Important Announcement
PubHTML5 Scheduled Server Maintenance on (GMT) Sunday, June 26th, 2:00 am - 8:00 am.
PubHTML5 site will be inoperative during the times indicated!

Home Explore P1-Allens Made Physics Theory {PART-2}

P1-Allens Made Physics Theory {PART-2}

Published by Willington Island, 2021-07-02 01:25:09

Description: P1-Allens Made Physics Theory {PART-2}

Search

Read the Text Version

JEE-Physics Example Calculate the molar specific heat at constant volume. Given : specific heat of hydrogen at constant pressure is 6.85 cal mol–1 K–1 and density of hydrogen = 0.0899 g cm–3. One mole of gas = 2.016 g, J = 4.2 ×  107 erg cal–1 and 1 atmosphere = 10 6 dyne cm–2. Solution Since  the  density  of  hydrogen  is  0.0899  g  cm–3  therefore  volume  occupied  by  0.0899  g  of  hydrogen  at  NTP  is 1000  cm3.  So,  volume  of  1  mole  (2.016  g)  of  gas, V  1000  2.016 cm3 0.0899 R PV 106  1000  2.016 CP  –  CV  =  J  T  J  0.0899  273  4.2  107 =  1.96  cal  mol–1  K–1   C   =  C   –  1.96  =  (6.85  –  1.96)  =  4.89  cal  mol–1  K–1 VP Example The  specific  heat  of  argon  at  constant  volume  is  0.075  kcal/kg  K.  Calculate  its  atomic  weight, [R  =  2cal/mol  K] Solution As  argon  is  monoatomic,  its  molar  specific  heat  at  constant  volume  will  be 33 2 CV  R   3   cal/mol  K,    CV  =Mw  cV   and cV  =  0.075  cal/g  K 2 2 So 3  =  M     ×    0.075  M   =  3   =  40  gram/mole w w 0.075 Effeciency of a cycle () : total Mechanical work done by the gas in the whole process  Heat absorbed by the gas (only  ve) area    un der  th e  cy cle   in  P -V   curve \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65    =  Heat  injected  into  the system Example n  moles  of  a  diatomic  gas  has  undergone  a  cyclic  process  ABC  as  shwon  in  figure.  Temperature  at  a  is  T .  Find 0 (i)    Volume  at  C. (ii)  Maximum  temprature.                (iii)  Total  heat  given  to  gas. (iv)  Is  heat  rejected  by  the  gas,  if  yes  how  much  heat  is  rejected. (v)  Find  out  the  efficiency. 66 E

JEE-Physics Solution 2 P0  P0  V  =  2V (i)    Since  triangle  OAV   and  OCV  are  simillar  therefore V V0 0 0 (ii) Since  process  AB  is  isochoric  hence PA  PB       T  =  2T TA TB B 0 Since  process  BC  is  isobaric  therefore TB  TC   T  =  2T   =  4  T VB VC C B 0 1 (iii) Since  process  is  cyclic  therefore  Q  =  W  =  area  under  the  cycle  =  P V   . 2 00 (iv) Since U  and  W  both  are  negative  in  process  CA   Q  is  negative  in  process  CA  and  heat  is  rejected  in  process  CA Q   =  W   +  U CA CA CA 15 =   2   [P0  +  2P0]  V0  –  2 nR  (Tc  –  Ta  ) =  1   [P   +  2P ]  V   –  5 nR   4P0 V0  P0 V0   0 00 2  nR nR  2 =  –9P0V0  =  Heat  injected. (v)   =  efficiency  of  the  cycle    =  work done by the gas  P0 V0 / 2 ×  100 h ea t  in je cte d Q injected where  Q   =  Q   +  Q   =  5 nR (2T0  T0 )   5 nR (2T0 )  2P0 (2 V0  V0 )   19 PV. inj AB BC  2  2  2 00 \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 100 Therefore   =  % 19 CARNOT  CYCLE Carnot  devised  an  ideal  engine  which  is  based  on  a P Q1 P1 A T1 reversible  cycle  of  four  operations  in  succession  : on standon source  (i)  Isothermal  expansion, A B                       P2 on standD on sink B (ii)  Adiabatic  expansion, B C Q2 T2 (iii)  Isothermal  compression C D P4 C P3 V (iv)  Adiabatic  compression. D A V1 V4 V2 V3 E 67

JEE-Physics MAIN  PARTS  OF    CARNOT'S  ENGINE  ARE • Source  of  heat      : It  is  a  hot  body  of  very  large  heat  capacity  kept  at  a  constant  high  temperature  T .  Its  upper  surface  is  perfectly 1 conducting  so  that  working  substance  can  take  heat  from it. • Mechanical  arrangements  and  working  substance    : It  is  a  hollow  cylinder  whose  walls  are  perfectly  non–conducting  and  its  base  is  perfectly  conducting  fitted  with non–conducting  piston.  This  piston    move  without  any  friction.  Ideal  gas  enclosed  in  cylinder  as  a  working substance. • Heat  sink    : It  is  a  cold  body  at  low  temperature  T .  It  is  a  body  of  large  heat  capacity  and  its  upper  surface  is  highly 2 conducting  so  that  working  substance  can  reject  heat  to  it. • Stand    : It  is  made  by  perfectly  insulating  material.  When  cylinder  placed  on  it  working  substance  can  expended  or compressed  adiabatic. • Working    : A  set  of  reversible  processes  through  them  working  substance  is  taken  back  to  initial  condition  to  get  maximum work  from  this  type  of  ideal  engine. Processes  of  Carnot's  cycle  can  be  denoted  by  an  indicator  diagram. • Isothermal  expansion  A    B    Initially  the  cylinder  is  taken  to  be  in  thermal  equilibrium  with  the      high    temperature Q T ,  this  is  initial  state  of  working  substance  denoted  by  point  A  (P ,  V ,  T ).    After  that source 1 111 the  piston  is  allowed  to  move  outward  slowly.  With  the  movement  of  the  piston.  The process  is  very  slow  so  that  it  is  isothermal.    Heat  from  reservoir  flows  through  the base  of  cylinder  into  the  gas  so  temperature  of  the  gas  remains  T .    Gas  expand  and 1 receive  heat  Q1  from  source  and  gets  state    B(P2,  V2,  T1) This  heat  input  Q   to  the  gas  from  path  A  to  B  is  utilized  for  doing    work  W . 11 By  path  A  to  B  the  heat  input  to  the  gas  =  the  work  done  against  the  external V2 PdV  V2 µR T1 n V2 V1 V V1 V1  pressure. W1  Q1  dV  µ R T1 • Adiabatic  expansion  B    C Now    cylinder  is  put  in  contact  with  a  non–conducting  stand  and  piston  is  allowed  to          move  outward,  because  no  heat  can  enter  in  or  leave  out  so  the  expansion  of  gas  is adiabatic.  The  temperature  falls  to  T K  and  gas  describes  the  adiabatic  from  B  to 2 point  C  (P ,  V ,  T ).  During  this  expansion  more  work  is  done  (W )  at  the  expense  of 332 2 \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 the  internal  energy. µR Q=0  Work  done  in  adiabatic  path  BC  is  W2    1 T1  T2 • Isothermal  compression  C    D Q2 Now  the  gas  cylinder  is  placed  in  contact  with  sink  at  temperature  T .  The  piston  is        2 moved  slowly  inward  so  that  heat  produced  during  compression  passes  to  the  sink. The  gas  is  isothermally  compressed  from  C  to  point  D  (P ,  V ,  T ).  The  heat  rejected 4 42 Q   to  the  cold  reservoir  (sink)  at  T   occurs  over  this  path.  Amount  of  work  done  on 22 gas  W   =  amount  of  heat  rejected  to  the  sink 3 Q  =  W =  RT2n   V4      Q  =  µRT n  V4  sink 2 3   V3  2 2  V3      E 68

JEE-Physics • Adiabatic  compression  D    A The  cylinder  is  removed  from  the  sink  and  is  put  in  contact  with  insulating  stand  now piston  moves  inward.  Heat  is  not  allowed  to  go  out  and  it  increases  the  internal energy  of  the  system.  Now  work  is  done  on    the  gas  during  adiabatic  compression from  state  D to  initial  point  A    (P ,  V ,  T ).  No  heat  exchanges  occur  over  the  adiabatic   111 µR  T1 )  1 (T2 path.        Work  done  on  the  system  W   =   4 This  cycle  of  operations  is  called  a  Carnot  cycle. In  first  two  steps  work  is  done  by  engine W   and  W   are  positive Q=0 12 In  last  two  steps  work  is  done  on  gas W   and  W   are  negative 34 The  work  done  in  complete  cycle  W  =  the  area  of  the  closed  part  of  the  P–V  cycle. W  =  W   +  W   +  W   +  W 1234 W  µ R T1 n V2  µR  T2 )  µRT2n V4  µR  T1 )   µR T1 n V2  µRT2n V4 V1   1 (T1 V3   1 (T2 V1 V3 W µR T1n V2  µR T2 n V4 Efficiency  of  Carnot  Engine,      Q1    V1 V3 B  to  C  and    D  to  A  are  adiabatic  paths   V2 µR T1n V1 so  T V (  –  1)  =  T  V (  –  1)  and  T V (  –  1)  =  T  V (  –  1)   V2  V3 12 2 3 11 2 4 V1 V4    T1  T2 Q1  Q2    1  Q2 1 T2 Q1  Q2 T1  =  Q1 Q1 T1    T1 T2  T1  T2  100%     Q1  Q2 100% T1 Q1 The  efficiency  for  the  Carnot  engine  is  the  best  that  can  be  obtained  for  any  heat  engine.    The  efficiency  of  a Carnot  engine  is  never  100%  because  it  is  100%  only  if  temperature  of  sink  T   =  0  which  is  impossible. 2 CARNOT  THEOREM No  irreversible  engine  (I)  can  have  efficiency  greater  than  Carnot  reversible  engine  (R)  working  between  same \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 hot  and  cold  reservoirs. R  I  1  T2  1  Q 2 T1 Q1 HEAT  ENGINE source hot reservoir Heat  engine  is  a  device  which  converts  heat  into  work.  T1 Three  parts  of  a  heat  engine: Q1 (i) Source  of  high  temperature  reservoir  at  temperature  T 1 working  W substance (ii) Sink  of  low  temperature  reservoir  at  temperature  T 2 Q2 (iii) Working  substance. sink cold reservoir In  a  cycle  of  heat  engine  the  working  substance  extracts  heat  Q   from 1  T2 source,  does  some  work  W  and  rejects  remaining  heat  Q   to  the  sink. 2 Efficiency  of  heat  engine   work done (W )  T1  T2 = Q1  Q2 heat taken from source (Q1 ) T1 Q1 E 69

JEE-Physics TYPES  OF  HEAT  ENGINE • External  combustion  engine Steam  engine  is  the  example  of  external  combustion  engine.  Its  efficiency  is  10  to  20%  (small). • Internal  combustion  engine The  examples  are  petrol  engine  and  diesel  engine. There  are  four  strokes  in  internal  combustion  engine. (i) Intake  stroke or  Charging  stroke (ii) Compression  stroke (iii) Working  (or  power)  stroke  of  Expansion  stroke (iv) Exhaust  stroke The  useful  work  is  done  in  third  stroke  called  work  stroke  or  power  stroke. The  efficiency  of  internal  combustion  engine  is  40  to  60%. Example A  carnot  engine  working  between  400  K  and  800  K  has  a  work  output  of  1200  J  per  cycle.  What  is  the  amount of  heat  energy  supplied  to  the  engine  from  source  per  cycle? Solution W  =  1200  J,  T  =  800  K, T  =  400  K    =  1  –  T2  W     1  400 1200 1200 1 2 T1 Q1 800    0.5 =  Q1 Q1 1200 Heat  energy  supplied  by  source  Q1  0.5   =  2400  joule  per  cycle Example The  temperatures  T   and  T   of  the  two  heat  reservoirs  in  an  ideal  carnot  engine  are  1500°C  and  500°C 12 respectively.  Which  of  the  following  :  increasing  T   by  100°C  or  decreasing  T   by  100°C  would  result  in  a 12 greater  improvement  in  the  efficiency  of  the  engine? Solution T   =  1500°C  =  1500  +  273  =  1773  K  and  T   =  500°C  =  500  +  273  =  773  K. 12 The  efficiency  of  a  carnot's  engine    1  T2 T1 When  the  temperature  of  the  source  is  increased  by  100°C,  keeping  T   unchanged,  the  new  temperature  of  the 2 source  is  T´1  =  1500  +  100  =  1600°C  =  1873  K. The  efficiency  becomes  ´ 1  T2 1 773  0.59 T1 '  1873 On  the  other  hand,  if  the  temperature  of  the  sink  is  decreased  by  100°C,  keeping  T   unchanged,  the  new \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 1 temperature  of  the  sink  is  T´   =  500  –  100  =  400°C  =  673  K.  The  efficiency  now  becomes 2 ´´ 1  T´2  1  673  0.62 T1 1773 Since  ´´  is  greater  than  ´,  decreasing  the  temperature  of  the  sink  by  100°C  results  in  a  greater  efficiency  than increasing  the  temperature  of  the  source  by  100°C. Example A  heat  engine  operates  between  a  cold  reservoir  at  temperature  T   =  300  K  and  a  hot  reservoir  at  temperature 2 T .  It  takes  200  J  of  heat  from  the  hot  reservoir  and  delivers  120  J  of  heat  to  the  cold  reservoir  in  a  cycle.  What 1 could  be  the  minimum  temperature  of  hot  reservoir? 70 E

JEE-Physics Solution Work  done  by  the  engine  in  a  cycle  is    W  =  200  –  120  =  80  J.      =  W  80  0.4 Q 200 From carnot's Theorem   0.4 1 T2 1 300     300  0.6    T1  300   T   500 T1 T1 T1 0.6 1 REFRIGER ATOR Hot reservoir  T1 It  is  inverse  of  heat  engine.  It  extracts  heat  (Q )  from  a  cold  reservoir, Q1 = Q2 + W 2 W same  external  work  W  is  done  on  it  and  rejects  heat  (Q )  to  hot  reservoir. 1 The  coefficient  of  performance  of  a  refrigerator.  Heat  extracted  fro m  cold  reservo ir  Q2  Q2  1 Q2 Work  don e  o n  refrigerato r   W Q1  Q2 Q1 1 Q2 Cold reservoir  T2 For  Carnot  reversible  refrigerator    Q1  T1        Q2 1  1       =  T2 Q2 T2 W T1  T2  Q1  1  T1  1      Q 2  T2 Example A  carnot  engine  works  as  a  refrigrator  between  250  K  and  300  K.  If  it  receives  750  cal  of  heat  from  the reservoir  at  the  lower  temperature.  Calculate  the  amount  of  heat  rejected  at  the  higher  temperature. Solution T   =  300  K T   =  250  K Q   =  750 Q   =  ? 1 22 1 Q1  T1 300 Q 2 T2 Q1  250  750   =  900  cal Example The  temperature  inside  and  outside  of  refrigerator  are  260  K  and  315  K  respectively.  Assuming  that  the refrigerator  cycle  is  reversible,  calculate  the  heat  delivered  to  surroundings  for  every  joule  of  work  done. Solution T   =  260  K,  T   =  315  K ;  W  =  1  joule 21 Coefficient  of  performance  of  Carnot  refrigerator     Q2  T2 W T1  T2 \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65  Q2  260  260  Q2  260 = 6.19 J 1 315  260 42 42 Example A  refrigerator  takes  heat  from  water  at  0°C  and  transfer  it  to  room  at  27°C.  If  100  kg  of  water  is  converted  in ice  at  0°C  then  calculate  the  work  done.  (Latent  heat  of  ice  is  3.4  ×  105  J/kg) Solution Coefficient  of  performance  (COP)    =  T2  273  273 T1  T2 300  273 27 W Q2 mL 100  3.4  105 100  3.4  105  27      =  3.36  ×  107  J COP COP 273 / 27 273 E 71

JEE-Physics SOME WORKED OUT EXAMPLES Example#1 In    a  20m  deep  lake,  the  bottom  is  at  a  constant  temperature  of  4°C.  The  air  temperature  is  constant  at –10°C.  The  thermal  conductivity  of  ice  is  4  times  that  water.  Neglecting  the  expansion  of  water  on  freezing, the  maximum  thickness  of  ice  will  be 20 200 (C)  20  m (D)  10  m (A)  m (B)  m 11 11 Solution Ans.  (B) The  rate  of  heat  flow  is  the  same  through  water  and  ice  in  the  steady  state  so  10°C x 4K ice   KA 4  0  4KA 0  10  x  200 m 0°C 20-x K water 20  x x 11 4°C Example#2 The  figure  shows  two  thin  rods,  one  made  of  aluminum  [  =  23  ×  106  (C°)1]  and  the  other  of  steel [  =  12  ×  106  (C°)–1].  Each  rod  has  the  same  length  and  the  same  initial  temperature.  They  are  attached  at  one end  to  two  separate  immovable  walls.  Temperature  of  both  the  rods  is  increased  by  the  same  amount,  until  the gap  between  the  rods  vanishes.  Where  do  the  rods  meet  when  the  gap  vanishes? M idpo in t  Aluminum  Steel   (A)  The  rods  meet  exactly  at  the  midpoint. Ans.  (B) (B)  The  rods  meet  to  the  right  of  the  midpoint . Ans.  (B) (C)  The  rods  meet  to  the  left  of  the  midpoint. (D)  Information  insufficient E Solution As  A  steel so  expansion  in  aluminum  rod  is  greater. Example#3 \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 Certain  perfect  gas  is  found  to  obey  PVn =  constant  during  adiabatic  process. The  volume  expansion  coefficient  at  temperature  T  is 1n 1 n 1 (A) T (C)  T (D)  nT Solution (B)  1  n  T PVn =  constant  &  PV  =  RT   V  1  V  1 T V  1  n  T T  1 n     volume  expansion  coefficient   V  1 1 VT  nT 72

JEE-Physics Example#4 Figures  shows  the  expansion  of  a  2m  long  metal  rod  with  temperature.  The  volume  expansion  coefficient  of  the metal  is  :–  (mm) 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0 5 10 15 20 25  T(K) (A)  3  ×  10–4  K–1 (B)  1.5  ×  10–4  K–1 (C)  3  ×  10–5  K–1 (D)  1.5  ×  10–5  K–1 Solution Ans.  (B)  0.5  103 T 25      =  5  ×  10–5  K–1      =  3  =  1.5  ×  10–4  K–1 Example#5 The temperature of a body rises by 44°C when a certain amount of heat is given to it. The same heat when supplied to 22 g of ice at – 8°C, raises its temperature by 16°C. The water eqivalent of the body is [Given : s  = 1 cal/g°C & L  = 80 cal/g, s  = 0.5 cal/g°C] water f ice (A) 25g (B) 50 g (C) 80 g (D) 100 g Solution Ans.  (B) Supplied heat = (22) (0.5) (8) + (22) (80) + (22) (1) (16) = 88 + 1760 + 352 = 2200 cal 2 2 00  cal Heat capacityof the body =  44°C  = 50 cal/°C Water equavalent of the body =  Heat capacity of the body =  50 cal/°C  50g spcific heat capacity of water 1 cal/g°C Example#6 A  fine  steel  wire  of  length  4m  is  fixed  rigidly  in  a  heavy  brass  frame  as  shown  in  figure.  It  is  just  taut  at 20°C.  The  tensile  stress  developed  in  steel  wire  if  whole  system  is  heated  to  120°C  is  :– \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 (Given     =  1.8  ×  10–5 °C–1,   =1.2  ×  10–5  °C–1,Y   =2  ×  1011  Nm–2,Y =1.7  ×  107  Nm–2) brass steel steel brass (A)  1.02  ×  104  Nm–2 (B)  1.2  ×  108  Nm–2 (C)  1.2  ×  106  Nm–2 (D)  6  ×  108  Nm–2 Solution Ans.  (B) S t r e s s   =   Y   ( s t r a i n )   =   Y ( b – s)  T =  ( 2   ×   1 0 11 )   ( 0 . 6   ×   1 0 –5)   ( 1 0 0 )   =   1 . 2   ×   1 0 8   N m – 2 S Example#7 540  g  of  ice  at  0°C  is  mixed  with  540  g  of  water  at  80°C.  The  final  temperature  of  the  mixture  is (Given  latent  heat  of  fusion  of  ice  =  80  cal/g  and  specific  heat  capacity  of  water    =  1  cal/g0C) (A)  0°C (B)  40°C (C)  80°C (D)  less  than  0°C E 73

JEE-Physics Solution Ans.  (A) Heat  taken  by  ice  to  melt  at  0°C  is  Q   =  mL  =  540  ×  80  =  43200  cal 2 Hea t  gi ven  by   water   to  cool  up to  0°C  i s  Q  =  ms  =   540  ×  1×  ( 80–0 )   =  432 00  c al 2 Hence  heat  given  by  water  is  just  sufficient  to  melt  the  whole  ice  and  final  temperature  of  mixture  is  0°C. Example#8 A  refrigerator  converts  100  g  of  water  at  25°C  into  ice  at  –  10°C  in  one  hour  and  50  minutes.  The  quantity of  heat  removed  per  minute  is  (specific  heat  of  ice  =  0.5  cal/g°C,  latent  heat  of  fusion  =  80  cal/g) (A)  50  cal (B)  100  cal (C)  200  cal (D)  75  cal Solution Ans.  (B) Heat  removed  in  cooling  water  from  25°C  to  0°C  =  100  ×  1  ×  25  =  2500  cal Heat  removed  in  converting  water  into  ice  at  0°C  =  100  ×  80  =  8000  cal Heat  removed  in  cooling  ice  from  0°  to  –15°C  =  100  ×  0.5  ×  10  =  500  cal Total  heat  removed  in1  hr  50min  =  2500  +  8000  +  500  =  11000  cal Heat  removed  per  minute  = 11000 =100  cal/min 110 Example#9 5n,  n  and  5n  moles  of  a  monoatomic,  diatomic  and  non-linear  polyatomic  gases  (which  do  not  react  chemically with  each  other)  are  mixed  at  room  temperature.  The  equivalent  degree  of  freedom  for  the  mixture  is- 25 48 52 50 (A)  7 (B)  (C)  (D)  Solution 11 11 11 Ans.  (D) feq  f1n1  f2 n2  f3 n 3  (5n)(3)  (n)(5)  (5n)(6)  50 n1  n2  n3 5n  n  5n 11 Example#10 Figure  shows  the  adiabatic  curve  on  log–log  scale  performed  on  a  ideal  gas.  The  gas  must  be  :– logT7 6 \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P655 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 log V (A)  Monoatomic (B)  Diatomic (C)  A  mixture  of  monoatomic  and  diatomic (D)  A  mixture  of  diatomic  and  polyatomic Solution Ans.  (C) For  adiabatic  process  TV–1  =  constant E   log  T  +  (–1)  log  V  =  constant    slope  =  –  (–1  =  –  5       3  10  2 5 7 7 35 For monoatomic gas    ;         For diatomic gas            As      3 5 5 23 Hence,  the  gas  must  be  a  mixture  of  monoatomic  &  diatomic  gas. 74

JEE-Physics Example#11 Figure  demonstrates  a  polytropic  process  (i.e.  PVn  =  constant)  for  an  ideal  gas.  The  work  done  by  the  gas  will  be in  process  AB  is P 16P0 A P0 B V V0 2V0 15 14 (C) 8P V              (D) Insufficient information (A)  2 P0 V0 (B)  3 P0 V0 00 Solution Ans.  (B) For  a  polytropic  process  PVn  =  constant    16P V n  =  P (2V )n    n=4 00 00  Work  done  =  P1 V1  P2 V2  16P0 V0  P0 2V0 14  3 P0 V0 n 1 4 1 Example#12 A  vessel  contains  14  g  (7  moles)  of  hydrogen  and  96  g  (3  moles)  of  oxygen  at    STP.  Chemical  reaction  is  induced by  passing  electric  spark  in  the  vessel  till  one  of  the  gases  is  consumed.  The  temperature  is  brought  back  to  it's starting  value  273  K.  The  pressure  in  the  vessel  is- +– H2 O2 Spark (A)  0.1  atm (B)  0.2  atm (C)  0.3  atm (D)  0.4  atm Solution Ans.  (A) When  electric  spark  is  passed,  hydrogen  reacts  with  oxygen  to  form  water  (H O).  Each  gram  of  hydrogen  reacts 2 with  eight  grams  of  oxygen.  Thus  96  g  of  oxygen  will  be  totally  consumed  together  with  12  g  of  hydrogen. 2 The  gas  left  in  thevessel  will  be  2g  of  hydrogen  i.e.  number  of  moles     1 . 2 Using PV = RT  P   \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65P22P21 P2 0.1atm P1 1 1 10 Vf(m3) Example#13 Suppose  0.5  mole  of  an  ideal  gas  undergoes  an  isothermal  expansion  as  energy  is    added  to  it  as  heat  Q.  Graph shows  the  final  volume  V   versus  Q.  The  temperature  of  the  gas  is  (use  n  9  =  2  and  R=  25/3  J/mol-K) f 0.3 0.2 0.1 (A)  293  K (B)  360  K 0 500 1000 1500 (D)  412  K Q(J) E (C)  386  K 75

JEE-Physics Solution Ans.  (B) Q  =  W  =  nRT  n  Vf ;  T  Q / Vi  1500  1500  360K Vi n R n Vf 0.5  25 / 3  n3 0.5  25 / 3 1 Example#14 The  respective  speeds  of  five  molecules  are  2,1.5,1.6,1.6  and  1.2  km/s.  The  most  probable  speed  in km/s  will  be (A)  2 (B)  1.58 (C)  1.6 (D)  1.31 Solution Ans.  (C) Since  maximum  number  of  molecules  travel  with  speed  1.6  km/s  so  v   =  1.6  km/s mp Example#15 When  water  is  boiled  at  2  atm  pressure,  the  latent  heat  of  vaporization  is  2.2  ×  106 J/kg  and  the  boiling  point is  120°C.  At  2  atm  pressure,  1  kg  of  water  has  volume  of  10–3 m3 and  1  kg  of  steam  has  a  volume  of  0.824  m3. The  increase  in  internal  energy  of  1  kg  of  water  when  it  is  converted  into  steam  at  2  atm  pressure  and  120°C is  [1  atm  pressure  =  1.013  ×  105 N/m2] (A)  2.033  J (B)  2.033  ×  106 J (C)  0.167  ×  106 J (D)  2.267  ×  106 J Solution Ans.  (B) Total  heat  given  to  correct  convert  water  into  steam  at  120  °C  is  Q  =  mL  =  1  ×  2.2  ×  106 =  2.2  ×  106 J The  work  done  by  the  system  against  the  surrounding  is PV  =  2  ×  1.013  ×  105 (0.824  ×  0.001)    =  0.167  ×  106  J    U  =  Q  –  W  =  2.033  ×  106 J Example#16 Given  T–P  curve  for  three  processes.  If  initial  and  final  pressure  are  same  for  all        processes  then  work  done in  process  1,  2    and  3  is  W ,  W   &  W   respectively.  Correct  order  is 12 3 1 T2 3 P (A)  W   <  W   >  W (B)  W   >  W   >  W (C)  W   <  W   <  W (D)  W   =  W   =  W 123 123 123 123 Ans.  (B) Solution graph-2,  n  =1  W  =  0; graph-3,  n  <1  W  <  0 Here  T  Pn   where  for      :  graph-1,  n  >1  W  >  0  ; Example#17 \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 The acceleration of a particle moving rectilinearly varies with displacement as a = – 4x. At x =4 m and t =0, particle is at rest. Select the INCORRECT alternative (A) The maximum speed of the particle is 8 m/s. (B) The distance travelled by the particle in first second is 20 m. (C) The velocity - acceleration graph of the particle is an ellipse. (D) The kinetic energy-displacement graph of the particle is a parabola. Solution Ans.  (B) The  equation  shows  a  SHM    :  a  2 x    4  2   Time period =      sec  x  A sin t    From  the  given  condition,  A  =4  &     ;  VPmax  A  8m / s 2 Distance  travelled  in  first  second  <2A  or  <  8  m KE  =  1 m2 A2  x2    which  represent  a  parabola. 2 76 E

JEE-Physics Example#18 Figure  shows  the  variation  of  the  internal  energy  U  with  density    of  one  mole  of  an  ideal  monatomic  gas for  thermodynamic  cycle  ABCA.  Here  process  AB  is  a  part  of  rectangular  hyperbola  :- U(J) AC B kg m3  (A)  process  AB  is  isothermal  &  net  work  in  cycle  is  done  by  gas. Ans.  (B) (B)  process  AB  is  isobaric  &  net  work  in  cycle  is  done  by  gas. (C)  process  AB  is  isobaric  &  net  work  in  cycle  is  done  on  the  gas. (D)  process  AB  is  adiabatic  &  net  work  in  cycle  is  done  by  gas. Solution For  the  process  AB  :  U  =  constant  (hyperbola) U  3 RT (monoatomic  ideal  gas);   RT   =  constant 22 Comparing  it  with  ideal  gas  equation  P   1 RT  P  is  constant.  M  PC   .    Thus  work  done  in  cycle  is  positive P-V  graph  for  the  cycle  is  A B X Example#19 One  mole  of    an  ideal  gas  undergoes  a  process  whose  molar  heat  capacity  is  4R  and  in  which  work  done  by  gas CP for  small  change  in  temperature  is  given  by  the  relation  dW  =  2RdT,  then  the  ratio  C V is (A)  7/5 (B)  5/3 (C)  3/2 (D)  2 Solution Ans.  (C) For  small  change    dQ  =  dU  +  dW nCdT  =  nC dT  +  2nRdT    C  =  C   +  2R;  4R  =  C   +  2R              C   =  2R V  VV V RR 3 Also    C   =        =  2R    2  –  2  =  1      =  V  1  1 2 \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 Example#20 An  irregular  rod  of  same  uniform  material  as  shown  in  figure  is  conducting  heat  at  a  steady  rate.  The  tempera- ture  gradient  at  various  sections  versus  area  of  cross  section  graph  will  be Heat  dT/dx dT/dx (A)  (B)  A A E 77

JEE-Physics dT/dx dT/dx (C)  (D) AA Solution Ans.  (B) dT dT H  =  KA    is  same  in  steady  state  condition,    A    =  constant        rectangular  hyperbolic  graph dx dx Example#21 8 3 A  gas  undergoes  an  adiabatic  process  in  which  pressure  becomes   3 3    times  and  volume  become  4   of initial  volume.  If  initial  absolute  temperature  was  T,  the  final  temperature  is 32T 2T (C)  T3/2 3T (A)  9 3 (B)  3 (D)  Solution 2 Ans.  (B)  8   3    3   4  For  adiabatic  process,  P1V1 =P2V2   P0 V0   3 P0 V0 ..(i) 3   1 2T  4  3 Also,  T1 V1 1  T2 V2 1  TV0 1  T2 V0 ...(ii)      Solving  (i)  &  (ii),  T2  Example#22 Which  of  the  following  graph(s)  shows  the  correct  variation  in  intensity  of  heat  radiations  by  black  body  and frequency  at  a  fixed  temperature– E E E E UV   Visible    Infra-red UV   Visible   Infra-red Infra-red    Visible    Ultra-voilet  Infra-red    Visible    Ultra-voilet  (A)  3500K 1500K 3500K 1500K Solution 2500K 2500K (C)   (D)  2500K   (B) 3500K 3500K 2500K 1500K  1500K    Ans.  (AC) 1 According  to  Wien's  law  m  T   mT.  As  the  temperature  of  body  increases,  frequency  corresponding  to maximu m  energy   in  rad i ati on  ( )  inc r eases. \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 m  Also  area  under  the  curve  Ed  E d  T4 Example#23 The  temperature  drop  through  a  two  layer  furnace  wall  is  900°C.  Each  layer  is  of  equal  area  of  cross–section. Which  of  the  following  action(s)  will  result  in  lowering  the  temperature    of  the  interface? 78 E

JEE-Physics (A)  By  increasing  the  thermal  conductivity  of  outer  layer. Ans.  (AD) (B)  By  increasing  the  thermal  conductivity  of  inner  layer. (C)  By  increasing  thickness  of  outer  layer. (D)  By  increasing  thickness  of  inner  layer. Solution Rate  of  heat  flow  KiA 1000    K0A  100   100  1 900   1  K0i i 0 K i0 Now,  we  can  see  that    can  be  decreased  by  increasing  thermal  conductivity  of  outer  layer  (K )  and  thickness  of o inner  layer  ( ). i Example#24 5  kg  of  steam  at  100°C  is  mixed  with  10  kg  of  ice  at  0°C.  Choose  correct  alternative/s (Given  s   =  1  cal/g°C,  L   =  80  cal/g,  L   =  540  cal/g) water FV (A)  Equilibrium  temperature  of  mixture  is  160°C (B)  Equilibrium  temperature  of  mixture  is  100°C 1 (C)  At  equilibrium,  mixture  contains  13 kg  of  water 3 2 (D)  At  equilibrium,  mixture  contains  1 kg  of  steam 3 Solution Ans.  (B,C,D) Required  heat Available  heat 10  kg  ice  (0°C) 5  kg  steam  (100°C)   800  kcal   2700  cal 10  g  water  (0°C) 5  g  water  (100°C)   1000  kcal 10  g  water  (100°C) So  available  heat  is  more  than  required  heat  therefore  final  temperature  will  be  100°C. Mass  of  heat  condensed  = 800 1000  10 kg.  Total  mass  of  water  =  10  10  40  13 1  kg 540 3 3 3 3 Total  mass  of  steam  = 5  10  5  1 2  kg 33 3 \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 Example#25 Water  contained  in  a  jar  at  room  temperature  (20°C)  is  intended  to  be  cooled  by  method-I  or  method-II  given below  : Method  -I  :  By  placing  ice  cubes  and  allowing  it  to  float. Method-II  :  By  wrapping  ice  cubes  in  a  wire  mesh  and  allowing  it  to  sink. Choose  best  method(s)  to  cool  the  water. (A)  Method-I  from  20°C  to  4°C (B)  Method-I  from  4°C  to  0°C (C)  Method-II  from  20°C  to  4°C (D)    Method-II  from  4°C  to  0°C Solution Ans.  (AD) Initially  (above  4°C),  a  decrease  in  temperature,  increases  the  density  of  water  and  consequently  it  descends, replacing  the  relatively  warm  water.  Convention  currents  set  up  in  this  way  demands  the  location  of  ice  to  be  on the  water  surface. Below  4°C,  a  decrease  in  temperature  decreases  the  water  density  and  as  a  result  it  ascends  up  displacing  the relatively  warm  water.  To  setup  convention  currents  in  this  way,  the  position  of  ice  cubes  should  be  at  the bottom. E 79

JEE-Physics Example#26 n  moles  of  an  ideal  triatomic  linear  gas  undergoes  a  process  in  which  the  temperature  changes  with  volume as  T  =  k1V2  where  k1  is  a  constant.  Choose  correct  alternative(s). 5 (A)  At  normal  temperature  Cv  =  2 R (B)  At  any  temperature  Cp  –  Cv  =  R (C)  At  normal  temperature  molar  heat  capacity  C=3R (D)  At  any  temperature  molar  heat  capacity  C=3R Solution Ans.  (ABC) At  normal  temperature  C =  f R  =  5 R  ;  At  any  temperature  C   –  C   =  f  1 f R  =  R v 2 2 pv  2  2 from  process  T  =  k V2  &  ideal  gas  equation  PV  =  nRT  we  have  PV–1  =  constant    x  =–1 1 R RR 5R C  CV   CV   CV      At  normal  temperature  C  =  R  + =  3R 1x 1 1 2 2 2 Example#27 An  ideal  gas  expands  in  such  a  way  that  PV2  =  constant  throughout  the  process.  Select  correct  alternative (A)  This  expansion  is  not  possible  without  heating (B)  This  expansion  is  not  possible  without  cooling (C)  Internal  energy  remains  constant  in  this  expansion (D)  Internal  energy  increases  in  this  expansion Solution Ans.  (B) 1 PV  =  nRT  &  PV2  =  constant   V   gas  can  expand  only  if  it  cools T As  tempeature  decreases  during  expansion  so  internal  energy  will  decrease. Example#28 Which  of  the  following  processes  must  violate  the  first  law  of  thermodynamics  (Q  =  W  +  Eint)? (A)  W  >  0,  Q  <  0  and  Eint >  0 (B)  W  >  0,  Q  <  0  and  Eint <  0 (C)  W  <  0,  Q  >  0  and  Eint <  0 (D)  W  >  0,  Q  >  0  and  Eint <  0 Solution Ans.  (AC) For  (A)  :  W  >  0  &  Eint  >  0    Q  >  0 For  (B)  :  W  >  0  &  Eint  <  0    Q  >  0  or  Q  <  0 For  (C)  :  W  <  0  &  Eint  <  0    Q  <  0 For  (D)  :  W  >  0  &  Eint  <  0    Q  >  0  or  Q  <  0 Example#29 In  a  process  on  a  closed  system  of  ideal  gas,  the  initial  pressure  and  volume  is  equal  to  the  final  pressure  and volume (A)  initial  internal  energy  must  be  equal  to  the  final  internal  energy \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 (B)  the  work  done  on  the  system  is  zero (C)  the  work  done  by  the  system  is  zero (D)  the  initial  temperature  must  be  equal  to  final  temperature Solution Ans.  (AD) Here  n  =  constant  so  if  P   =  P   and  V   =  V   then  T   =  T 21 21 21 Also  work  done  by  the  system  may  be  zero  or  may  not  be  zero. Example#30 d In Newton's law of cooling,  dt = – k(–0), the constant k is proportional to (A) A, surface area of the body (B) S, specific heat of the body 1 (D) e, emissivity of the body (C)  , m being mass of the body m 80 E

JEE-Physics Solution Ans.  (AC)    dQ 4  04 dt  eA  3 e A 03     dQ 4  04 dt  eA  3 e A 03  Example#31 V The  graph  below  shows  V-P  curve  for  three  processes. 3 21 Choose  the  correct  statement(s) (A)  Work  done  is  maximum  in  process  1. (B)  Temperature  must  increase  in  process  2  &  3. P (C)  Heat  must  be  supplied  in  process  1. (D)  If  final  volume  of  gas  in  process  1,  2  and  3  are  same  then  temperature  must  be  same. Solution Ans.  (AC) Area  under  P-V  curve  and  volume  axis  represent  work. Internal  energy  in  1  increases  (expansion  at  constant  pressure) In  process  2  and  3  internal  energy  may  decrease  depending  on  the  process. Since  final  pressure  of  1,  2  &  3  are  different,  final  temperature  must  also  be  different. Example#32 P2 During  an  experiment,  an  ideal  gas  is  found  to  obey  a  condition   =  constant  [density  of  the  gas].  The  gas  is  initially  at  temperature  T,  pressure  P  and  density  .  The  gas  expands  such  that  density  changes  to  2 (A)  The  pressure  of  the  gas  changes  to  2P (B)  The  temperature  of  the  gas  changes  to  2T. (C)  The  graph  of  the  above  process  on  the  P-T  diagram  is  parabola. (D)  The  graph  of  the  above  process  on  the  P-T  diagram  is  hyperbola. Solution Ans.  (B,D) PV  =  nRT P T .....(i)               T  1 ...(ii)               T  1 ...(iii)  Example#33  to  35 At  20°C  a  liquid  is  filled  upto  10  cm  height  in  a  container  of  glass  of  length  20  cm  and      cross-sectional area  100  cm2  Scale  is  marked  on  the    surface  of  container.  This  scale  gives  correct  reading  at  20°C.    Given    =   5   ×   1 0 –5  k –1,      =   1   ×   1 0 –5   ° C –1 \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65L g 20cm 10cm 3 3 . The  volume  of  liquid  at  40°C  is  :– A0 = 100cm2 (A)  1002  cc (B)  1001  cc (C)  1003  cc (D)  1000.5  cc (D)  10.1  cm 3 4 . The  actual  height  of  liquid  at  40°C  is- (A)  10.01  cm (B)  10.006  cm (C)  10.6  cm E 81

JEE-Physics 3 5 . The  reading  of  scale  at  40°C  is- (A)  10.01  cm (B)  10.004  cm (C)  10.006cm (D)  10.04  cm Solution 33. Ans.  (B) V  =  V  (1+LT)  =  (10)  (100)  [ 1  +  5  ×  10–5  ×  20]  =  1000  (1  +  0.001)  =  1001  cm3  =  1001  cc 0 34. Ans.  (B) Cross  sectional  area  of  vessel  at  40°C A  =  A (1  +  2  gT)  =  100  (1  +  2  ×  10–5  ×  20)  =  100.04  cm2 0 Actual volume of liquid 1001 Actual  height  of  liquid  =  cross  sec tional area of vessel =  100.04 =  (1001)  (100  +  0.04)–1   1001  1  0.04  1  (1001) 1  0.04   1 (1001  –  0.4)  =  10.006  cm  100  100  100 100  100 35. Ans.  (B)   TV  =  SR  (1  +   T)  =  (TV)  (1  –   T) gg   SR  =  (TV)  (1  +  g  T)–1 =  (10.006)  (1  –  10–5  ×  20)  =  10.006  –  0.002  =  10.004  c Example#36  to  38 One  mole  of  a  monoatomic  ideal  gas  occupies  two  chambers  of  a  cylinder  partitioned  by  means  of  a  movable piston.  The  walls  of  the  cylinder  as  well  as  the  piston  are  thermal  insulators.  Initially  equal  amounts  of  gas  fill  both the  chambers  at  (P ,  V ,  T ).  A  coil  is  burnt  in  the  left  chamber  which  absorbs  heat  and  expands,  pushing  the 0 00 piston  to  the  right.  The  gas  on  the  right  chamber  is  compressed  until  to  pressure  becomes  32  P . 0 P0,V0,T0 P0,V0,T0 3 6 . The  final  volume  of  left  chamber  is (A)  V0 15 7 9 8 (B)  8 V0 (C)  8 V0 (D)  8 V0 3 7 . The  work  done  on  the  gas  in  the  right  chamber  is 17 (D)  2 P0 V0 9 9 13 (A)  2 P0 V0 (B)  –  2 P0 V0 (C)  2 P0 V0 131 (D)  4 RT0 3 8 . The  change  in  internal  energy  of  the  gas  in  the  left  chamber  is \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 E 186 177 59 (A)  4 RT0 (B)  4 RT0 (C)  2 RT0 Solution 36. Ans.  (B) Since  the  compression  on  the  right  is  adiabatic  so  P V   =  P V  00 RR P0 V05 / 3  32P0 VR5 / 3  VR  V0 V   =  V   +  7 15 V  8  L0 V   =  0 8 0 8 37. Ans.  (A) Work  done  on  the  gas= PR VR  P0 V0  4P0 V0  P0 V0  9  1 5 / 3 1 2 P0 V0 82

JEE-Physics 38. Ans.  (B) For  mechanical  equilibrium  P   =  P   =  32  P LR 0 So  P V  = (32P )   1 5 V0  =  60P V   =  60nRT   =  nRT   T  = 60T  8  L0 LL 0 00 0L  The  change  in  the  internal  energy  of  the  gas  in  the  left  chamber 13 177 U  nC V T  2  2 R  59 T0  4 RT0 Example#39  to  41 One  mole  of  an  ideal  monoatomic  gas  undergoes  a  cyclic  process  as  shown  in  figure.  Temperature  at  point  1  = 300  K  and  process  2-3  is  isothermal. P 2 3P0 P0 1 3 V0 3V0 v 3 9 . Net  work  done  by  gas  in  complete  cycle  is (A)  9n3  12 P0 V0 (B)  9n3  4  P0 V0 (C)  9n3  4  P0 V0 (D) 9n3  8  P0 V0 4 0 . Heat  capacity  of  process  1    2  is 5R (D)2R (C) R 3R (A)  (B) 2 2 2 4 1 . The  efficiency  of  cycle  is  9n3  4   9n3  4   9n3  4   9n3  12  (A)   9n3  12  (B)  9n3  12  (C)  9n3  16  (D)  9n3  16  Solution 39. Ans.  (C)     1 W  W12  W23  W31  2 4P0 2V0  nRTn 3  P0 8 V0  4P0 V0  9P0 V0n3  9n3  4 P0 V0 40. Ans.  (D) Q n  3R .T  W 3R  4P0 V0 3R P0 V0 3R R nT  2 2 nT  2  C     n 2T0   2R \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 nT 2  2 Q123  n 2R  T12    W23   n 2R 8 T0   nR 9T0  n 3  nRT0 16  9n3 41. Ans.  (C)  W   9n3  4  Q 1 23  9n3  16  Example#42  to  44 A  body  cools  in  a  surrounding  of  constant  temperature  30°C.  Its  heat  capacity  is  2J/°C.  Initial  temperature  of the  body  is  40°C.  Assume  Newton’s  law  of  cooling  is  valid.  The  body  cools  to  36°C  in  10  minutes. 4 2 . In  further  10  minutes  it  will  cool  from  36°C  to  : (A)  34.8°C (B)  32.1°C (C)  32.8°C (D)  33.6°C E 83

JEE-Physics 4 3 . The  temperature  of  the  body  in  °C  denoted  by    the  variation  of    versus  time  t  is  best  denoted  as 40°C 40°C   (A)  30°C (B)  30°C (0,0) t (0,0) t 40°C 40°C (C)    (D)  30°C (0,0) t (0,0) t 4 4 . When  the  body  temperature  has  reached  36°C,  it  is  heated  again  so  that  it  reaches  to  40°C  in  10  minutes. Assume  that  the  rate  of  loss  of  heat  at  38°C  is  the  average  rate  of  loss  for  the  given  time.  The  total  heat  required from  a  heater  by  the  body  is  : (A)  7.2  J (B)  0.728  J (C)  16  J (D)  32  J Solution 42. Ans.  (D) 40 36   =  k(38  –  30)  and    36  x  k  36  x  30  x  33.6 10 10  2 43. Ans.  (D) d kA dt   ms   (T  –  T0)        Magnitude  of  slope  will  decrease  with  time. 44. Ans.  (C)   40  36  k  (38 – 30)      k  4 8  1 10 10  20 d when  the  block  is  at  38°C  and  room  temperature  is  at  30°C  the  rate  of  heat  loss    ms  ×    =  ms  k  (38  –  30) dt 1 Total  heat  loss  in  10  minute    Q  =  ms  k  (38  –  30)  ×  10  =  2  ×  20   ×  8  ×  10  =  8  J Now  heat  agained  by  the  object  in  the  said  10  minutes.    Q  =  ms      =  2  ×  4    =    8  J Total  heat  required  =  8  +  8  =  16  J Example#44 Column  II  (Answers) \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 Column  I  (Questions) (P) 2 0 (A) The  temperature  of  an  iron  piece  is  increased  from  20°  to  70°. What  is  change  in  its  temperature  on  the  Fahrenheit  scale  (in  °F)? (B) At  what  temperature  (in  °C)  do  the  Celsius  and  Fahrenheit  readings (Q) 4 0 have  the  same  numerical  value? (C) 100  g  ice  at  0°C  is  converted  into  steam  at  100  °C. (R) –  40 Find  total  heat  required  (in  kcal) (S) 7 2 (T) 9 0 (L   =  80  cal/g,  s   =  1  cal/g°C,L   =  540  cal/g) fw v (D) A  ball  is  dropped  on  a  floor  from  a  height  of  5  m. After  the  collision  it  rises  upto  a  height  of  3m.  Assume  that 50%  of  the  mechanical  energy  lost  goes  as  thermal  energy into  the  ball.  Calculate  the  rise  in  temperature  (in  milli  centigrade) of  the  ball  in  the  collision.  (s   =  500  J/K,  g  =  10  m/s2) ball 84 E

JEE-Physics Solution Ans.(A)    (S);  (B)    (R);  (C)    (T);  (D)    (P) (A)   C0  F  32  F  9 C  9  50  90F 100 180 5 5 (B)   x  0  x  32  x  40 100 180 (C)    Total  heat  required  =  mL   +  ms  +  mL   =  72000  cal  =  72  kcal f v (D)   m s  50  mg h1  h2     1 C  20  103C 100 50 Example#46 7 An  ideal  gas  whose  adiabatic  exponent  equals  to   is  expanded  according  to  the  law  P=2V.  The  initial 5 25 volume  of  the  gas  is  equal  to  V0=  1  unit.  As  a  result  of  expansion  the  volume  increases  4  times.  (Take  R  = 3 units) Column  -  I Column  -  II (A) Work  done  by  the  gas (P) 25  units (B) Increment  in  internal  energy  of  the  gas (Q)   45  units (C) Heat  supplied  to  the  gas (R) 75  units (D) Molar  heat  capacity  of  the  gas  in  the  process (S) 15  units (T) 55  units Solution Ans.  (A)    (S);  (B)   (R);  (C)   (Q);  (D)   (P) 4 V0   V 2 4 V0  15 V02 =  15  units V0  2VdV    W  PdV V0  From  PV  =  nRT,  2V2  =  nRT     2 V22  V12  nR T     nRT  =  30V 2 0 U  nC V T  nR  30 V02  30 12  30 5    =  75  units T  1 2 7 1  1 5 Q  =  W  +  U  =  15  +  30  =  45  units Molar  heat  capacity    :  C  CV R  5R  1 R   5 R  R  3R  3  25 =  25  units 1x 2 2 2 3  1 Example#47 The  figure  given  below  show  different  process  for  a  given  amount  for  an  ideal  gas.  W  is  work  done  by  the \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 system  and  Q  is  heat  absorbed  by  the  system. PP P PP (i)  (ii)  (iii)  (iv)  (v)  adiabatic V V 1/V V V Column-I Column-II (A) Q  >  0 (P) In  figure  (i) (B) W  <  0 (Q) In  figure  (ii) (C) Q  <  0 (R) In  figure  (iii) (D) W  >  0 (S) In  figure  (iv) (T) In  figure  (v) E 85

JEE-Physics Solution Ans.  (A)  (PRT)  ;  (B)  (S)  ;  (C)  (S)  ;  (D)  (PQRT) 1 figure  (i)  P  V   PV  =  constant Isothermal  (T  =  constant),  so  U  =  0 1 V   is  decreasing;  So  V  is  increasing  hence,  W  >  0 Q  =  U  +W  =  W  >  0 Example#48 In  an  industrial  process  10  kg  of  water  per  hour  is  to  be  heated  from  20°C  to  80°C  .  To  do  this  steam  at  150°C is  passed  from  a  boiler  into  a  copper  coil  immersed  in  water.  The  steam  condenses  in  the  coil  and  is  returned to  the  boiler  as  water  at  90°C.  How  many  kg  of  steam  is  required  per  hour. (Specific  heat  of  steam  =  specific  heat  of  water  =  1  cal/g°C,  Latent  heat  of  vaporisation  =  540  cal/g) Solution Ans.  1 Suppose  m  kg  steam  is  required  per  hour Heat  is  released  by  steam  in  following  three  steps (i)  When  150°C  steam  Q1    100°C  steam Q  =  mc     =  m  ×  1  (15 0 –100)  =  5 0   m  cal 1 steam (ii)  When  100°C  steam  Q2    100°C  water Q   =  mL   =  m×  540=  540  m  cal 2v (iii)  When  100  °C  water  Q2    90°C  water Q  =   mc W   =   m   ×  1  ×  (10 0   –90 )   =  10  m   c al 3 Hence  total  heat  given  by  the  steam Q  =  Q   +  Q   +  Q   =  600  m  cal  ....(i) 123 Heat  taken  by  10  kg  waterQ'  =  mcW  =  10  ×  103  ×  1  ×  (80–20)  =  600  ×  103  cal Hence    Q  =  Q'    600  m  =  600  ×  103    m  =  103  gm  =  1  kg Example#49 The  specific  heat  of  a  metal  at  low  temperatures  varies  according  to  S  =  (4/5)T3  where  T  is  the  absolute temperature.  Find  the  heat  energy  needed  to  raise  unit  mass  of  the  metal  from  T  =  1  K    to  T  =  2  K. Solution Ans.  3 Q   mSdT  mT4 Q 15   3 5 m5 Example#50 A  rod  has  variable  co-efficient  of  linear  expansion    x   .  If  length  of  the  rod  is  1m.  Determine  increase  in 5000 length  of  the  rod  in  (cm)  on  increasing  temperature  of  the  rod  by  100°C. x \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 Solution Ans.  1 Increase  in  length  of  dx  =    0T  =     x  dx  1 00   x dx  5000  50  Total  thermal  expansion  =  1 x  x2 1 1  1cm dx   m 0 50  100  0 100 Example#51 A  clock  pendulum  made  of  invar  has  a  period  of  2  s  at  20°C.  If  the  clock  is  used  in  a  climate  where  average temperature  is  40°C,  what  correction  (in  seconds)  may  be  necessary  at  the  end  of  10  days  to  the  time  given  by clock  ?  (invar  =  7  ×  10–7  °C–1,  1  day  =  8.64  ×  104  s) 86 E

JEE-Physics Solution Ans.  6 T  2   T  1   1  T    10  8.64  104  7  10 7  20  6  s g T 2    T  2  2 2 Example#52 Two  different  rods  A  and  B  are  kept  as  shown  in  figure. Temp.(°C) 100°          70°C 35°C 70° 100°C 35° AB 0 30 Distance 100 (cm) The  variation  of  temperature  of  different  cross  sections  is  plotted  in  a  graph  shown  in  figure. Find  the  ratio  of  thermal  conductivities  of  B  to  A. Solution Ans.  2   Q    Q   K A A 100  70  KB A 70  35  KA  KB  KB 2  t   t  2 KA A B 30 70 Example#53 A  body  cools  from  50°C  to  49.9°C  in  5  sec.  It  cools  from  40°C  to  39.9°C  in  t  sec.  Assuming  Newtons  law  of cooling  to  be  valid  and  temperature  of  surrounds  at  30°C,  value  of  t/5  will  be? Solution Ans.  2 From  1  2  k  1  2  t  2  0  We  have  0.1  k  39.5    and  0.1  k  19.5   t  39.5 2  t  10  t 2 5  2  t  2  5 19.5 5 Example#54 A cylinder of cross-section area A has two pistons of negligible mass separated by distances  loaded with spring of negligible mass. An ideal gas at temperature T  is in the cylinder where the springs are relaxed. When the gas 1  is heated by some means its temperature becomes T  and the springs get compressed by   each. If P  is 2 20 \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 2P0 A , then find the ratio of T  and T . \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ 21 \\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\ atmospheric pressure and spring constant k =  Solution Ans.  4 P1 V1  P2 V2 where V  = A and V  = 2A and P  = P  and P  =  kx  P0  2P0  T2  P2 V2 4 T1 T2 T1 P1 V1 12 10 2A E 87

JEE-Physics Example#55 A  vessel  contains  1  mole  of  O2  gas  (molar  mass  32)  at  a  temperature  T.  The  pressure  of  the  gas  is  P.  An  identical vessel  containing  one  mole  of  He  gas  (molar  mass  4)  at  a  temperature  2T  has  a  pressure  of  xP.  Find  the  value of  x. Solution Ans.  2 PV  =  nRT,  V  is  constant Example#56 P B One  mole  of  a  gas  is  taken  from  state  A  to  state  B  as  shown  in  figure. 2P0 2V0 V  Work  done  by  the  gas  is    ×  10  J.  Find  the  value  of    . P0 T1 Ans.  7 25 A (Given  :  T1=320  K,    R=  3 ) Solution V0   1 3 Work done =  P0  2P0 2V0  V0  2 P0 V0 2 and P V  = R × 320 00 3 3 25 So work done    R  320    320    4000J  4  103 J  = 4 + 3 = 7 22 3 Example#57 container P0 A  container  having  base  area  A .  Contains  mercury  upto  a  height   .  At  its  bottom  a 00 A0 Hg thin    tube  of  length  4   and  cross-section  area  A  (A<<A )  having  lower  end  closed  is 00 A attached.  Initially  the  length  of  mercury  in  tube  is  3 .  In  remaining  part  2  mole  of  a  gas gas 0 at  temperature  T  is  closed  as  shown  in  figure.  Determine  the  work  done  (in  joule)  by  gas if  all  mercury  is  displaced  from  tube  by  heating  slowly  the  gas  in  the  rear  end  of  the  tube b y  mea ns   of   a  he ate r.  (Given  :  dens it y  of   me rc u r y   =  ,   a tmospher ic  p re ss u re   P   = 20g,    0 0 C  of  gas  =  3/2  R,  A=  (3/)m2,  =  (1/9)  m,  all  units  in  S.I.) V Solution Ans.  5 If  x  is  length  of  mercury  in  tube  then  pressure  of  gas 0 \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 =  +  g0  +  gx  =  3g0  gx 3g0  gx Adx 2 P'  P  +  W    1 3 . 5  g A 0  5 0 3 0 Example#58 The  relation  between  internal  energy  U,  pressure  P  and  volume  V  of  a  gas  in  an  adiabatic  process  is:  U=a+bPV where  a  =  b  =  3.  Calculate  the  greatest  integer  of  the  ratio  of  specific  heats  []. Solution Ans.  1 For  an  adiabatic  process, dQ=dU+PdV  =0  d[a+bPV]  +  PdV=0     bPdV  +  bV  dP  +  PdV  =0    (b+1)PdV+bV  dP=0    (b  1) dV  b dP  0 V P   (b+1)logV  +  b  logP=  constant;  Vb+1Pb =constant      b 1 =  constant          b 1  4  1.33 b 3 PV b 88 E

JEE-Physics Example#59 One  mole  of  an  ideal  monatomic  gas  undergoes  the  process  P  =  T1/2,  where    is  constant.  If  molar  heat capacity  of  the  gas  is  R  when  R  =  gas  constant  then  find  the  value  of  . Solution Ans.2 R 3R R P  T1/2   and  PV  nRT  PV 1  constant     C  C V  1  1    2R 2 2 Example#60 One  mole  of  a  monoatomic  gas  is  enclosed  in  a  cylinder  and  occupies  a  volume  of  4  liter  at  a  pressure  100  N/ m2.  It  is  subjected  to  a  process  T  =V2,  where    is  a  positive  constant,  V  is  volume  of  the  gas  and  T  is  Kelvin temperature.  Find  the  work-done  by  gas  (in  joule)  in  increasing  the  volume  of  gas  to  six  times  initial  volume. Solution Ans.  7 nRT 6 V0 nR  2 2  V 2 nR V0      W  6 V0 PdV   where  P   nRV    W  VdV  V0  W  hR 35  V02  P0 V0  35    P0  2 2 nRV0  Example#61 Two  taps  A  and  B  supply  water  at  temperatures  10º  and  50°  C  respectively.  Tap  A  alone  fills  the  tank  in  1 hour  and  tap  B  alone  fills  the  tank  in  3  hour.  If  we  open  both  the  taps  together  in  the  empty  tank,  if  the  final temperature  of  the  water  in  the  completely  filled  tank  is  found  to  be  5  (in  °C).  Find  the  value  of  .  Neglect  loss of  heat  to  surrounding  and  heat  capacity  of  the  tank. Solution Ans.  4 m  (T–10)  s  =  m S 50  T  T  20 3 Example#62 Two identical metal plates are welded end to end as shown in figure-(i). 20 cal of heat flows through it in 4 minutes. if the plates are welded as shown in figure-(ii), find the time (in minutes) taken by the same amount of heat to flow through the plates. T1 T2 T1 T2 Fig. (i) Fig. (ii) Solution Ans.  1 \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-5\\Thermal physics\\Eng\\Theory.P65 Rate of heat flow  Q  kA T1  T2   t   t A  E 89



JEE-Physics WAVE THEORY, SOUND WAVES & DOPPLER'S EFFECTS INTRODUCTION  OF  WAVES What  is  wave  motion  ? • When  a  particle  moves  through  space,  it  carries  KE  with  itself.  Wherever  the  particle  goes,  the  energy  goes with  it.  (One  way  of  transport  energy  from  one  place  to  another  place) • There  is  another  way  (wave  motion)  to  transport  energy  from  one  part  of  space  to  other  without  any  bulk motion  of  material  together  with  it.  Sound  is  transmitted  in  air  in  this  manner. E x . You  (Kota)  want  to  communicate  your  friend  (Delhi) Write a letter Use telephone 1st  option  involves  the  concept  of  particle  &  the  second  choice  involves  the  concept  of  wave. Ex . When  you  say  \"Namaste\"  to  your  friend  no  material  particle  is  ejected  from  your  lips  to  fall  on  your friends  ear.  Basically  you  create  some  disturbance  in  the  part  of  the  air  close  to  your  lips.  Energy  is transferred  to  these  air  particles  either  by  pushing  them  ahead  or  pulling  them  back.  The  density  of  the air  in  this  part  temporarily  increases  or  decreases.  These  disturbed  particles  exert  force  on  the  next layer  of  air,  transferring  the  disturbance  to  that  layer.  In  this  way,  the  disturbance  proceeds  in  air  and finally  the  air  near  the  ear  of  the  listener  gets  disturbed. Note  :-  In  the  above  example  air  itself  does  not  move. A  wave  is  a  disturbance  that  propagates  in  space,  transports  energy  and  momentum from one point to another without the transport of matter. Few  examples  of  waves  : The  ripples  on  a  pond  (water  waves),  the  sound  we  hear,  visible  light,  radio  and  TV  signals  etc. CLASSIFICATION  OF  WAVES Wave classification According to Necessity  Propagation  Dimension Vibration  of medium of energy of particle \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 (i)  Elastic or mechanical wave (i) Progressive (i) One dimensional (i) Transverse (ii) Electro magnetic wave  (ii) Sationary (ii) Two dimensional (ii) Longitudinal     (E.M. wave) or non-mech. (iii) Three dimentional 1 . Based  on  medium  necessity  :-  A  wave  may  or  may  not  require  a  medium  for  its  propagation.  The  waves which  do  not  require  medium  for  their  propagation  are  called  non-mechanical,  e.g.  light,  heat  (infrared),  radio waves  etc.  On  the  other  hand  the  waves  which  require  medium  for  their  propagation  are  called  mechanical waves.  In  the  propagation  of  mechanical  waves  elasticity  and  density  of  the  medium  play  an  important  role therefore  mechanical  waves  are  also  known  as  elastic  waves. Example  :  Sound  waves  in  water,  seismic  waves  in  earth's  crust. 2 . Based  on  energy  propagation  :-  Waves  can  be  divided  into  two  parts  on  the  basis  of  energy  propagation  (i) Progressive  wave  (ii)  Stationary  waves.  The  progressive  wave  propagates  with  constant  velocity  in  a  medium. In  stationary  waves  particles  of  the  medium  vibrate  with  different  amplitude  but  energy  does  not  propagate. E1

JEE-Physics 3 . Based  on  direction  of  propagation  :-  Waves  can  be  one,  two  or  three  dimensional  according  to  the number  of  dimensions  in  which  they  propagate  energy.  Waves  moving  along  strings  are  one-dimensional. Surface  waves  or  ripples  on  water  are  two  dimensional  ,  while  sound  or  light  waves  from  a  point  source  are three  dimensional. 4. Based  on  the  motion  of  particles  of medium  : Direction of Direction of Disturbance Propagation Direction of Waves  are  of  two  types  on  the  basis  of           Disturbance Direction of Longitudinal wave motion  of  particles  of  the  medium. Propagation (i)  Longitudinal  waves Transverse wave (ii)  Transverse  waves In  the  transverse  wave  the  direction  associated  with  the  disturbance  (i.e.  motion  of  particles  of  the  medium)  is at  right  angle  to  the  direction  of  propagation  of  wave  while  in  the  longitudinal  wave  the  direction  of  disturbance is  along  the  direction  of  propagation. TR ANSVERSE  WAVE  MOTION Mechanical  transverse  waves  produce  in  such  type  of  medium  which  have  shearing  property,  so  they  are known  as  shear  wave  or  S-wave Note  :-  Shearing  is  the  property  of  a  body  by  which  it  changes                 its shape on  application of  force.    Mechanical  transverse  waves  are  generated         only    in  solids  &  surface  of  liquid. Crest In  this  individual  particles  of  the  medium  execute                Trough SHM  about  their  mean  position  in  direction  r Particle Crest Normal level to  the  direction  of  propagation  of  wave  motion. Trough \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65  A  crest  is  a  portion  of  the  medium,  which  is  raised  temporarily  above  the  normal  position  of  rest  of  particles of  the  medium  ,  when  a  transverse  wave  passes. A  trough  is  a  portion  of  the  medium,  which  is  depressed  temporarily    below  the  normal  position  of  rest  of particles  of  the  medium  ,  when  a  transverse  wave  passes. LONGITUDINAL  WAVE  MOTION In  this  type  of  waves,  oscillatory  motion  of  the  medium    particles  produces  regions  of  compression  (high pressure)  and  rarefaction  (low  pressure)  which  propagated  in  space  with  time  (see  figure). RC R C R C Particle Wave  Note  :  The  regions  of  high  particle  density  are  called  compressions  and  regions  of  low  particle  density  are called  rarefactions. The  propagation  of  sound  waves  in  air  is  visualized  as  the  propagation  of  pressure  or  density  fluctuations.  The pressure  fluctuations  are  of  the  order  of  1  Pa,  whereas  atmospheric  pressure  is  105  Pa. 2E

JEE-Physics Mechanical  Waves  in  Different  Media • A  mechanical  wave  will  be  transverse  or  longitudinal  depends  on  the  nature  of  medium  and  mode  of excitation. • In  strings  mechanical  waves  are  always  transverse  when  string  is  under  a  tension.  In  gases  and  liquids mechanical  waves  are  always  longitudinal  e.g.  sound  waves  in  air  or  water.  This  is  because  fluids  cannot sustain  shear. • In  solids,  mechanical  waves  (may  be  sound)  can  be  either  transverse  or  longitudinal  depending  on  the  mode of  excitation.  The  speed  of  the  two  waves  in  the  same  solid  are  different.  (Longitudinal  waves  travels  faster than  transverse  waves).  e.g.,  if  we  struck  a  rod  at  an  angle  as  shown  in  fig.  (A)  the  waves  in  the  rod  will  be transverse  while  if  the  rod  is  struck  at  the  side  as  shown  in  fig.  (B)  or  is  rubbed  with  a  cloth  the  waves  in  the rod  will  be  longitudinal.  In  case  of  vibrating  tuning  fork  waves  in  the  prongs  are  transverse  while  in  the  stem are  longitudinal. CCC C R C RC T T Transverse-wave Longitudinal-wave (B) (A) Further  more  in  case  of  seismic  waves  produced  by  Earthquakes  both  S  (shear)  and  P  (pressure)  waves  are produced  simultaneously  which  travel  through  the  rock  in  the  crust  at  different  speeds [v     5  km/s  while  v    9  km/s]  S–waves  are  transverse  while  P–waves  longitudinal. S P Some  waves  in  nature  are  neither  transverse  nor  longitudinal  but  a    combination  of  the  two.  These  waves  are called  'ripple'  and  waves  on  the  surface  of  a  liquid  are  of  this  type.  In  these  waves  particles  of  the  medium vibrate  up  and  down  and  back  and  forth  simultaneously  describing  ellipses  in  a  vertical  plane. v A B Ripple \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 CHAR ACTERISTICS  OF  WAVE  MOTION Some  of  the  important  characteristics  of  wave  motion  are  as  follows  : • In  a  wave  motion,  the  disturbance  travels  through  the  medium  due  to  repeated  periodic  oscillations  of  the particles  of  the  medium  about  their  mean  positions. • The  energy  is  transferred  from  place  to  another  without  any  actual  transfer  of  the  particles  of  the  medium. • Each  particle  receives  disturbance  a  little  later  than  its  preceding  particle  i.e.,  there  is  a  regular  phase difference  between  one  particle  and  the  next. • The  velocity  with  which  a  wave  travels  is  different  from  the  velocity  of  the  particles  with  which  they  vibrate about  their  mean  positions. • The  wave  velocity  remains  constant  in  a  given  medium  while  the  particle  velocity  changes  continuously  during its  vibration  about  the  mean  position.  It  is  maximum  at  the  mean  position  and  zero  at  the  extreme  position. • For  the  propagation  of  a  mechanical  wave,  the  medium  must  possess  the  properties  of  inertia,  elasticity  and minimum  friction  amongst  its  particles. SOME  IMPORTANT  TERMS  CONNECTED  WITH  WAVE  MOTION • Wavelength  ()  [length  of  one  wave] Distance  travelled  by  the  wave  during  the  time,  any  one  particle  of  the  medium  completes  one  vibration  about its  mean  position.  We  may  also  define  wavelength  as  the  distance  between  any  two  nearest  particles  of  the medium,  vibrating  in  the  same  phase. • Frequency  (n)  :Number  of  vibrations  (Number  of  complete  wavelengths)  complete  by  a  particle  in  one  second. E3

JEE-Physics • Time  period  (T)  :  Time  taken  by  wave  to  travel  a  distance  equal  to  one  wavelength. • Amplitude  (A)    :  Maximum  displacement  of  vibrating  particle  from  its  equilibrium  position. • Angular  frequency  ()  :  It  is  defined  as    =  2  2n  • Phase  :  Phase  is  a  quantity  which  contains  all  information  related  to  any  vibrating  particle  in  a  wave.  For equation  y  =  A  sin  (t  –  kx);  (t  –  kx)  =  phase. 2 • Angular  wave  number  (k)  :  It  is  defined  as  k  =   • Wave  number  (  )  :  It  is  defined  as     = 1  k =  number  of  waves  in  a  unit  length  of  the  wave  pattern.    2 • Particle  velocity,  wave  velocity  and  particle's  acceleration  :  In  plane  progressive  harmonic  wave  particles of  the  medium  oscillate  simple  harmonically  about  their  mean  position.  Therefore,  all  the  formulae  what  we have  read  in  SHM  apply  to  the  particles  here  also.  For  example,  maximum  particle  velocity  is  ±  A  at  mean position  and  it  is  zero  at  extreme  positions  etc.  Similarly  maximum  particle  acceleration  is  ±2A  at  extreme positions  and  zero  at  mean  position.  However  the  wave  velocity  is  different  from  the  particle  velocity.  This depends  on  certain  characteristics  of  the  medium.  Unlike  the  particle  velocity  which  oscillates  simple  harmonically (between  +  A  and  –  A)  the  wave  velocity  is  constant  for  given  characteristics  of  the  medium. • Particle  velocity  in  wave  motion  : The  individual  particles  which  make  up  the  medium  do  not  travel  through  the  medium  with  the  waves.  They simply  oscillate  about  their  equilibrium  positions.  The  instantaneous  velocity  of  an  oscillating  particle  of  the medium,  through  which  a  wave  is  travelling,  is  known  as  \"Particle  velocity\". y Particle velocity (v) y t wave (vP) x • Wave  velocity  :    The  velocity  with  which  the  disturbance,  or  planes  of  equal  phase  (wave  front),  travel  through the  medium  is  called  wave  (or  phase)  velocity. • Relation  between  particle  velocity  and  wave  velocity  : y \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 Wave  equation  :-  y  =  A  sin  (t  -  kx),  Particle  velocity  v= t =  A  cos  (t  -  kx). Wave  velocity  =  v =  =   =  ,  y =  -  Ak  cos  (t–kx)  =- A k  cos  (t  -  kx)  =  - 1 y   y   1 y P T 2 k x  vp t x v P t y Note  :  x   represent  the  slope  of  the  string  (wave)  at  the  point  x. Particle  velocity  at  a  given  position  and  time  is  equal  to  negative  of  the  product  of  wave  velocity  with  slope  of the  wave  at  that  point  at  that  instant. • Differential  equation  of  harmonic  progressive  waves  : 2 y 2 y 2 y 1 2 y E t2   =  –A2  sin  (t  –  kx)    x2 =  –  Ak2  sin  (t–kx)    x2   =  vP2 t2 4

JEE-Physics • Particle  velocity  (v )  and  acceleration  (a )  in  a  sinusoidal  wave  : pp The acceleration of the particle is the second particle is the second partial derivative of y (x, t) with respect to t,   aP  2 y(x, t)  2 A sin(kx  t)  2 y(x, t) t2 i.e.,  the  acceleration  of  the  particle  equals  –2 times  its    displacement,  which  is  the  result  we  obtained  for  SHM. Thus,  a  =  –2  (displacement) P • Relation  between  Phase  difference,        Path  difference  &  Time  difference y , T, 2 A A Phase  ()  3 2 5 0  3 T 22 2 Wave  length  () 0   3 5 3  42 4 42 Time-period    (T) 0 T T 3T 5T 3T 42 42 4 FHG KJI      T  2  T  Path  difference  =  2   Phase  difference Example A  progressive  wave  of  frequency  500  Hz  is  travelling  with  a  velocity  of  360  m/s.  How  far  apart  are  two points  60o  out  of  phase. Solution v 360 We  know  that  for  a  wave  v  =  f        So    =  f   =  500   =  0.72  m  0.72  Phase  difference    =  60o  =  (/180)  x  60  =  (/3)  rad,  so  path  difference  x= ()= x 3 =0.12  m 2 2 \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 THE  GENER AL  EQUATION  OF  WAVE  MOTION Some  physical  quantity  (say  y)  is  made  to  oscillate  at  one  place  and  these  oscillations  of  y  propagate  to  other places.  The  y  may  be, (i) displacement  of  particles  from  their  mean  position  in  case  of  transverse  wave  in  a  rope  or  longitudinal sound  wave  in  a  gas. (ii) pressure  difference  (dP)  or  density  difference  (d)  in  case  of  sound  wave  or (iii) electric  and  magnetic  fields  in  case  of  electromagnetic  waves. The  oscillations  of  y  may  or  may  not  be  simple  harmonic  in  nature.    Consider  one-dimensional  wave  travelling along  x-axis.    In  this  case  y  is  a  function  of  x  and  t.  i.e.  y  =  f(x,  t)  But  only  those  function  of  x  &  t,  represent  a wave  motion  which  satisfy  the  differential  equation. 2 y  v2 2 y   ...(i) t2 x 2 The  general  solution  of  this  equation  is  of  the  form y  (x,  t)  =  f  (ax  ±  bt) ...(ii) Thus,  any  function  of  x  and  t  and  which  satisfies  equation  (i)  or  which  can  be  written  as  equation  (ii)  represents a  wave.  The  only  condition  is  that  it  should  be  finite  everywhere  and  at  all  times,  Further,  if  these  conditions  are satisfied,  then  speed  of  wave  (v)  is  given  by  v  coefficient of t  b coefficient of x a E5

JEE-Physics Example Which  of  the  following  functions  represent  a  travelling  wave  ? (a)  (x  –  vt)2 (b)   n(x  +  vt) (c)  e (xvt)2 1 (d)  x  vt Solution Although  all  the  four  functions  are  written  in  the  form  f  (ax  +  bt),  only  (c)  among  the  four  functions  is  finite everywhere  at  all  times.  Hence  only  (c)  represents  a  travelling  wave. Equation  of  a  Plane  Progressive  Wave If,  on  the  propagation  of  wave  in  a  medium,  the  particles  of  the  medium  perform  simple  harmonic  motion  then the  wave  is  called  a  'simple  harmonic  progressive  wave'.  Suppose,  a  simple  harmonic  progressive  wave  is propagating  in  a  medium  along  the  positive  direction  of  the    x-axis  (from  left  to  right).    In  fig.  (a)  are  shown  the equilibrium  positions  of  the  particles  1,  2,  3  ....... 12345 6 7 8 9 (a) (b) 2 3 9 x y 4 1 a 5 x6 8 7 Direction of wave When  the  wave  propagates,  these  particles  oscillate  about  their  equilibrium  positions.    In  Fig.  (b)  are  shown  the instantaneous  positions  of  these  particles  at  a  particular  instant.    The  curve  joining  these  positions  represents the  wave.  Let  the  time  be  counted  from  the  instant  when  the  particle  1  situated  at  the  origin  starts  oscillating. If  y  be  the  displacement  of  this  particle  after  t  seconds,  then      y  =  a  sin  t...(i) where  a  is  the  amplitude  of  oscillation  and    =  2  n,  where  n  is  the  frequency.  As  the  wave  reaches  the particles  beyond  the  particle  1,  the  particles  start  oscillating.    If  the  speed  of  the  wave  be  v,  then  it  will  reach particle  6,  distant  x  from  the  particle  1,  in  x/v  sec.    Therefore,  the  particle  6  will  start  oscillating  x/v  sec  after the  particle  1.  It  means  that  the  displacement  of  the  particle  6  at  a  time  t  will  be  the  same  as  that  of  the particle  1  at  a  time  x/v sec  earlier  i.e.  at  time  t  –  (x/v).    The  displacement  of  particle  1  at  time  t  –  (x/v)  can  be the  particle  6,  distant  x  from  the  origin  (particle  1),  at  time  t  is  given  by y    =    a  sin     t  x  But     =    2 n,  y   =   a  sin  (t  –  kx)    k   ...(ii)  v   v  y    =    a  sin     2 t   x   y    =    a  sin  2      t  x  ...(iv)  T   Also  k  =    ...(iii)  T    This  is  the  equation  of  a  simple  harmonic  wave  travelling  along  +x  direction.  If  the  wave  is  travelling  along  the \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 –x  direction  then  inside  the  brackets  in  the  above  equations,  instead  of  minus  sign  there  will  be  plus  sign.    For example,  equation  (iv)  will  be  of  the  following  form  :  y  =a  sin  2  t  x  .  If    be  the  phase  difference  between  T   the  above  wave  travelling  along  the  +x  direction  and  an  other  wave,  then  the  equation  of  that  wave  will  be y  =   a  sin  2   t  x      T     Example The  equation  of  a  wave  is,  y ( x, t)  0.05 sin  (1 0 x  40t)    m  2 4  Find  : (a) The  wavelength,  the  frequency  and  the  wave  velocity (b) The  particle  velocity  and  acceleration  at  x=0.5  m  and  t=0.05  s. 6E

JEE-Physics Solution The  equation  may  be  rewritten  as,  y ( x, t)  0.05 sin  5 x  2 0 t    m (a)  4  (b) Comparing  this  with  equation  of  plane  progressive  harmonic  wave, y(x, t)  A sin(kx  t  ) we have,   wave  number  k  2  5rad / m       =  0.4m  The  angular  frequency  is,   2f  20 rad /s  f  =  10Hz The  wave  velocity  is, v  f         4 m s 1 iny  x direction  5   The  particle  velocity  k  (20)(0.05)  2 4  and  acceleration  are,  v   =  cos      =2.22m/s p t a   =  2 y  (2 0 )2 (0 .0 5 ) sin  5   =140  m/s2 p t2  2 4  INTENSITY  OF  WAVE The  amount  of  energy  flowing  per  unit  area  and  per  unit  time  is  called  the  intensity  of  wave.  It  is  represented by  I.  Its  units  are    J/m2s  or  watt/metre2.  I  =  22f2A2v    i.e.  I    A2  and  I    A2. =v t If  P  is  the  power  of  an  isotropic  point  source,  then  intensity  at  a  distance  r  is  given  by, P1 I  4r2  or  I  r2 (for  a  point  source) If  P  is  the  power  of  a  line  source,  then  intensity  at  a  distance  r  is  given  by, I  P  or  I  1 (for  a  line  source)  As,  I    A2 2 r r Therefore, A  1 (for  a  point  source)  and  A  1 (for  a  line  source) rr SUPERPOSITION  PRINCIPLE Two  or  more  waves  can  propagate  in  the  same  medium  without  affecting  the  motion  of  one  another.  If  several waves  propagate  in  a  medium  simultaneously,  then  the  resultant  displacement  of    any  particle  of  the  medium at  any  instant  is  equal  to  the  vector  sum  of  the  displacements  produced  by  individual  wave.  The  phenomenon of  intermixing  of  two  or  more  waves  to  produce  a  new  wave  is  called  Superposition  of  waves.  Therefore according  to  superposition  principle. \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 The resultant displacement of a particle at any point of the medium, at any instant of  time is the vector sum of the displacements caused to the particle by the individual waves.  If  y1, y2 , y3 , ...   are  the  displacement  of  particle  at  a  particular  time  due  to  individual  waves,  then  the  resultant    displacement  is  given  by  y  y1  y2  y3  ... Principle  of  superposition  holds  for  all  types  of  waves,  i.e.,  mechanical  as  well  as  electromagnetic  waves.  But this  principle  is  not  applicable  to  the  waves  of  very  large  amplitude. Due  to  superposition  of  waves  the  following  phenomenon  can  be  seen • Interference :  Superposition  of  two  waves  having  equal  frequency  and  nearly  equal  amplitude. • Beats :  Superposition  of  two  waves  of  nearly  equal  frequency  in  same  direction. E7

JEE-Physics • Stationary  waves :  Superposition  of  equal  wave  from  opposite  direction. • Lissajous'  figure :  Superposition  of  perpendicular  waves. Superposition of waves Interference Beats Stationary waves Lissaju's figures Longitudinal Transverse Application Application Organ pipe Resonance tube Stretched string Sonometer INTERFERENCE  OF  WAVES  : When  two  waves  of  equal  frequency  and  nearly  equal  amplitude  travelling  in  same  direction  having  same  state of  polarisation  in  medium  superimpose,  then  intensity  is  different  at  different  points.  At  some  points  intensity  is large,  whereas  at  other  points  it  is  nearly  zero. Consider  two  waves y  =  A  sin  (t  -  kx)  and  y  =  A  sin  (t  –  kx  +  ) By  principle  of  superposition 1 1 2 2 where y  =  y  +  y  =  A  sin  (t  –  kx  +  ) 1 2 A2  A 2  A 2  2A1A2 cos   and  tan   A2 sin  1 2 A1  A2 cos  As intensity I A2    so  I  I1  I2  2 I1I2 cos  • Constructive  interference  (maximum  intensity)  : Phase  difference   =  2n or  path  difference  =  n where  n  =  0,  1,  2,  3,  ...  2  A  =  A  +  A and Imax  I1  I2  2 I1I2   =  I1  I2 max 1 2 • Destructive  interference  (minimum  intensity)  :  where  n  =  0,  1,  2,  3,  ... Phase  difference   =  (2n+1),  or  path  difference  =  (2n–1)  2  2  A  =  A  –  A and Imin  I1  I2  2 I1I2 =  I1  I2 min 1 2 GOLDEN  KEY  POINTS •            Maximum  and  minimum  intensities  in  any  interference  wave  form. IMax  I1  I2 2  A 1  A2 2 IMin   =   I1  I2  A 1  A2       =    • Average  intensity  of  interference  wave  form  % &<  I  >or    I = Imax  Imin =  I   +  I \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 av 2 12 if   A  =  A   =  A and I  = I  = I   then     I = 4I,  I =  0  and   I  =2I 12 12 max  min    AV  • Degree  of  interference  Pattern  (f)  :  Degree  of  hearing  (Sound  Wave)  or Imax  Imin Degree  of  visibility  (Light  Wave)    f    =    Imax  Imin   ×  100 In  condition  of  perfect  interference  degree  of  interference  pattern  is  maximum  f =    1      or  100% max    • Condition  of  maximum  contrast  in  interference  wave  form a =a         and    I   =  I   then  I =  4I  and  I =  0 12 12 max  min  For  perfect  destructive  interference  we  have  a  maximum  contrast  in  interference  wave  form. 8E

JEE-Physics VELOCITY  OF  TR ANSVERSE  WAVE A= R2 T r2  d W Mass  of  per  unit  length    m  =   ,  m  =  r2d,      where  d  =  Density  of  matter m,d Velocity  of  transverse  wave  in  any  wire v =  T or  T T  r2 =A density m r2 d = Ad • If  m  is  constant  then,      v     T   it  is  called  tension  law. 1 • If   tension is constant then  v    it is  called  law of  mass m 1 • If  T  is  constant  &  take  wire  of  different  radius  for  same  material  then  v       it  is  called  law  of  radius r • If  T  is  constant  &  take  wire  of  same  radius  for  different  material.  Then v 1    law  of  density d REFLECTION  FROM  RIGID  END When  the  pulse  reaches  the  right  end  which  is  clamped  at  the  wall,  the  element  at  the  right  end  exerts  a  force on  the  clamp  and  the  clamp  exerts  equal  and  opposite  force  on  the  element.  The  element  at  the  right  end  is thus  acted  upon  by  the  force  from  the  clamp.  As  this  end  remains  fixed,  the  two  forces  are  opposite  to  each other.  The  force  from  the  left  part  of  the  string  transmits  the  forward  wave  pulse  and  hence,  the  force  exerted by  the  clamp  sends  a  return  pulse  on  the  string  whose  shape  is  similar  to  a  return  pulse  but  is  inverted.  The original  pulse  tries  to  pull  the  element  at  the  fixed  end  up  and  the  return  pulse  sent  by  the  clamp  tries  to  pull it  down,  so  the  resultant  displacement  is  zero.  Thus,  the  wave  is  reflected  from  the  fixed  end  and  the  reflected wave  is  inverted  with  respect  to  the  original  wave.  The  shape  of  the  string  at  any  time,  while  the  pulse  is  being reflected,  can  be  found  by  adding  an  inverted  image  pulse  to  the  incident  pulse. Equation  of  wave  propagating  in  +ve  x-axis Incident  wave y  =  a  sin  (t  –  kx) 1 Reflected  wave y   =  a  sin  (t  +  kx  +  ) 2 or y  = –  a  sin  (t  +  kx) 2   \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 REFLECTION  FROM  FREE  END The  right  end  of  the  string  is  attached  to  a  light  frictionless  ring  which  can  freely  move  on  a  vertical  rod.  A  wave pulse  is  sent  on  the  string  from  left.  When  the  wave  reaches  the  right  end,  the  element  at  this  end  is  acted  on by  the  force  from  the  left  to  go  up.  However,  there  is  no  corresponding  restoring  force  from  the  right  as  the  rod does  not  exert  a  vertical  force  on  the  ring.  As  a  result,  the  right  end  is  displaced  in  upward  direction  more  than the  height  of  the  pulse  i.e.,  it  overshoots  the  normal  maximum  displacement.  The  lack  of  restoring  force  from right  can  be  equivalent  described  in  the  following  way.  An  extra  force  acts  from  right  which  sends  a  wave  from right  to  left  with  its  shape  identical  to  the  original  one.  The  element  at  the  end  is  acted  upon  by  both  the incident  and  the  reflected  wave  and  the  displacements  add.  Thus,  a  wave  is  reflected  by  the  free  end  without inversion. Incident  wave  y  =  a  sin  (t  –  kx)      Reflected  wave  y  =  a  sin  (t  +  kx)  1 2 STATIONARY  WAVES * Definition  :  The  wave  propagating  in  such  a  medium  will  be  reflected  at  the  boundary  and  produce  a  wave  of the  same  kind  travelling  in  the  opposite  direction.  The  superposition  of  the  two  waves  will  give  rise  to  a stationary  wave.  Formation  of  stationary  wave  is  possible  only  and  only  in  bounded  medium. E9

JEE-Physics ANALYTICAL  METHOD  FOR  STATIONARY  WAVES • From  rigid  end    :  We  know  equation  for  progressive  wave  in  positive  x-direction    y  =  a  sin  (t  –  kx) 1 After  reflection  from  rigid  end y  =  a  sin  (t  +  kx  +  )  = –  a  sin  (t  +  kx) 2   By  principle  of  super  position. y  =  y  +  y  =  a  sin  (t  –  kx)  –  a  sin  (t  +  kx)  =  –  2a  sin  kx  cos  t 1 2 This  is  equation  of  stationary  wave  reflected  from  rigid  end Amplitude  =2a  sin  kx Velocity  of  particle  v = dy =2a    sin  kx  sin  t pa  dt dy stress dp dy Strain  dx =  –  2ak  cos  kx  cos  t Elasticity    E  =  strain = dy           Change  in  pressure  dp  =  E dx  dx   x  =  0,  2   ,      ......... •  Node A  =  0,    V =  0,  strain        max.           C h a ng e   i n  p r e s sur e    max pa   3 A    max,   -V     max.  strain  =  0        Ch ang e  i n  p ress ure  =  0 •  Antinode     x  =    ,    .......... pa 44 • From  f ree  end    :  we  know  equation  for  progressive  wave  in  positive  x-direction      y  =  a  sin  (t  –  kx) 1 After  reflection  from  free  end    y  =  a  sin  (t  +  kx) 2 By  Principle  of  superposition  y  =  y +  y  =  a  sin  (t  –  kx)  +  a  sin  (t  +  kx)    =  2    a  sin  t  cos  kx 1  2 A m p l i t u d e =    2a  cos  kx, Velocity  of  particle  =  v   =  dy   =  2a    cos  t  cos  kx Pa dt Strain dy dy dx   =  –  2ak  sin  t  sin  kx Change  in  pressure    dp  =  E  dx  A    Max,    V  =  dy     max. Strain  =  0, dp  =  0 •    Antinode  :    x  =  0,    ,   ......... pa dt 2  3 5 dy =  0,    strain    max  , dp    max •  Node  :  x  =  , ,      ............ A  =  0,    V   = 44 4 pa dt PROPERTIES  OF  STATIONARY  WAVES The  stationary  waves  are  formed  due  to  the  superposition  of  two  identical  simple  harmonic  waves  travelling  in opposite  direction  with  the  same  speed. Important  characteristics  of  stationary  waves  are:– \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 (i) Stationary  waves  are  produced  in  the  bounded  medium  and  the  boundaries  of  bounded  medium  may  be rigid  or  free. (ii) In  stationary  waves  nodes  and  antinodes  are  formed  alternately.  Nodes  are  the  points  which  are  always in  rest  having  maximum  strain.  Antinodes  are  the  points  where  the  particles  vibrate  with  maximum amplitude  having  minimum  strain. (iii) All  the  particles  except  at  the  nodes  vibrate  simple  harmonically  with  the  same  period. (iv) The  distance  between  any  two  successive  nodes  or  antinodes  is  /2. (v) The  amplitude  of  vibration  gradually  increases  from  zero  to  maximum  value  from  node  to  antinode. (vi) All  the  particles  in  one  particular  segment  vibrate  in  the  same  phase,  but  the  particle  of  two  adjacent segments  differ  in  phase  by  180° (vii) All  points  of  the  medium  pass  through  their  mean  position  simultaneously  twice  in  each  period. (viii) Velocity of the particles while crossing mean position varies from maximum at antinodes to zero at nodes. (ix) In  a  stationary  wave  the  medium  is  splited  into  segments  and  each  segment  is  vibrating  up  and  down  as a  whole. 10 E

JEE-Physics (x) In  longitudinal  stationary  waves,  condensation  (compression)  and  refraction  do  not  travel  forward  as  in progressive  waves  but  they  appear  and  disappear  alternately  at  the  same  place. (xi) These waves do not transfer energy in the medium. Transmission of energy is not possible in a stationary wave. TR ANSMISSION  OF  WAVES We  may  have  a  situation  in  which  the  boundary  is  intermediate    between  these  two  extreme  cases,  that  is,  one in  which  the  boundary  is  neither  rigid  nor  free.  In  this  case,  part  of  the  incident  energy  is  transmitted  and  part is  reflected.  For  instance,  suppose  a  light  string  is  attached  to  a  heavier  string  as  in  (figure).  When  a  pulse travelling  on  the  light  reaches  the  knot,  same  part  of  it  is  reflected  and  inverted  and  same  part  of  it  is  transmitted to  the  heavier  string. Incident pulse Incident pulse (a) (a) Transmitted pulse Transmitted  Reflected pulse pulse Reflected pulse (b) (b) As  one  would  expect,  the  reflected  pulse  has  a  smaller  amplitude  than  the  incident  pulse,  since  part  of  the incident  energy  is  transferred  to  the  pulse  in  the  heavier  string.  The  inversion  in  the  reflected  wave  is  similar  to the  behaviour  of  a  pulse  meeting  a  rigid  boundary,  when  it  is  totally  reflected.  When  a  pulse  travelling  on  a heavy  string  strikes  the  boundary  of  a  lighter  string,  as  in  (figure),  again  part  is  reflected  and  part  is  transmitted. However,  in  this  case  the  reflected  pulse  is  not  inverted.  In  either  case,  the  relative  height  of  the  reflected  and transmitted  pulses  depend  on  the  relative  densities  of  the  two  string.  In  the  previous  section,  we  found  that  the speed  of  a  wave  on  a  string  increases  as  the  density  of  the  string  decreases.  That  is,  a  pulse  travels  more  slowly on  a  heavy  string  than  on  a  light  string,  if  both  are  under  the  same  tension.  The  following  general  rules  apply to  reflected  waves.  When  a  wave  pulse  travels  from  medium  A  to  medium  B  and  vA  >  vB  (that  is,  when  B  is denser  than  A),  the  pulse  will  be  inverted  upon  reflection.  When  a  wave  pulse  travels  from  medium  A  to medium  B  and  v   <  v   (A  is  denser  than  B),  it  will  not  be  inverted  upon  reflection. AB GOLDEN  KEY  POINTS Phenomenon  of  reflection  and  transmission  of  waves  obeys  the  laws  of  reflection  and  refraction.  The  frequency of  these  wave  remains  constant  i.e.  does  not  change.    i  =  r  =  t  =   From  rarer  to  denser  medium    y  =  a  sin  (t  –  k x) y  =  –a   sin  (t  +  k x) y  =  a  sin  (t  –  k x) i i 1 r i 1 t t 2 From  denser  to  rarer  medium y   =  a   sin  (t  –  k x) y   =  a   sin  (t  +  k x) y   =  a   sin  (t  –  k x) ii 1 ri 1 tt 2 STATIONARY  WAVE  ARE  OF  TWO  TYPES  : (i)  Transverse  st.  wave  (stretched  string) (ii)  Longitudinal  st.  wave  (organ  pipes) \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 (i) Transverse  Stationar y  wave  (Fixed  at  Both  ends) Fundamental  Harmonic  N  N   =      = 2   f  =  v A 2 2 Second  Harmonic N  N 2  =      =     f  =  2v A 2 2 A Third  Harmonic N A  N 3  =      =   2    f  =  3v A A 2 3 2 E 11

JEE-Physics  p  =      =   2    f  =  pv NN 2 p 2 p  th   harmonic AAAAAA • Law  of  length  :  For  a  given  string,  under  a  given  tension,  the  fundamental  frequency  of  vibration  is inversely  proportional  to  the  length  of  the  string,  i.e,    n  1   (T  and  m  are  constant)  • Law  of  tension  :  The  fundamental  frequency  of  vibration  of  stretched  string  is  directly  proportional  to  the square  root  of  the  tension  in  the  string,  provided  that  length  and  mass  per  unit  length  of  the  string  are  kept constant.  n  T   (    and  m  are  constant) • Law  of  mass  :  The  fundamental  frequency  of  vibration  of  a  stretched  string  is  inversely  proportional  to the  square  root  of  its  mass  per  unit  length  provided  that  length  of  the  string  and  tension  in  the  string  are kept  constant,  i.e.,    n  1   (    and  T  are  constant) m • Melde's  experiment  :  In  Melde's  experiment,  one  end  of  a  flexible  piece  of  thread  is  tied  to  the  end  of  a tuning  fork.    The  other  end  passed  over  a  smooth  pulley  carries  a  pan  which  can  be  loaded.  There  are  two arrangements  to  vibrate  the  tied  fork  with  thread. Transverse  arrangement    : Case  1.    In  a  vibrating  string  of  fixed  length,  the  product  of  number  of  loops  and  square  root  of  tension  are constant  or  p  T   =  constant. T = Mg \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 M Case  2.  When  the  tuning  fork  is  set  vibrating  as  shown  in  fig.  then  the  prong  vibrates  at  right  angles  to  the thread.    As  a  result  the  thread  is  set  into  motion.    The  frequency  of  vibration  of  the  thread  (string)  is  equal to  the  frequency  of  the  tuning  fork.    If  length  and  tension  are  properly  adjusted  then,  standing  waves  are formed  in  the  string.    (This  happens  when  frequency  of  one  of  the  normal  modes  of  the  string  matched  with the  frequency  of  the  tuning  fork).    Then,  if  p  loops  are  formed  in  the  thread,  then  the  frequency  of  the pT tuning  fork  is given  by        n =  2   m Case  3.    If  the  tuning  fork  is  turned  through  a  right  angle,  so  that  the  prong  vibrates  along  the  length  of the  thread,  then  the  string  performs  only  a  half  oscillation  for  each  complete  vibrations  of  the  prong.    This is  because  the  thread  only  makes  node  at  the  midpoint  when  the  prong  moves  towards  the  pulley  i.e.  only once  in  a  vibration. Longitudinal  arrangement  : The  thread  performs  sustained  oscillations  when  the  natural  frequency  of  the  given  length  of  the  thread under  tension  is  half  that  of  the  fork. T = Mg M 2p T E Thus  if  p  loops  are  formed  in  the  thread,  then  the  frequency  of  the  tuning  fork  is    n  =  2   m 12

JEE-Physics SONOMETER  : Sonometer  consists  of  a  hollow  rectangular  box  of  light  wood.    One  end  of  the  experimental  wire  is  fastened  to one  end  of  the  box.    The  wire  passes  over  a  frictionless  pulley  P  at  the  other  end  of  the  box.    The  wire  is stretched  by  a  tension  T. B1 B2 A P The  box  serves  the  purpose  of  increasing  the  loudness  of  the  sound  produced  by  the  vibrating  wire.    If  the length  the  wire  between  the  two  bridges  is  ,  then  the  frequency  of  vibration  is    n    =    l   T 2 m To  test  the  tension  of  a  tuning  fork  and  string,  a  small  paper  rider  is  placed  on  the  string.    When  a  vibrating tuning  fork  is  placed  on  the  box,  and  if  the  length  between  the  bridges  is  properly  adjusted,  then  when  the  two frequencies  are  exactly  equal,  the  string  quickly  picks  up  the  vibrations  of  the  fork  and  the  rider  is  thrown  off the  wire. COMPARISON  OF  PROGRESSIVE  AND  STATIONARY  WAVES Progressive  waves Stationary  waves 1. These  waves  travels  in  a  medium These  waves  do  not  travel  and  remain  confined with  definite  velocity. between  two  boundaries  in  the  medium. 2. These  waves  transmit  energy  in  the  medium. These  waves  do  not  transmit  energy  in  the  medium. 3. The  phase  of  vibration  varies The  phase  of  all  the  particles  in  between  two  nodes continuously  from  particle  to    particle. is  always  same.  But  particles  of  two Adjacent  nodes  differ  in  phase  by  180° 4. No  particle  of  medium  is Particles  at  nodes  are  permanently  at  rest. Permanently  at  rest. 5. All  particles  of  the  medium  vibrate The  amplitude  of  vibration  changes  from  particle and  amplitude  of  vibration  is  same. to  particle.  The  amplitude  is  zero    for  all  at  nodes and  maximum  at  antinodes. 6 . All  the  particles  do  not  attain  the All  the  particles  attain  the  maximum maximum  displacement  position displacement simultaneously. \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 SPEED  OF  LONGITUDINAL  (SOUND)  WAVES Newton  Formula v = E (Use  for  every  medium) medium  Where  E  =  Elasticity  coefficient  of  medium  &    =  Density  of  medium • For  solid  medi um   v =  Y solid  Where    E  =  Y  =  Young's  modulas • For  liquid  Medium    v   =  B Where    E  =  B,  where  B  =  volume  elasticity  coefficient  of  liquid liquid E  13

JEE-Physics • For  gas  medium The formula for velocity of sound in air was first obtained by Newton. He assumed that sound propagates through air and temperature remains constant. (i.e. the process is isothermal) so Isothermal Elasticity = P   vair =  (P /      P  =  1.01  x  105  N/m2 kg/m3            so        v  =  1.01  105 At  NTP  for  air and   =  1.3  air =  279  m/s 1.3 However, the experimental value of sound in air is 332 m/s which is much higher than given by Newton's formula. • Laplace  Correction In  order  to  remove  the  discrepancy  between  theoretical  and  experimental  values  of  velocity  of  sound,  Laplace modified  Newton's  formula  assuming  that  propagation  of  sound  in  air  is  adiabatic  process,  i.e. P Adiabatic  Elasticity  =  p so that    v   i.e.  v  =  1.41   x  279  =  331.3  m/s  [as  air  =  1.41] Which  is  in  good  agreement  with  the  experimental  value  (332  m/s).  This  in  turn  establishes  that  sound  propa- gates  adiabatically  through  gases. The  velocity  of  sound  in  air  at  NTP  is  332  m/s  which  is  much  lesser  than  that  of  light  and  radio–waves (=  3  x  108  m/s).  This  implies  that  – (a) If  we  set  our  watch  by  the  sound  of  a  distant  siren  it  will  be  slow. (b) If  we  record  the  time  in  a  race  by  hearing  sound  from  starting  point  it  will  be  lesser  than  actual. (c) In  a  cloud–lightening,  though  light  and  sound  are  produced  simultaneously  but  as  c  >  v,  light  proceeds thunder.  An  in  case  of  gases  – v   =  P PV   as   mass  M    or  v  =  RT [as  PV  =  RT]  or  v  =   RT s  =  mass volume V s s Mw  M  mass M  as   where M w  =  Molecular weight  Mw Mw  And  from  kinetic-theory  of  gases    v   =  (3RT / M w ) vs  rms So  v rms   =  3 EFFECT  OF  VARIOUS  QUANTITIES (1) Effect  of  temperature v2 T2 1 T    v1   =  T1   =  For  a  gas    & M   is  constant  v  t  273    v   =  v   1  t 2 W 273 t0 273   \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 By  applying  Binomial  theorem. (i)  For  any  gas  medium  v   =  v   1  t (ii)  For  air  :  v   =  v   +  0.61  t  m/sec.  (v   =  332  m/sec.  ) t0 546  t0 0 (2) Effect  of  Relative  Humidity With  increase  in  humidity,  density  decreases  so  in  the  light  of    v  =   P / )   We  conclude  that  with  rise  in humidity  velocity  of  sound  increases.  This  is  why  sound  travels  faster  in  humid  air  (rainy  season)  than  in  dry  air (summer)  at  same  temperature.  Due  to  this  in  rainy  season  the  sound  of  factories  siren  and  whistle  of  train  can be  heard  more  than  summer. 14 E

JEE-Physics (3) Effect  of  Pressure E  P  RT As  velocity  of  sound v  =    =    =  M So  pressure  has  no  effect  on  velocity  of  sound  in  a  gas  as  long  as  temperature  remain  constant.  This  is  why  in going  up  in  the  atmosphere,  though  both  pressure  and  density  decreases,  velocity  of  sound  remains  constant  as long  as  temperature  remains  constant.  Further  more  it  has  also  been  established  that  all  other  factors  such  as amplitude,  frequency,  phase,  loudness  pitch,  quality  etc.  has  partially  no  effect  on  velocity  of  sound. Velocity  of  sound  in  air  is  measured  by  resonance  tube  or  Hebb's  method  while  in  gases  by  Quinke's  tube. Kundt's  tube  is  used  to  determine  velocity  of  sound  in  any  medium  solid,  liquid  or  gas. (4) Effect  of  Motion  of  Air If air is blowing then the speed of sound changes. If the actual speed of sound is v and the speed of air is w, then the speed of sound in the direction in which air is blowing will be (v+ w), and in the opposite direction it will be (v – w). (5) Effect  of  Frequency There  is  no  effect  of  frequency  on  the  speed  of  sound.  Sound  waves  of  different  frequencies  travel  with  the same  speed  in  air  although  their  wavelength  in  air  are  different.  If  the  speed  of  sound  were  dependent  on  the frequency,  then  we  could  not  have  enjoyed  orchestra. Example A  piezo  electric  quartz  plate  of  thickness  0.005  m  is  vibrating  in  resonant  conditions.  Calculate  its  fundamental frequency  if  for  quartz  Y  =  8   1010  N/m2  and    =  2.65  x  103  kg/m3 Solution Y 8  1010 We  known  that  for  longitudinal  waves  in  solids v  =   , So    v  =  2.65  103   =  5.5    103  m/s Further  more  for  fundamental  mode  of  plate  –  (/2)  =  L So    =  2  x  5  x  10–3  =  10–2  m But  as   v = f,   i.e., f  =  (v/)          so    f  =  [5.5  x  103/10–2]  =  5.5  x  105  Hz  =  550  kHz Example Determine  the  change  in  volume  of  6  liters  of  alcohol  if  the  pressure  is  decreased  from  200  cm  of  Hg  to  75 cm.  [velocity  of  sound  in  alcohol  is  1280  m/s,  density  of  alcohol  =  0.81  gm/cc,  density  of  Hg  =  13.6  gm/cc and  g  =  9.81  m/s2] Solution For  propagation  of  sound  in  liquid    v  =  B /    i.e.,  B  =  v2 \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 P P V (P ) But  by  definition  B  =  –  V  So    –V   =  v2,  i.e.  V  =  V v 2 V Here  P  =  H g  –  H g  =  (75  –  200)    13.6    981  =  –1.667    106  dynes/cm2 21    6  103 1.667  106  So    V  =  0.81  1.280  105 2   =  0.75  cc Example Speed  of  sound  in  air  is  332  m/s  at  NTP.  What  will  the  speed  of  sound  in  hydrogen  at  NTP  if  the  density (a) of  hydrogen  at  NTP  is  (1/16)  that  of  air. (b) Calculate  the  ratio  of  the  speed  of  sound  in  neon  to  that  in  water  vapour  at  any  temperature.  [Molecular weight  of  neon  =  2.02   10–2  kg/mol    and  for  water  vapours  =  1.8    10–2  kg/mol] E 15

JEE-Physics Solution E  P  RT The  velocity  of  sound  in  air  is  given  by v  =     =     =  M (a) vH PH  air   =  air        [as  P  = P ] In  terms  of  density  and  pressure v air  =  H Pair air H H v  air 16  v  =  air   H   =  332      =  1328  m/s H 1 ( b ) In  terms  of  temperature  and  molecular  weight v Ne  Ne  MW   [as  T   =  T ] v W   =  M Ne W NW Now  as  neon  is  mono  atomic  (  =  5/3)  while  water  vapours  poly  atomic  (  =  4/3)  so b gv Ne5 / 3  1.8  10 2 5 1.8 b gv W   =  4 / 3  2.02  10 2   =  4  2.02   =  1.055 VIBR ATION  IN  ORGAN  PIPES When  two  longitudinal  waves  of  same  frequency  and  amplitude  travel  in  a  medium  in  opposite  directions  then by  superposition,  standing  waves  are  produced.  These  waves  are  produced  in  air  columns  in  cylindrical  tube  of uniform  diameter.  These  sound  producing  tubes  are  called  organ  pipes. 1. Vibration  of  air  column  in  closed  organ  pipe  : Fundamental Ist Overtone IInd Overtone The  tube  which  is  closed  at  one  end  and  open  at  the  other  end  is AA A called  close  organ  pipe.  On  blowing  air  at  the  open  end,  a  wave travels  towards  closed  end  from  where  it  is  reflected  towards  open N end.  As  the  wave  reaches  open  end,  it  is  reflected  again.  So  two  N A 53 longitudinal  waves  travel  in  opposite  directions  to  superpose  and 1 32 4 produce  stationary  waves.  At  the  closed  end  there  is  a  node  since 4 4 particles  does  not  have  freedom  to  vibrate  whereas  at  open  end A N there  is  an  antinode  because  particles  have  greatest  freedom  to A vibrate. N N N (i) (ii) (iii) Hence  on  blowing  air  at  the  open  end,  the  column  vibrates  forming antinode  at  free  end  and  node  at  closed  end.  If    is  length  of  pipe and      be  the  wavelength  and  v  be  the  velocity  of  sound  in  organ pipe  then Case  (i)      =4 vv \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 4  n1    4     fundamental  frequency. Case  (ii)    3    4 v 3v 4 3  n2    4     First  overtone  /  IIIrd  Harmonic Case  (iii)    5    4  n3  v  5v     Second  overtone  /  Vth  Harmonic 4 5  4 When  closed  organ  pipe  vibrate  in  mth  overtone  then      (2m  1)  4 So   4 n  (2m  1) v (2m  1) 4 Hence  frequency  of  overtones  is  given  by  n   :  n :  n   ..........  =  1  :  3  :  5  .... 1 2  3 16 E

JEE-Physics 2 . Vi br at i on  o f  a i r   c olu mns  i n  op en  or ga n  p i p e  :                        Fundamental Ist Overtone II nd Overtone The  tube  which  is  open  at  both  ends  is  called  an  open  organ  pipe. AA A On  blowing  air  at  the  open  end,  a  wave  travel  towards  the  other N N N 3 3 end  after  reflection  from  open  end  waves  travel  in  opposite  direction 2 to  superpose  and  produce  stationary  wave.  Now  the  pipe  is  open 1 A at  both  ends  by  which  an  antinode  is  formed  at  open  end.  Hence  on 2A 2 2 2N blowing  air  at  the  open  end  antinodes  are  formed  at  each  end  and N A nodes  in  the  middle.  If    is  length  of  the  pipe  and   be  the  wavelength N A and  v  is  velocity  of  sound  in  organ  pipe. AA (i) (ii) (iii) Case  (i)         2   n1  v  v Fundamental  frequency. 2  2 Case  (ii)    2    2   n2  v  2v First  overtone  frequency. 2 2  2 Case  (iii)    3 2 v 3v 2      n 3   2 Second  overtone  frequency. 3  Hence  frequency  of  overtones  are  given  by  the  relation  n   :  n :  n   ..........  =  1  :  2  :  3  .... 1 2  3 When  open  organ  pipe  vibrate  in  mth  overtone  then      (m  1)    so    4   n  (m  1) v 4 m 1 2 GOLDEN  KEY  POINTS • A  rod  clamped  at  one  end  or  a  string  fixed  at  one  end  is  similar  to  vibration  of  closed  end  organ  pipe. • A  rod  clamped  in  the  middle  is  similar  to  the  vibration  of  open  end  organ  pipe. • If  an  open  pipe  is  half  submerged  in  water,  it  becomes  a  closed  organ  pipe  of  length  half  that  of  open  pipe i.e.  frequency  remains  same. • Due  to  finite  motion  of  air  molecular  in  organ  pipes  reflection  takes  place  not  exactly  at  open  end  but  some what  above  it  so  in  an  organ  pipe  antinode  is  not  formed  exactly  at  free–end  but  above  it  at  a  distance e  =  0.6r  (called  end  correction  or  Rayleigh's  correction)  with  r  being  the  radius  of  pipe.  So  for  closed  organ pipe  L    L  +  0.6r  while  for  open  L    L  +  2    0.6r  (as  both  ends  are  open) vv so  that  –  f   =    while f =  C 4(L  0.6r) 0 2(L  1.2r) This  is  why  for  a  given  v  and  L  narrower  the  pipe  higher  will  the  frequency  or  pitch  and  shriller  will  be  the sound. \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 • For  an  organ  pipe  (closed  or  open)  if  v  =  constant. f    (1/L) So  with  decrease  in  length  of  vibrating  air  column,  i.e.,  wavelength  (   L),  frequency  or  pitch  will  increase and  vice–versa.  This  is  why  the  pitch  increases  gradually  as  an  empty  vessel  fills  slowly. • v • For  an  organ  pipe  if  f  =  constant.      v       or      v    L  ,  f  =     =  constant  i.e.  the  frequency  of  an  organ  pipe will  remain  unchanged  if  the  ratio  of  speed  of  sound  in  to  its  wave  length  remains  constant. E As  for  a  given  length  of  organ  pipe   =  constant. f  v  So ( a ) With  rise  in  temperature  as  velocity  will  increase  (v   T   the  pitch  will  increase. (Change  in  length  with  temperature  is  not  considered  unless  stated) ( b ) With  change  in  gas  in  the  pipe  as  v  will  change  and  so  f  will  change  (v    / M ) ( c ) With  increase  in  moisture  as  v  will  increase  and  so  the  pitch  will  also. 17

JEE-Physics Example For  a  certain  organ  pipe,  three  successive  resonant  frequencies  are  observed  at  425,  595  and  765  Hz  respec- tively.  Taking  the  speed  for  sound  in  air  to  be  340  m/s  (a)  Explain  whether  the  pipe  is  closed  at  one  end  or open  at  both  ends  (b)  determine  the  fundamental  frequency  and  length  of  the  pipe. Solution ( a ) The  given  frequencies  are  in  the  ratio 425  :  595  :  765, i.e., 5  : 7  :  9 And  as  clearly  these  are  odd  integers  so  the  given  pipe  is  closed  pipe. ( b ) From  part  (b)  it  is  clear  that  the  frequency  of  5th  harmonic  (which  is  third  overtone)  is  425  Hz so 425  =  5fc  fC  =  85  Hz  Further  as v v 340 Example fC  =  4L , L  =  4fC   =  4  85   =  1  m AB  is  a  cylinder  of  length  1  m  fitted  with  a  thin  flexible  diaphram  C  at  middle  and  two  other  thin  flexible diaphram  A  and  B  at  the  ends.  The  portions  AC  and  BC  contain  hydrogen  and  oxygen  gases  respectively.  The diaphragms  A  and  B  are  set  into  vibrations  of  the  same  frequency.  What  is  the  minimum  frequency  of  these vibrations  for  which  diaphram  C  is  a  node  ?  Under  the  condition  of  the  experiment  the  velocity  of  sound  in hydrogen  is  1100  m/s  and  oxygen  300  m/s. Solution As  diaphragm  C  is  a  node,  A  and  B  will  be  antinode  (as  in  a  organ  pipe  either  both  ends  are  antinode  or  one end  node  and  the  other  antinode),  i.e.,  each  part  will  behave  as  closed  end  organ  pipe  so  that vH 1100 v0 300 AC B f   =  4L H   =  4  0.5   =  550  Hz And f= 4L0 = 4  0.5 =150Hz 0 H H2 O2 As  the  two  fundamental  frequencies  are  different,  the  system  will  vibrate  with  a n H f0 150 3 common  frequency  f  such  that    f  =  nHfH  =  n0f0   i.e.   =    =    =  n0 fH 550 11 i.e.,  the  third  harmonic  of  hydrogen  and  11th  harmonic  of  oxygen  or  6th  harmonic  of  hydrogen  and  22nd harmonic  of  oxygen  will  have  same  frequency.  So  the  minimum  common  frequency f  =  3    550    or  11    150  =  1650  Hz APPAR ATUS  FOR  DETERMINING  SPEED  OF  SOUND 1 . Quinck's  Tube  : A C T2 T1 B It  consists  of  two  U  shaped  metal  tubes.  Sound  waves  with  the  help  of \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 tuning  fork  are  produced  at  A  which  travel  through  B  &  C  and  comes D out  at  D  where  a  sensitive  flame  is  present.  Now  the  two  waves  coming through  different  path  interfere  and  flame  flares  up.  But  if  they  are not  in  phase,  destructive  interference  occurs  and  flame  remains undisturbed. Suppose  destructive  interference  occurs  at  D  for  some  position  of  C.  If  now  the  tube  C  is  moved  so  that interference  condition  is  disturbed  and  again  by  moving  a  distance  x,  destructive  interference  occurs  so  that 2x  =  .  Similarly  if  the  distance  moved  between  successive  constructive  and  destructive  interference  is  x  then 2x     Now  by  having  value  of  x,  speed  of  sound  is  given  by  v  =  n 2 2 . Kundt's  tube  :  It  is  the  used  to  determine  speed  of  sound  in  different  gases.  It  consists  of  a  glass  tube  in  which a  small  quantity  of  lycopodium  powder  is  spread.  The  tube  is  rotated  so  that  powder  starts  slipping.  Now  rod CD  is  rubbed  at  end  D  so  that  stationary  waves  form.  The  disc  C  vibrates  so  that  air  column  also  vibrates  with the  frequency  of  the  rod.  The  piston  P  is  adjusted  so  that  frequency  of  air  column  become  same  as  that  of  rod. 18 E

JEE-Physics So  resonance  occurs  and  column  is  thrown  into  stationary  waves.  The  powder  sets  into  oscillations  at  antinodes while  heaps  of  powder  are  formed  at  nodes. clamped at  P2 P1 the middle rod R lycopodium power Let  n  is  the  frequency  of  vibration  of  the  rod  then,  this  is  also  the  frequency  of  sound  wave  in  the  air  column  in the  tube. For  rod  : rod  rod For  air  : air  air 2 2 Where     is  the  distance  between  two  heaps  of  powder  in  the  tube  (i.e.  distance  between  two  nodes).  If  v   and air air v air  v rod vrod  are  velocity  of  sound  waves  in  the  air  and  rod  respectively,  then    n  = air rod Therefore, v air  air   air Thus  knowledge  of  v   determines  v . v rod rod  rod air rod (ii) RESONANCE  TUBE Construction  :  The  resonance  tube  is  a  tube  T  (figure)  made  of  brass  or  glass,  about  1  meter  long  and  5  cm in  diameter  and  fixed  on  a  vertical  stand.  Its  lower  end  is  connected  to  a  water  reservoir  B  by  means  of  a flexible  rubber  tube.  The  rubber  tube  carries  a  pinch-cock  P.  The  level  of  water  in  T  can  be  raised  or  lowered by  water  adjusting  the  height  of  the  reservoir  B  and  controlling  the  flow  of  water  from  B  to  T  or  from  T  to  B  by means  of  the  pinch-cock  P.  Thus  the  length  of  the  air–column  in  T  can  be  changed.  The  position  of  the  water level  in  T  can  be  read  by  means  of  a  side  tube  C  and  a  scale  S. \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 Determination  of  the  speed  of  sound  in  air  by  resonance  tube First of all the water reservoir B is raised until the water level in the tube T rises almost to the top of the tube. Then the pinch–cock P is tightened and the reservoir B is lowered. The water level in T stays at the top. Now a tuning fork is sounded and held over the mouth of tube .The pinch–cock P is opened slowly so that the water level in T fal l s a nd t he l engt h  of  t he ai r–c ol umn i ncreas e s . At a p ar t ic ular l engt h  o f air–co lum n i n T,  a lou d sou nd  is  hear d. This is the first state of resonance. In this position the following phenomenon takes place inside the tube. (i)  For  first  resonance   =  /4 1 (ii)  For  second  resonance   =  3/4     –    =   /2      =  2(   –  ) 2 2 1 2 1 If  the  frequency  of  the  fork  be  n  and  the  temperature  of  the  air-column  be  toC,  then  the  speed  of  sound  at  toC is  given  by v  =  n  =  2n  (   –  ) t 2 1 The  speed  of  sound  wave  at  0oC v   =  (v   –  0.61  t)  m/s. 0t E 19

JEE-Physics End  Correction    :  In  the  resonance  tube,  the  antinode  is  not  formed  exactly  at  the  open  but  slightly  outside  at a  distance  x.  Hence  the  length  of  the  air  -column  in  the  first  and  second  states  of  resonance  are  (l   +  x)  and 1 (   +  x)  then   +  x  =  /4     ..........(i)         2 1 ( i ) For  first  resonance (ii) For  second  resonance   +  x  =  3/4  ...........(ii)) 2 Subtract  Equation  (ii)  from  Equation  (i)   –    =  /2 2 1   =  2  ( – ) 21 Put  the  value  of    in  Equation  (i)    +  x  =  2(2  1 ) 1 4      +  x  =  2  1    x  2  31 1 2 2 B E AT S When  two  sound  waves  of  same  amplitude       travelling  in  same  direction  with  slightly  different y1 frequency  superimpose,  then  intensity  varies periodically  with  time.  This  effect  is  called  Beats. Suppose  two  waves  of  frequencies  f   and  f   (<f ) 1 21 are  meeting  at  some  point  in  space.  The y2 corresponding  periods  are  T   and  T   (>T ).  If y1 & y2 1 21 the  two  waves  are  in  phase  at  t=0,  they  will again  be  in  phase  when  the  first  wave  has  gone through  exactly  one  more  cycle  than  the  second. This  will  happen  at  a  time  t=T,  the  period  of the  beat.  Let  n  be  the  number  of  cycles  of  the first  wave  in  time  T,  then  the  number  of  cycles y of  the  second  wave  in  the  same  time  is (n–1).  Hence, T  =  nT =  (n–1)  T 12 Eliminating  n  we  have  T  T1 T2  1  1 1 f  T  f1  f2 T2  T1 1  1 f1  f2 T1 T2 The  reciprocal  of  the  beat  period  is  the  beat  frequency Waves  Inter ference  On  The  Bases  Of  Beats  : \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 Conditions %Two  equal  frequency  waves  travel  in  same  direction. Mathematical  analysis If  displacement  of  first  wave y1  =  a  sin  1t       (N1  ,  a) I    N2a2 Displacement  of  second  wave y  =  a  sin  2t       (N ,  a) 2 2  By  superposition y  =  y +  y 1  2 Equation  of  resulting  wave  y  =  a  {sin  2N1t  +  sin  2  N t} 2 20 E

JEE-Physics 2 sin 2 t (N1  N2 ) cos 2t (N1  N 2 )  2a cos 2t (N1  N2 ) (N1  N2 )  2 2   2  2 y  =  a   =     sin  2t      =  A  sin  2N't  N1  N2    =  2a  t    (N   –  N)           Frequency N' =  N1  N 2 Amplitude A  =  2a  Cos  2t      cos  1 2 2 2 • For  max  Intensity  (  A  =  ±    2a  ):  – If  cos    (N   –  N )  t =    ±  1     cos   (N   –  N )  t  =  cos  n ,  n  =  0,  1,  2,  ......... 1 2 1 2 n 123   (N1  –  N2)t =  n    t  =  N1  N2   =  0,  N ,  N ,  N ............. • For  Minimum  Intensity  (A    =    0)  :  cos   (N   –  N )  t    =    0   cos   (N   –  N )  t  =  cos  (2n  +  1)           n  = 0,  1,  2 ............. 1 2 1 2 2  2n 1 135   (N   –  N )  t    =    (2n  +  1)  2     t  =  2(N1  N2) =  2 N ,  2 N ,  2 N     ............. 1 2 GOLDEN  KEY  POINTS\\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 •  When  we  added  wax  on  tuning  fork  then  the  frequency  of  fork  decreases. •  When  we  file  the  tuning  fork  then  the  frequency  of  fork  increases. Example A  tuning  fork  having  n  =  300  Hz  produces  5  beats/s  with  another  tuning  fork.  If  impurity  (wax)  is  added  on  the arm  of  known  tuning  fork,  the  number  of  beats  decreases  then  calculate  the  frequency  of  unknown  tuning  fork. Solution The  frequency  of  unknown  tuning  fork  should  be  300  +  5  =  295  Hz  or  305  Hz. When  wax  is  added,  if  it  would  be  305  Hz,  beats  would  have  increases  but  with  295 Hz  beats  is  decreases  so frequency  of  unknown  tuning  fork  is  295  Hz. Example A  tuning  fork  having  n  =  158  Hz,  produce  3  beats/s  with  another.  As  we  file  the  arm  of  unknown,  beats become  7  then  calculate  the  frequency  of  unknown. Solution The  frequency  of  unknown  tuning  fork  should  be  158  ±  3  =  155  Hz  or  161  Hz. After  filling  the  number  of  beats  =  7  so  frequency  of  unknown  tuning  fork  should  be 158  ±  7  =  165  Hz  or  151  Hz. As  both  above  frequency  can  be  obtain  by  filing  so  frequency  of  unknown  =  155/161  Hz. SPECIAL  POINTS 1. Displacement  and  pressure  waves A  sound  wave  (i.e.  longitudinal  mechanical  wave)  can  be  described  either  in  terms  of  the  longitudinal  displace- ment  suffered  by  the  particles  of    the  medium  (called  displacement-wave)  or  in  terms  of  the  excess  pressure generated  due  to  compression  and  rarefaction  (called  pressure-wave).  Consider  a  sound  wave  travelling  in  the x-direction  in  a  medium.  Suppose  at  time  t,  the  particle  at  the  undisturbed  position  x  suffers  a  displacement  y in  the  x-direction.  The  displacement  wave  then  will  be  described  by y  =  A  sin  (t  –  kx)  ...(i) E 21

JEE-Physics Now  consider  the  element  of  medium  which  is  confined  with  in  x  and  x+x  in  the  undisturbed  state.  If  S  is  the cross-section,  the  volume  element  in  undisturbed  state  will  be  V  =  S  x.  As  the  wave  passes  the  ends  at  x  and x  +x are  displaced  by  amount  y  and  y  +  y  so  that  increase  in  volume  of    the  element  will  be  V  =  S  y. This  in  turn  implies  that  volume  strain  for  the  element  under  consideration    V  S y  y ...  (ii) V S x x So  corresponding  stress,  i.e.  excess  pressure P  B  V  a s  B  V P  V P   or    P  B y   [From  equation  (ii))  ...  (iii)  V  V V  x Note:  For  a  harmonic  -progressive  -  wave  from    dy  v pa , P  B dy  B  vp a  dx v dx  v    i.e.  pressure  in  a  sound  wave  is  equal  to  the  product  of  elasticity of  gas  with  the  ratio  of  particle  speed  to  wave  speed. y  Ak cos(t  kx) so T/2 T x x s But  from  equation  (i) So P  =  AkB  cos  (t  –  kx) i.e. P=  P  cos  (t  –  kx)    ...(iv) po with 0 p From  equation P0  =  ABk ...(iv) x (i)  and  (iv)  it  is  clear  that • A  sound  wave  may  be  considered  as  either  a  displacement  wave y  =  A  sin  (t  -  kx)  or  a  pressure  wave        P  =  P   cos(t  –  kx)  . 0  • The  pressure  wave  is  900  out  of  phase  with  respect  to  displacement  wave,  i.e,  displacement  will    be  maximum when  pressure  is  minimum  and  vice-versa.  This  is  shown  in  figure • The  amplitude  of  pressure  wave:–    P   =  ABk  =  Akv2 =    vA  [as  v   B /  ,  v  =  /k]  ...(v) 0 • As  sound-sensors  (e.g.  ear  or  mic)  detects  pressure  changes,  description  of  sound  as  pressure-wave  is  pre- ferred  over  displacement  wave. 2. Ultrasonic,  Infrasonic  and  Audible  (sonic)  Sound  : \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 Sound  waves  can  be  classified  in  three  groups  according  to  their  range  of  frequencies. • Infrasonic  Waves Longitudinal  waves  having  frequencies  below  20  Hz  are  called  infrasonic  waves.  They  cannot  be  heard  by human  beings.  They  are  produced  during  earthquakes.  Infrasonic  waves  can  be  heard  by  snakes. • Audible  Waves Longitudinal  waves  having  frequencies  lying  between  20-20,000  Hz  are  called  audible  waves. • Ultrasonic  Waves Longitudinal  waves  having  frequencies  above  20,000  Hz  are  called  ultrasonic  waves.  They  are  produced and  heard  by  bats.  They  have  a  large  energy  content. • Applications  of    Ultrasonic  Waves Ultrasonic  waves  have  a  large  range  of  application.  Some  of  them  are  as  follows: (i) The  fine  internal  cracks  in  metal  can  be  detected  by  ultrasonic  waves. (ii) Ultrasonic  waves  can  be  used  for  determining  the  depth  of  the  sea,  lakes  etc. (iii) Ultrasonic  waves  can  be  used  to  detect  submarines,  icebergs  etc. (iv) Ultrasonic  waves  can  be  used  to  clean  clothes,  fine  machinery  parts  etc. (v) Ultrasonic  waves  can  be  used  to  kill  smaller  animals  like  rates,  fish  and  frogs  etc. 22 E

JEE-Physics • Shock  Waves If the speed of the body in air is greater than the speed of the sound, then it is called supersonic speed. Such a body leaves behind a conical region of disturbance which spreads continuously. Such a disturbance is called a ' S h o c k  Wave ' .  T h i s  wave c ar r i e s  h u ge energ y.  If  i t str i ke s  a b u i l d i ng ,  t hen t he bu i l d i ng  m ay  b e d am ag ed . 3. Sound  intensity  in  decibels The  physiological  sensation  of  loudness  is  closely  related  to  the  intensity  of  wave  producing  the  sound.  At  a frequency  of  1  kHz  people  are  able  to  detect  sounds  with  intensities  as  low  as  10–12W/m2.  On  the  other  hand an  intensity  of  1  W/m2  can  cause  pain,  and  prolonged  exposure  to  sound  at  this  level  will  damage  a  person's ears.  Because  the  range  in  intensities  over  which  people  hear  is  so  large,  it  is  convenient  to  use  a  logarithmic scale  to  specify  intensities.  If  the  intensity  of  sound  in  watts  per  square  meter  is  I,  then  the  intensity  level    in decibels  (dB)  is  given  by I   10 log I0 where  the  base  of  the  logarithm  is  10,  and  I   =10–12  W/m2  (roughly  the  minimum  intensity  that  can  be  heard). 0 1 On  the  decibel  scale,  the  pain  threshold  of  1  W/m2  is  then     10 log 1012  120dB Example Calculate  the  change  in  intensity  level  when  the  intensity  of  sound  increases  by  106  times  its  original  intensity. Solution Here I  Final intensity  106   I0 Initial intensity I (106)  Increase  in  intensity  level, L  =  10  log      =  10  log   =  10  ×  log 10  =  10  ×  6  ×  1  =  60  decibels. 10  I0  10 10 ECHO Multiple  reflection  of  sound  is  called  an  echo.  If  the  distance  of  reflector  from  the  source  is  d  then, 2d  vt Hence,  v =  speed  of  sound  and  t,  the  time  of  echo. d  vt 2 Since,  the  effect  of  ordinary  sound  remains  on  our  ear  for  1\\10  second,  therefore,  if  the  sound  returns  to  the starting  point  before  1/10  second,  then  it  will  not  be  distinguished  from  the  original  sound  and  no  echo  will  be heard.  Therefore,  the  minimum  distance  of  the  reflector  is,  d min  vt   330   1   16.5m 2  2   10  ACOUSTIC  DOPPLER  EFFECT  (DOPPLER  EFFECT  FOR  SOUND  WAVES) \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 The  apparent  change  in  the  frequency  of  sound  when  the  source  of  sound,  the  observer  and  the  medium  are in  relative  motion  is  called  Doppler  effect.  While  deriving  these  expressions,  we  make  the  following  assumptions (i) The  velocity  of  the  source,  the  observer  and  the  medium  are  along  the  line  joining  the  positions  of  the source  and  the  observer. (ii) The  velocity  of  the  source  and  the  observer  is  less  than  velocity  of  sound. Doppler  effect  takes  place  both  in  sound  and  light.  In  sound  it  depends  on  whether  the  source  or  observer  or both  are  in  motion  while  in  light  it  depends  on  whether  the  distance  between  source  and  observer  is  increasing or  decreasing. NOTATIONS n      actual  frequency n'    observed  frequency  (apparent  frequency)     actual  wave  length '    observed  (apparent)  wave  length v     velocity  of  sound vs   velocity  of  source v    velocity  of  observer v    wind  velocity 0 w E 23

JEE-Physics Case  I  :  Source  in  motion,  observer    at  rest,  medium  at  rest  : n waves S OS n n n'=n (rest) (rest) v both source and observer at rest Suppose  the  source  S  and  observer  O  are  separated  by  distance  v.  Where  v  is  the  velocity  of  sound.  Let  n  be the  frequency  of  sound  emitted  by  the  source.  Then  n  waves  will  be  emitted  by  the  source  in  one  second.  These n  waves  will  be  accommodated  in  distance  v. So,  wave  length      = total distance = v total number of waves n (i) Source  moving  towards  stationary  observer  : Let  the  sources  start  moving  towards  the  observer  with  velocity  v .  After  one  second,  the  n  waves  will  be s crowded  in  distance  (v  –  v ).  Now  the  observer  shall  feel  that  he  is  listening  to  sound  of  wavelength  '  and s frequency  n' v S S' O S vS O vS n n' (moving) (rest) v–vS Now  apparent  wavelength '  =  total distance =  v  vs total number of waves n v v v and  changed  frequency, n'  = =  = n  v ' v  v   v s   n s  So,  as  the  source  of  sound  approaches  the  observer  the  apparent  frequency  n'  becomes  greater  than the  true  frequency  n. (ii) When  source  move  away  from  stationary  observer  :- For  this  situation  n  waves  will  be  crowded  in  distance  v  +  v . s v+vS \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 S' S O vS S O vS n n' (moving) (rest) So,  apparent  wavelength ' =  v  v s and n Apparent  frequency n'  =  v   =   v v  =   v vs  '   n  vs      So  n' < n  vs  n  24 E

JEE-Physics Case  II  :  Observer  in  motion,  source  at  rest,  medium  at  rest Let  the  source  (S)  and  observer  (O)  are  in  rest  at  their  respective  places.  Then  n  waves  given  by  source  'S'  would be  crossing  observer  'O'  in  one  second  and  fill  the  space  OA  (=v) v SO A S O n n'=n (rest) (rest) both source S and O at rest (i) Observer  moves  towards  stationary  source v + vo S A S vO O O' O n n' (rest) (moving) vo v When  observer  'O'  moves  towards  'S'  with  velocity  v ,  it  will  cover  v   distance  in  one  second.  So  the oo observer  has  received  not  only  the  n  waves  occupying  OA  but  also  received  additional  number  of  n waves  occupying  the  distance  OO'  (=  v ). o So,  total  waves  received  by  observer  in  one  second    i.e.,  apparent  frequency    (n')  =  Actual  waves  (n)  + Additional  waves  (n) v vo v  vo n  v  vo     v    v  n  n'  =    =  v n   =     (so,  n'  >  n) (ii) Observer  moves  away  from  stationary  source  :- For  this  situation  n  waves  will  be  crowded  in  distance  v  –  v . o vvo \\\\node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-6\\Wave Motion\\Eng\\Theory.p65 S O S O vo O O' n n' (rest) vo v When  observer  move  away  from  source  with  v  velocity  then  he  will  get  n  waves  less  than  real  number o of  waves.  So,  total  number  of  waves  received  by  observer  i.e. Apparent  frequency  (n')  =  Actual  waves  (n)  –  reduction  in  number  of  waves  (n) n'  =  v  vo =  v  vo   =  v  vo =  v  vo  n    v  (so n' <  n)     v  n  v n   E 25


Like this book? You can publish your book online for free in a few minutes!
Create your own flipbook