 Chapter 11: Impulse and Momentum......Page 286
  11.1. Momentum and Impulse......Page 287
  11.2. Conservation of Momentum......Page 291
  11.3. Collisions......Page 297
  11.4. Explosions......Page 302
  11.5. Momentum in Two Dimensions......Page 304
  11.6. Advanced Topic: Rocket Propulsion......Page 306
  Summary......Page 310
  Questions and Problems......Page 311
 Knowledge Structure: Part II: Conservation Laws......Page 317
 Overview: Power Over Our Environment......Page 318
 Chapter 12: Rotation of a Rigid Body......Page 319
  12.1. Rotational Motion......Page 320
  12.2. Rotation About the Center of Mass......Page 321
  12.3. Rotational Energy......Page 324
  12.4. Calculating Moment of Inertia......Page 326
  12.5. Torque......Page 328
  12.6. Rotational Dynamics......Page 332
  12.7. Rotation About a Fixed Axis......Page 334
  12.8. Static Equilibrium......Page 336
  12.9. Rolling Motion......Page 339
  12.10. The Vector Description of Rotational Motion......Page 342
  12.11. Angular Momentum......Page 345
  12.12. Advanced Topic: Precession of a Gyroscope......Page 349
  Summary......Page 353
  Questions and Problems......Page 354
 Chapter 13: Newton’s Theory of Gravity......Page 361
  13.1. A Little History......Page 362
  13.2. Isaac Newton......Page 363
  13.3. Newton’s Law of Gravity......Page 364
  13.4. Little g and Big G......Page 366
  13.5. Gravitational Potential Energy......Page 368
  13.6. Satellite Orbits and Energies......Page 372
  Summary......Page 377
  Questions and Problems......Page 378
 Chapter 14: Fluids and Elasticity......Page 382
  14.1. Fluids......Page 383
  14.2. Pressure......Page 384
  14.3. Measuring and Using Pressure......Page 390
  14.4. Buoyancy......Page 394
  14.5. Fluid Dynamics......Page 398
  14.6. Elasticity......Page 403
  Summary......Page 407
  Questions and Problems......Page 408
 Knowledge Structure: Part III: Applications of Newtonian Mechanics......Page 413
 Overview: The Wave Model......Page 414
 Chapter 15: Oscillations......Page 415
  15.1. Simple Harmonic Motion......Page 416
  15.2. SHM and Circular Motion......Page 419
  15.3. Energy in SHM......Page 422
  15.4. The Dynamics of SHM......Page 424
  15.5. Vertical Oscillations......Page 427
  15.6. The Pendulum......Page 429
  15.7. Damped Oscillations......Page 433
  15.8. Driven Oscillations and Resonance......Page 436
  Summary......Page 438
  Questions and Problems......Page 440
 Chapter 16: Traveling Waves......Page 445
  16.1. The Wave Model......Page 446
  16.2. One-Dimensional Waves......Page 448
  16.3. Sinusoidal Waves......Page 451
  16.4. Advanced Topic: The Wave Equation on a String......Page 455
  16.5. Sound and Light......Page 459
  16.6. Advanced Topic: The Wave Equation in a Fluid......Page 463
  16.7. Waves in Two and Three Dimensions......Page 466
  16.8. Power, Intensity, and Decibels......Page 468
  16.9. The Doppler Effect......Page 470
  Summary......Page 474
  Questions and Problems......Page 475
 Chapter 17: Superposition......Page 480
  17.1. The Principle of Superposition......Page 481
  17.2. Standing Waves......Page 482
  17.3. Standing Waves on a String......Page 484
  17.4. Standing Sound Waves and Musical Acoustics......Page 488
  17.5. Interference in One Dimension......Page 492
  17.6. The Mathematics of Interference......Page 496
  17.7. Interference in Two and Three Dimensions......Page 499
  17.8. Beats......Page 502
  Summary......Page 506
  Questions and Problems......Page 507
 Knowledge Structure: Part IV: Oscillations and Waves......Page 513
 Overview: It’s All About Energy......Page 514
 Chapter 18: A Macroscopic Description of Matter......Page 515
  18.1. Solids, Liquids, and Gases......Page 516
  18.2. Atoms and Moles......Page 517
  18.3. Temperature......Page 519
  18.4. Thermal Expansion......Page 521
  18.5. Phase Changes......Page 522
  18.6. Ideal Gases......Page 524
  18.7. Ideal-Gas Processes......Page 528
  Summary......Page 534
  Questions and Problems......Page 535
 Chapter 19: Work, Heat, and the First Law of Thermodynamics......Page 540
  19.1. It’s All About Energy......Page 541
  19.2. Work in Ideal-Gas Processes......Page 542
  19.3. Heat......Page 546
  19.4. The First Law of Thermodynamics......Page 549
  19.5. Thermal Properties of Matter......Page 551
  19.6. Calorimetry......Page 554
  19.7. The Specific Heats of Gases......Page 556
  19.8. Heat-Transfer Mechanisms......Page 562
  Summary......Page 566
  Questions and Problems......Page 567
 Chapter 20: The Micro/Macro Connection......Page 573
  20.1. Molecular Speeds and Collisions......Page 574
  20.2. Pressure in a Gas......Page 575
  20.3. Temperature......Page 578
  20.4. Thermal Energy and Specific Heat......Page 580
  20.5. Thermal Interactions and Heat......Page 583
  20.6. Irreversible Processes and the Second Law of Thermodynamics......Page 586
  Summary......Page 590
  Questions and Problems......Page 591
 Chapter 21: Heat Engines and Refrigerators......Page 595
  21.1. Turning Heat into Work......Page 596
  21.2. Heat Engines and Refrigerators......Page 598
  21.3. Ideal-Gas Heat Engines......Page 603
  21.4. Ideal-Gas Refrigerators......Page 607
  21.5. The Limits of Efficiency......Page 609
  21.6. The Carnot Cycle......Page 612
  Summary......Page 617
  Questions and Problems......Page 619
 Knowledge Structure: Part V: Thermodynamics......Page 625
 Overview: Forces and Fields......Page 626
 Chapter 22: Electric Charges and Forces......Page 627
  22.1. The Charge Model......Page 628
  22.2. Charge......Page 631
  22.3. Insulators and Conductors......Page 633
  22.4. Coulomb’s Law......Page 637
  22.5. The Electric Field......Page 641
  Summary......Page 647
  Questions and Problems......Page 648
 Chapter 23: The Electric Field......Page 654
  23.2. The Electric Field of Point Charges......Page 655
  23.3. The Electric Field of a Continuous Charge Distribution......Page 660
  23.4. The Electric Fields of Rings, Disks, Planes, and Spheres......Page 664
  23.5. The Parallel-Plate Capacitor......Page 668
  23.6. Motion of a Charged Particle in an Electric Field......Page 670
  23.7. Motion of a Dipole in an Electric Field......Page 673
  Summary......Page 676
  Questions and Problems......Page 677
 Chapter 24: Gauss’s Law......Page 683
  24.1. Symmetry......Page 684
  24.2. The Concept of Flux......Page 686
  24.3. Calculating Electric Flux......Page 688
  24.4. Gauss’s Law......Page 694
  24.5. Using Gauss’s Law......Page 697
  24.6. Conductors in Electrostatic Equilibrium......Page 701
  Summary......Page 705
  Questions and Problems......Page 706
 Chapter 25: The Electric Potential......Page 712
  25.1. Electric Potential Energy......Page 713
  25.2. The Potential Energy of Point Charges......Page 716
  25.3. The Potential Energy of a Dipole......Page 719
  25.4. The Electric Potential......Page 720
  25.5. The Electric Potential Inside a Parallel- Plate Capacitor......Page 723
  25.6. The Electric Potential of a Point Charge......Page 727
  25.7. The Electric Potential of Many Charges......Page 729
  Summary......Page 732
  Questions and Problems......Page 733
 Chapter 26: Potential and Field......Page 739
  26.1. Connecting Potential and Field......Page 740
  26.2. Finding the Electric Field from the Potential......Page 742
  26.3. A Conductor in Electrostatic Equilibrium......Page 745
  26.4. Sources of Electric Potential......Page 747
  26.5. Capacitance and Capacitors......Page 749
  26.6. The Energy Stored in a Capacitor......Page 754
  26.7. Dielectrics......Page 755
  Summary......Page 760
  Questions and Problems......Page 761
 Chapter 27: Current and Resistance......Page 767
  27.1. The Electron Current......Page 768
  27.2. Creating a Current......Page 770
  27.3. Current and Current Density......Page 774
  27.4. Conductivity and Resistivity......Page 778
  27.5. Resistance and Ohm’s Law......Page 780
  Summary......Page 785
  Questions and Problems......Page 786
 Chapter 28: Fundamentals of Circuits......Page 791
  28.1. Circuit Elements and Diagrams......Page 792
  28.2. Kirchhoff’s Laws and the Basic Circuit......Page 793
  28.3. Energy and Power......Page 796
  28.4. Series Resistors......Page 798
  28.5. Real Batteries......Page 800
  28.6. Parallel Resistors......Page 802
  28.7. Resistor Circuits......Page 805
  28.8. Getting Grounded......Page 807
  28.9. RC Circuits......Page 809
  Summary......Page 813
  Questions and Problems......Page 814
 Chapter 29: The Magnetic Field......Page 821
  29.1. Magnetism......Page 822
  29.2. The Discovery of the Magnetic Field......Page 823
  29.3. The Source of the Magnetic Field: Moving Charges......Page 825
  29.4. The Magnetic Field of a Current......Page 827
  29.5. Magnetic Dipoles......Page 831
  29.6. Ampère’s Law and Solenoids......Page 834
  29.7. The Magnetic Force on a Moving Charge......Page 840
  29.8. Magnetic Forces on Current-Carrying Wires......Page 845
  29.9. Forces and Torques on Current Loops......Page 848
  29.10. Magnetic Properties of Matter......Page 849
  Summary......Page 853
  Questions and Problems......Page 854
 Chapter 30. Electromagnetic Induction......Page 861
  30.1. Induced Currents......Page 862
  30.2. Motional emf......Page 863
  30.3. Magnetic Flux......Page 867
  30.4. Lenz’s Law......Page 870
  30.5. Faraday’s Law......Page 873
  30.6. Induced Fields......Page 877
  30.7. Induced Currents: Three Applications......Page 880
  30.8. Inductors......Page 882
  30.9. LC Circuits......Page 886
  30.10. LR Circuits......Page 888
  Summary......Page 892
  Questions and Problems......Page 893
 Chapter 31: Electromagnetic Fields and Waves......Page 901
  31.1. E or B? It Depends on Your Perspective......Page 902
  31.2. The Field Laws Thus Far......Page 907
  31.3. The Displacement Current......Page 908
  31.4. Maxwell’s Equations......Page 911
  31.5. Advanced Topic: Electromagnetic Waves......Page 913
  31.6. Properties of Electromagnetic Waves......Page 918
  31.7. Polarization......Page 921
  Summary......Page 924
  Questions and Problems......Page 925
 Chapter 32: AC Circuits......Page 930
  32.1. AC Sources and Phasors......Page 931
  32.2. Capacitor Circuits......Page 933
  32.3. RC Filter Circuits......Page 935
  32.4. Inductor Circuits......Page 938
  32.5. The Series RLC Circuit......Page 939
  32.6. Power in AC Circuits......Page 943
  Summary......Page 947
  Questions and Problems......Page 948
 Knowledge Structure: Part VI: Electricity and Magnetism......Page 953
 Overview: The Story of Light......Page 954
 Chapter 33: Wave Optics......Page 955
  33.1. Models of Light......Page 956
  33.2. The Interference of Light......Page 957
  33.3. The Diffraction Grating......Page 962
  33.4. Single-Slit Diffraction......Page 965
  33.5. Advanced Topic: A Closer Look at Diffraction......Page 969
  33.6. Circular-Aperture Diffraction......Page 972
  33.7. The Wave Model of Light......Page 973
  33.8. Interferometers......Page 975
  Summary......Page 978
  Questions and Problems......Page 979
 Chapter 34: Ray Optics......Page 985
  34.1. The Ray Model of Light......Page 986
  34.2. Reflection......Page 988
  34.3. Refraction......Page 991
  34.4. Image Formation by Refraction at a Plane Surface......Page 996
  34.5. Thin Lenses: Ray Tracing......Page 997
  34.6. Thin Lenses: Refraction Theory......Page 1003
  34.7. Image Formation with Spherical Mirrors......Page 1008
  Summary......Page 1013
  Questions and Problems......Page 1014
 Chapter 35: Optical Instruments......Page 1020
  35.1. Lenses in Combination......Page 1021
  35.2. The Camera......Page 1022
  35.3. Vision......Page 1026
  35.4. Optical Systems That Magnify......Page 1029
  35.5. Color and Dispersion......Page 1033
  35.6. The Resolution of Optical Instruments......Page 1035
  Summary......Page 1040
  Questions and Problems......Page 1041
 Knowledge Structure: Part VII: Optics......Page 1045
 Overview: Contemporary Physics......Page 1046
 Chapter 36: Relativity......Page 1047
  36.2. Galilean Relativity......Page 1048
  36.3. Einstein’s Principle of Relativity......Page 1051
  36.4. Events and Measurements......Page 1054
  36.5. The Relativity of Simultaneity......Page 1057
  36.6. Time Dilation......Page 1060
  36.7. Length Contraction......Page 1064
  36.8. The Lorentz Transformations......Page 1068
  36.9. Relativistic Momentum......Page 1073
  36.10. Relativistic Energy......Page 1076
  Summary......Page 1082
  Questions and Problems......Page 1083
 Chapter 37: The Foundations of Modern Physics......Page 1088
  37.2. The Emission and Absorption of Light......Page 1089
  37.3. Cathode Rays and X Rays......Page 1092
  37.4. The Discovery of the Electron......Page 1094
  37.5. The Fundamental Unit of Charge......Page 1097
  37.6. The Discovery of the Nucleus......Page 1098
  37.7. Into the Nucleus......Page 1102
  37.8. Classical Physics at the Limit......Page 1104
  Summary......Page 1105
  Questions and Problems......Page 1106
 Chapter 38: Quantization......Page 1110
  38.1. The Photoelectric Effect......Page 1111
  38.2. Einstein’s Explanation......Page 1114
  38.3. Photons......Page 1117
  38.4. Matter Waves and Energy Quantization......Page 1121
  38.5. Bohr’s Model of Atomic Quantization......Page 1124
  38.6. The Bohr Hydrogen Atom......Page 1128
  38.7. The Hydrogen Spectrum......Page 1133
  Summary......Page 1137
  Questions and Problems......Page 1138
 Chapter 39: Wave Functions and Uncertainty......Page 1143
  39.1. Waves, Particles, and the Double-Slit Experiment......Page 1144
  39.2. Connecting the Wave and Photon Views......Page 1147
  39.3. The Wave Function......Page 1149
  39.4. Normalization......Page 1151
  39.5. Wave Packets......Page 1153
  39.6. The Heisenberg Uncertainty Principle......Page 1156
  Summary......Page 1160
  Questions and Problems......Page 1161
 Chapter 40: One-Dimensional Quantum Mechanics......Page 1166
  40.1. The Schrödinger Equation......Page 1167
  40.2. Solving the Schrödinger Equation......Page 1170
  40.3. A Particle in a Rigid Box: Energies and Wave Functions......Page 1172
  40.4. A Particle in a Rigid Box: Interpreting the Solution......Page 1175
  40.5. The Correspondence Principle......Page 1178
  40.6. Finite Potential Wells......Page 1180
  40.7. Wave-Function Shapes......Page 1185
  40.8. The Quantum Harmonic Oscillator......Page 1187
  40.9. More Quantum Models......Page 1190
  40.10. Quantum-Mechanical Tunneling......Page 1193
  Summary......Page 1198
  Questions and Problems......Page 1199
 Chapter 41: Atomic Physics......Page 1203
  41.1. The Hydrogen Atom: Angular Momentum and Energy......Page 1204
  41.2. The Hydrogen Atom: Wave Functions and Probabilities......Page 1207
  41.3. The Electron’s Spin......Page 1210
  41.4. Multielectron Atoms......Page 1212
  41.5. The Periodic Table of the Elements......Page 1215
  41.6. Excited States and Spectra......Page 1218
  41.7. Lifetimes of Excited States......Page 1223
  41.8. Stimulated Emission and Lasers......Page 1225
  Summary......Page 1230
  Questions and Problems......Page 1231
 Chapter 42: Nuclear Physics......Page 1235
  42.1. Nuclear Structure......Page 1236
  42.2. Nuclear Stability......Page 1239
  42.3. The Strong Force......Page 1242
  42.4. The Shell Model......Page 1243
  42.5. Radiation and Radioactivity......Page 1245
  42.6. Nuclear Decay Mechanisms......Page 1250
  42.7. Biological Applications of Nuclear Physics......Page 1255
  Summary......Page 1259
  Questions and Problems......Page 1260
 Knowledge Structure: Part VIII: Relativity and Quantum Physics......Page 1265
Appendix A: Mathematics Review......Page 1266
Appendix B: Periodic Table of Elements......Page 1269
Appendix C: Atomic and Nuclear Data......Page 1270
Answers to Stop to Think Questions and Odd-Numbered Problems......Page 1274
Credits......Page 1308
Index......Page 1310
Back End Paper......Page 1324
Back Cover......Page 1326