University Physics volume 1 book by SAMUEL J. LING, TRUMAN STATE UNIVERSITY JEFF SANNY, LOYOLA MARYMOUNT UNIVERSITY WILLIAM MOEBS, PHD

 

University Physics Volume 1 book by SAMUEL J. LING, TRUMAN STATE UNIVERSITY JEFF SANNY, LOYOLA MARYMOUNT UNIVERSITY WILLIAM MOEBS, PhD

Course Contents:

Table of Contents

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

Unit 1. Mechanics

Chapter 1: Units and Measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

1.1 The Scope and Scale of Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8

1.2 Units and Standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

1.3 Unit Conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

1.4-Dimensional Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 22

1.5 Estimates and Fermi Calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

1.6 Significant Figures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

1.7 Solving Problems in Physics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Chapter 2: Vectors... . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

2.1 Scalars and Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

2.2 Coordinate Systems and Components of a Vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2.3 Algebra of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

2.4 Products of Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

Chapter 3: Motion Along a Straight Line . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

3.1 Position, Displacement, and Average Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

3.2 Instantaneous Velocity and Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

3.3 Average and Instantaneous Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

3.4 Motion with Constant Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124

3.5 Free Fall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136

3.6 Finding Velocity and Displacement from Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142

Chapter 4: Motion in Two and Three Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

4.1 Displacement and Velocity Vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158

4.2 Acceleration Vector . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166

4.3 Projectile Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

4.4 Uniform Circular Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182

4.5 Relative Motion in One and Two Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189

Chapter 5: Newton's Laws of Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207

5.1 Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 208

5.2 Newton's First Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213

5.3 Newton's Second Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216

5.4 Mass and Weight . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

5.5 Newton’s Third Law . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229

5.6 Common Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 236

5.7 Drawing Free-Body Diagrams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247

Chapter 6: Applications of Newton's Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265

6.1 Solving Problems with Newton’s Laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 266

6.2 Friction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281

6.3 Centripetal Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 293

6.4 Drag Force and Terminal Speed . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302

Chapter 7: Work and Kinetic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 327

7.1 Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 328

7.2 Kinetic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 338

7.3 Work-Energy Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

7.4 Power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345

Chapter 8: Potential Energy and Conservation of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359

8.1 Potential Energy of a System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 360

8.2 Conservative and Non-Conservative Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368

8.3 Conservation of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

8.4 Potential Energy Diagrams and Stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377

8.5 Sources of Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381

Chapter 9: Linear Momentum and Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395

9.1 Linear Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396

9.2 Impulse and Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398

9.3 Conservation of Linear Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 412

9.4 Types of Collisions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423

9.5 Collisions in Multiple Dimensions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431

9.6 Center of Mass . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438

9.7 Rocket Propulsion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453

Chapter 10: Fixed-Axis Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 471

10.1 Rotational Variables . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 472

10.2 Rotation with Constant Angular Acceleration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481

10.3 Relating Angular and Translational Quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487

10.4 Moment of Inertia and Rotational Kinetic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492

10.5 Calculating Moments of Inertia . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 500

10.6 Torque . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508

10.7 Newton’s Second Law for Rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514

10.8 Work and Power for Rotational Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518

Chapter 11: Angular Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539

11.1 Rolling Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540

11.2 Angular Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548

11.3 Conservation of Angular Momentum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558

11.4 Precession of a Gyroscope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565

Chapter 12: Static Equilibrium and Elasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581

12.1 Conditions for Static Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582

12.2 Examples of Static Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 590

12.3 Stress, Strain, and Elastic Modulus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603

12.4 Elasticity and Plasticity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613

Chapter 13: Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 629

13.1 Newton's Law of Universal Gravitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 630

13.2 Gravitation Near Earth's Surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 635

13.3 Gravitational Potential Energy and Total Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 642

13.4 Satellite Orbits and Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 647

13.5 Kepler's Laws of Planetary Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 654

13.6 Tidal Forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 661

13.7 Einstein's Theory of Gravity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 666

Chapter 14: Fluid Mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 685

14.1 Fluids, Density, and Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 686

14.2 Measuring Pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 697

14.3 Pascal's Principle and Hydraulics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 702

14.4 Archimedes’ Principle and Buoyancy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 707

14.5 Fluid Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 711

14.6 Bernoulli’s Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 716

14.7 Viscosity and Turbulence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 722

Unit 2. Waves and Acoustics

Chapter 15: Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 743

15.1 Simple Harmonic Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744

15.2 Energy in Simple Harmonic Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 754

15.3 Comparing Simple Harmonic Motion and Circular Motion . . . . . . . . . . . . . . . . 760

15.4 Pendulums . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 764

15.5 Damped Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 771

15.6 Forced Oscillations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774

Chapter 16: Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 789

16.1 Traveling Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 790

16.2 Mathematics of Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 796

16.3 Wave Speed on a Stretched String . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 805

16.4 Energy and Power of a Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 808

16.5 Interference of Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 813

16.6 Standing Waves and Resonance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 822

Chapter 17: Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 847

17.1 Sound Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 848

17.2 Speed of Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 850

17.3 Sound Intensity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 859

17.4 Normal Modes of a Standing Sound Wave . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 867

17.5 Sources of Musical Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 875

17.6 Beats . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 880

17.7 The Doppler Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 882

17.8 Shock Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 889

Appendix A: Units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 907

Appendix B: Conversion Factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 911

Appendix C: Fundamental Constants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 915

Appendix D: Astronomical Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 917

Appendix E: Mathematical Formulas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 919

Appendix F: Chemistry. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923

Appendix G: The Greek Alphabet . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 925

Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 985

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