University Physics Volume 2 book by SAMUEL J. LING, TRUMAN STATE UNIVERSITY JEFF SANNY, LOYOLA MARYMOUNT UNIVERSITY WILLIAM MOEBS, PHD

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Table of Contents

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Unit 1. Thermodynamics

Chapter 1: Temperature and Heat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1 Temperature and Thermal Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2 Thermometers and Temperature Scales . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

1.3 Thermal Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

1.4 Heat Transfer, Specific Heat, and Calorimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

1.5 Phase Changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

1.6 Mechanisms of Heat Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

Chapter 2: The Kinetic Theory of Gases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

2.1 Molecular Model of an Ideal Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.2 Pressure, Temperature, and RMS Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

2.3 Heat Capacity and Equipartition of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88

2.4 Distribution of Molecular Speeds . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

Chapter 3: The First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

3.1 Thermodynamic Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

3.2 Work, Heat, and Internal Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

3.3 First Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3.4 Thermodynamic Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

3.5 Heat Capacities of an Ideal Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

3.6 Adiabatic Processes for an Ideal Gas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

Chapter 4: The Second Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145

4.1 Reversible and Irreversible Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146

4.2 Heat Engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

4.3 Refrigerators and Heat Pumps . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150

4.4 Statements of the Second Law of Thermodynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153

4.5 The Carnot Cycle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155

4.6 Entropy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160

4.7 Entropy on a Microscopic Scale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

Unit 2. Electricity and Magnetism

Chapter 5: Electric Charges and Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

5.1 Electric Charge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

5.2 Conductors, Insulators, and Charging by Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188

5.3 Coulomb's Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192

5.4 Electric Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197

5.5 Calculating Electric Fields of Charge Distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 204

5.6 Electric Field Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

5.7 Electric Dipoles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217

Chapter 6: Gauss's Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235

6.1 Electric Flux . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

6.2 Explaining Gauss’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245

6.3 Applying Gauss’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251

6.4 Conductors in Electrostatic Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

Chapter 7: Electric Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285

7.1 Electric Potential Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286

7.2 Electric Potential and Potential Difference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

7.3 Calculations of Electric Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 305

7.4 Determining Field from Potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 316

7.5 Equipotential Surfaces and Conductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319

7.6 Applications of Electrostatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328

Chapter 8: Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

8.1 Capacitors and Capacitance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

8.2 Capacitors in Series and in Parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355

8.3 Energy Stored in a Capacitor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

8.4 Capacitor with a Dielectric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365

8.5 Molecular Model of a Dielectric . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

Chapter 9: Current and Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385

9.1 Electrical Current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 386

9.2 Model of Conduction in Metals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 391

9.3 Resistivity and Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397

9.4 Ohm's Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 406

9.5 Electrical Energy and Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409

9.6 Superconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 415

Chapter 10: Direct-Current Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

10.1 Electromotive Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 432

10.2 Resistors in Series and Parallel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 440

10.3 Kirchhoff's Rules . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

10.4 Electrical Measuring Instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466

10.5 RC Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 469

10.6 Household Wiring and Electrical Safety . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475

Chapter 11: Magnetic Forces and Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493

11.1 Magnetism and Its Historical Discoveries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494

11.2 Magnetic Fields and Lines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 496

11.3 Motion of a Charged Particle in a Magnetic Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501

11.4 Magnetic Force on a Current-Carrying Conductor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506

11.5 Force and Torque on a Current Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511

11.6 The Hall Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514

11.7 Applications of Magnetic Forces and Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 517

Chapter 12: Sources of Magnetic Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535

12.1 The Biot-Savart Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 536

12.2 Magnetic Field Due to a Thin Straight Wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540

12.3 Magnetic Force between Two Parallel Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543

12.4 Magnetic Field of a Current Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 546

12.5 Ampere’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549

12.6 Solenoids and Toroids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555

12.7 Magnetism in Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560

Chapter 13: Electromagnetic Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581

13.1 Faraday’s Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582

13.2 Lenz's Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 586

13.3 Motional Emf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591

13.4 Induced Electric Fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 598

13.5 Eddy Currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 602

13.6 Electric Generators and Back Emf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606

13.7 Applications of Electromagnetic Induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613

Chapter 14: Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627

14.1 Mutual Inductance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 628

14.2 Self-Inductance and Inductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 631

14.3 Energy in a Magnetic Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 637

14.4 RL Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639

14.5 Oscillations in an LC Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 645

14.6 RLC Series Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 648

Chapter 15: Alternating-Current Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661

15.1 AC Sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 662

15.2 Simple AC Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 663

15.3 RLC Series Circuits with AC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 670

15.4 Power in an AC Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 675

15.5 Resonance in an AC Circuit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 679

15.6 Transformers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 684

Chapter 16: Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 699

16.1 Maxwell’s Equations and Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 700

16.2 Plane Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 706

16.3 Energy Carried by Electromagnetic Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 712

16.4 Momentum and Radiation Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 717

16.5 The Electromagnetic Spectrum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722

Appendix A: Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 741

Appendix B: Conversion Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 745

Appendix C: Fundamental Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 749

Appendix D: Astronomical Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 751

Appendix E: Mathematical Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 753

Appendix F: Chemistry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 757

Appendix G: The Greek Alphabet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 759

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 807

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