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#9 Solve  with  regards  to  significant  figure (i)  908  +  2.76 (ii)  999  –  989 (iii)  4.0  ×  10–4 –  2.5  ×  10–6 (iv)  4.0  ×  10–4 –  2.5  ×  10–5 (v)  6.75  ×  103 +  4.52  ×  102 (vi)  625  ÷  125 Solution                                                Ans.  (i)  911 (ii)  10.0 (iii)  4.0 ×  10–4    (iv)  3.8 ×  10–4   (v) 7.20  × 103  (vi)  5.00 Example#10 A  scale  is  calibrated  to  centimeters  and  the  following  measurements  are  estimated  by  the  scale.  Find  out  the significant  digits. (i)  200  m (ii)  92.80  m (iii)  80.26  m (iv)  8.23  cm (v)  8.921  mm (vi)  6.001  m Solution Ans.  (i)  3  (ii)  4  (iii)  4  (iv)  2  (v)  1  (vi)  4 Example#11 Ans.  (4.0  ±  0.3)  ms–2 An  object  covers  (16.0  ±  0.4)  m  distance  in  (4.0  ±  0.2)  s.  Find  out  its  speed. Solution Speed  v  =  distance =  16.0 =  4.0  m/s;  Error  in  speed  v    s  t  v   0.4  0.2  4.0   0 .3  m /s time 4.0  s t   16.0 4.0  Example#12 Students  I ,  J ,J   and  I   perform  an  experiment  for  measuring  the  acceleration  due  to  gravity  (g)  using  a  simple 1 13 2 pendulum.  they  use  different  lengths  of  the  pendulum  and  record  time  for  different  number  of  oscillations.  The observations  are  shown  in  the  table.  Least  count  for  length  =  0.1  cm,  Least  count  for  time  =  1s Students Length of the  No. of  Time period  pendulum (cm) oscillations (n) of pendulum (s) I 1 100.0 20 20 400.0 10 40 J1 100.0 10 20 J 400.0 20 40 3 I 2 If  P ,P ,P   and  P   are  the  %  error  in  g  for  students  I ,J ,J   and  I   respectively  then- 123 4 113 2 (A)  P   =  P (B)  P   is  maximum (C)  P   is  minimum (D)  P   =  P 13 3 4 24 Solution Ans.  (B,C) T  2    g    T–2  =  g    2T . g g  T Therefore  P     2 T  1 00    P1   0.1  2(1)  ×  100  =  0.6%,  P2   0.1  2(1)  ×  100  =  0.42%   T   100 400   400 400  P3   0.1  2(1)  ×  100  =  1.1%,  P4   0.1  2(1)  ×  100  =  0.28% NODE6\\E\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-12\\Practical Physics\\Eng\\Sheet.p65  100 200   400 800  Example#13 The  length  of  a  cylinder  is  measured  with  a  metre  rod  having  least  count  0.1  cm.  Its  diameter  is  measured  with vernier  callipers  having  least  count  0.01  cm.  Given  the  length  is  5.0  cm  and  diameter  is  2.00  cm.  Find  the percentage  error  in  the  calculated  value  of  volume. Solution Ans.  3 V  =  r2h   D 2h  V  2 D  h   V  100  2   0.01    0.1    100 =  3% 4 V D h V   2.00   5.0    20 E

EXERCISE–1 JEE-Physics CHECK YOUR GRASP MCQ's  (only  one  correct  answer) 1 . Significant  figures  in  3400  are- (A)  2 (B)  5 (C)  6 (D)   7 2 . The  percentage  errors  in  the  measurement  of  mass  and  speed  are  2%  and  3%  respectively.  How  much  will  be the  maximum  error  in  the  estimate  of  kinetic  energy  obtained  by  measuring  mass  and  speed  ? (A)  11% (B)  8% (C)  5% (D)  1% 3 . The  density  of  a  cube  is  measured  by  measuring  its  mass  and  the  length  of  its  side.  If  the  maximum  errors in  the  measurement  of  mass  and  length  are  4%  and  3%  respectively,  the  maximum  error  in  the  measurement of  the  density  is  - (A)  9% (B)  13% (C)  12% (D)  7% ab2 4 . An  experiment  measures  quantities  a,  b  and  c,  and  X  is  calculated  from  X  = c3 .  If  the  percentage  error  in  a, b  and  c  are  ±1%,  ±3%  and  ±2%  respectively,  the  percentage  error  in  X  will  be  – (A)  ±13% (B)  ±7% (C)  ±4% (D)  ±1% 5 . If  error  in  measuring  diameter  of  a  circle  is  4%,  the  error  in  the  radius  of  the  circle  would  be (A)  2% (B)  8% (C)  4% (D)  1% 6 . If  a,  b,  c  are  the  percentage  errors  in  the  measurement  of  A,  B  and  C,  then  percentage  error  in  ABC  would  be approximately  - (A)  abc (B)  a  +  b  +  c (C)  ab  +  bc  +  ac abc (D)    bca 7 . The  diameter  of  a  wire  is  measured  with  a  screw  gauze  having  least  count  0.01  mm.  Which  of  the  following correctly  expresses  the  diameter  – (A)  0.20  cm (B)  0.002  m (C)  2.00  mm (D)  0.2  cm 8 . While  measuring  acceleration  due  to  gravity  by  a  simple  pendulum  a  student  makes  a  positive  error  of  1%  in  the length  of  the  pendulum  and  a  negative  error  of  3%  in  the  value  of  the  time  period.  His  percentage  error  in  the measurement  of  the  value  of  g  will  be  - (A)  2% (B)  4% (C)  7% (D)  10% 9 . A  student  measured  the  diameter  of  a  wire  using  a  screw  gauge  with  least  count  0.001  cm  and  listed  the measurements.  The  correct  measurement  is  – (A)  5.3  cm (B)  5.32  cm (C)  5.320  cm (D)  5.3200  cm 1 0 . The  pressure  on  a  square  plate  is  measured  by  measuring  the  force  on  the  plate  and  the  length  of  the  sides  of the  plate.  If  the  maximum  error  in  the  measurement  of  force  and  length  are  respectively  4%  and  2%,  the maximum  error  in  the  measurement  of  pressure  is  – (A)  1% (B)  2% (C)  6% (D)  8% NODE6\\E\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-12\\Practical Physics\\Eng\\Sheet.p65 1 1 . When  a  copper  sphere  is  heated,  maximum  percentage  change  will  be  observed  in– (A)  radius (B)  area (C)  volume (D)  none  of  these 1 2 . The  period  of  oscillation  of  a  simple  pendulum  in  the  experiment  is  recorded  as  2.63s,  2.56s,  2.42s,  2.71s  and 2.80s  respectively.  The  average  absolute  error  is (A)  0.1s (B)  0.11s (C)  0.01s (D)  1.0s 1 3 . The  significant  digits  in  200.40  are (A)  4 (B)  5 (C)  2 (D)  3 14. A  scientist  performs  an  experiment  in  order  to  measure  a  certain  physical  quantity  and  takes  100  observations. E He  repeats  the  same  experiment  and  takes  400  observations,  by  doing  so (A)  The  possible  error  remains  same (B)  The  possible  error  is  doubled (C)  The  possible  error  is  halved (D)  The  possible  error  is  reduced  to  one  fourth 21

JEE-Physics 1 5 . A  quantity  is  represented  by  X  =  Ma  Lb  Tc.  The  percentage  error  in  measurement  of  M,  L  and  T  are  %,     % and   %  respectively.  The  percentage  error  in  X  would  be (A)  ( a  +  b  +  c)    % (B)  (a  –  b  +  c)  % (C)  ( a  –  b–  c)  % (D)  None  of  these 1 6 . If  error  in  measuring  diameter  of  a  circle  is  4  %,  the  error  in  circumference  of  the  circle  would  be :- (A)  2% (B)  8% (C)  4% (D)  1% 1 7 . A  wire  has  a  mass  (0.3±0.003)  g,  radius  (0.5±0.005)  mm  and  length  (6  ±  0.06)  cm.  The  maximum  percentage error  in  the  measurement  of  its  density  is  – (A)  1 (B)  2 (C)  3 (D)  4 1 8 . The  length  of  a  cylinder  is  measured  with  a  metre  rod  having  least  count  0.1  cm.  Its  diameter  is  measured  with vernier  callipers  having  least  count  0.01  cm.  Given  the  length  is  5.0  cm  and  diameter  is  2.00  cm.  The  percentage error  in  the  calculated  value  of  volume  will  be  – (A)  2% (B)  1% (C)  3% (D)  4% 1 9 . The volume of a sphere is 1.76 cm3.  The volume of 25 such spheres taking into account the significant figure is- (A)  0.44  ×  102  cm3 (B)  44.0  cm3 (C)  44  cm3 (D)  44.00  cm3 2 0 . What  is  the  fractional  error  in  g  calculated  from  T  2    ?  Given  that  fractional  errors  in  T  and    are  ±  x  and g ±  y  respectively. (B) x  – y (C)  2x  +  y (D)  2x  –  y) (A)  x  +  y 2 1 . The  resistance  is  R  V   where  V  =  100  ±  5  Volts  and  I  =  10  ±  0.2  amperes.  What  is  the  total  error  in  R  ? I (A)  5% (B)  7% (C)  5.2% (D)   5  %  2  22 . The  length,  breadth  and  thickness  of  a  strip  are  (10.0  ±  0.1)cm,  (1.00  ±  0.01)  cm  and (0.100  ±  0.001)  cm  respectively.  The  most  probable  error  in  its  volume  will  be (A)  ±  0.03  cm3 (B)  ±  0.111  cm3 (C)  ±  0.012  cm3 (D)  none  of  these 2 3 . The  external  and  internal  radius  of  a  hollow  cylinder  are  measured  to  be  (4.23  ±  0.01)  cm  and  (3.89  ±  0.01) cm.  The  thickness  of  the  wall  of  the  cylinder  is  :- (A)  (0.34  ±  0.02)cm (B)  (0.17  ±  0.02)cm (C)  (0.17  ±  0.01)cm (D)  (0.34  ±  0.01)cm 2 4 . The  radius  of  a  disc  is  1.2  cm.  Its  area  according  to  idea  of  significant  figures,  will  be  given  by:- (A)  4.5216  cm2 (B)  4.521  cm2 (C)  4.52  cm2 (D)  4.5  cm2 2 5 . The  length  ,  breadth  b  and  thickness  t  of  a  block  of  wood  were  measured  with  the  help  of  a  measuring scale.  The  results  with  permissible  errors  are   =  15.12    0.01  cm,  b  =  10.15    0.01  cm,  t  =  5.28   0.01  cm.  The  percentage  error  in  volume  upto  proper  significant  figures  is  – NODE6\\E\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-12\\Practical Physics\\Eng\\Sheet.p65 (A)  0.28% (B)  0.36% (C)  0.48  % (D)  0.64% 2 6 . The  following  observations  were  taken  for  determining  surface  tension  of  water  by  capillary  tube  method: Diameter  of  capillary  D  =  1.25  ×  10–2  m  Rise  of  water  in  capillary,  h  =  1.45  ×  10–2  m.  Taking  g  =  9.80 m/s2  and  using  the  relation  T  =  (rhg/2)  ×  103  N/m,  what  is  the  possible  error  in  surface  tension.  T– (A)  0.16% (B)  1.6% (C)  16% (D)  2.4% 2 7 . The  least  count  of  a  stop  watch  is  1/5  sec.  The  time  of  20  oscillations  of  a  pendulum  is  measured  to  be 25  s.  What  is  the  maximum  percentage  error  in  this  measurement (A)  8% (B)  1% (C)  0.8% (D)  16% 2 8 . The  area  of  a  rectangle  of  size  1.23  ×  2.345  cm  is (A)  2.88  cm2 (B)  2.884  cm2 (C)  2.9  cm2 (C)  2.88435  cm2 22 E

JEE-Physics 2 9 . What  is  vernier  constant (A)  It  is  the  value  of  the  one  main  scale  division  by  the  total  number  of  divisions  on  the  main  scale. (B)  It  is  the  value    of  one  vernier  scale  division  divided  by  the  total  number  of  division  on  the  vernier  scale. (C)  It  is  the  difference  between  value  of  one  main  scale  division  and  one  vernier  scale  division (D)  It  is  not  the  least  count  of  vernier  scale. 3 0 . The  vernier  of  a  circular  scale  is  divided  into  30  divisions  which  coincide  against  29  divisions  of  main  scale. Each  main  scale  division  is  0.5°.  The  least  count  of  the  instrument  is  – (A)  10' (B)  0.1' (C)  1' (D)  30' 3 1 . What  is  the  reading  of  micrometer  screw  gauge  shown  in  figure 012 35 mm 30 25 (A)  2.30  mm (B)  2.29  mm (C)  2.36  mm (D)  2.41  mm 3 2 . In  a  vernier  calliper,  N  divisions  of  vernier  scale  coincide  with  (N  –  1)  divisions  of  main  scale  (in  which  1  division represents  1mm).  The  least  count  of  the  instrument  in  cm.  should  be (A)  N (B)  N  –  1 1 1 (C)  10N (D)  N  1 3 3 . A  vernier  callipers  having  1  main  scale  division  =  0.1  cm  is  designed  to  have  a  least  count  of  0.02  cm.  If  n  be  the number  of  divisions  on  vernier  scale  and  m  be  the  length  of  vernier  scale,  then (A)  n=  10,  m  =  0.5  cm (B)  n=9,  m=  0.4  cm (C)  n=10,  m  =  0.8  cm (D)  n=10,  m=  0.2  cm 3 4 . In  a  vernier  callipers,  N  divisions  of  the  main  scale  coincide  with  N+m  divisions  of  the  vernier  scale.  What  is  the value  of  m  for  which  the  instrument  has  minimum  least  count? (A)  1 (B)  N (C)  infinity (D)  N/2 3 5 . In  a  vernier  callipers  the  main  scale  and  the  vernier  scale  are  made  up  different  materials.  When  the  room temperature  increases  by  T°C,  it  is  found  the  reading  of  the  instrument  remains  the  same.  Earlier  it  was observed  that  the  front  edge  of  the  wooden  rod  placed  for  measurement  crossed  the  Nth  main  scale  division  and N+2  MSD  coincided  with  the  2nd  VSD.  Initially,  10  VSD  coincided  with  9  MSD.  If  coefficient  of  linear  expansion of  the  main  scale  is  1  and  that  of  the  vernier  scale  is  2  then  what  is  the  value  of    2?  (Ignore  the  expansion of  the  rod  on  heating) (A)  1.8  /N (B)  1.8/  (N+3.8) (C)  1.8/  (N–2) (D)  1.8/N+2 3 6 . Consider  the  MB  shown  in  the  diagram,  let  the  resistance  X  have  temperature      coefficient  1  and  the  resistance from  the  RB  have  the  temperature  coefficient  2.  Let  the  reading  of  the  meter  scale  be  10  cm  from  the  LHS. If  the  temperature  of  the  two  resistance  increase  by  small  temperature  T  then  what  is  the  shift  in  the  position of  the  null  point?  Neglect  all  the  other  changes  in  the  bridge  due  to  temperature  rise A X B C90 D G NODE6\\E\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-12\\Practical Physics\\Eng\\Sheet.p65 (A)  9(1  -  2)T E OF (D)  1/9  (1  -  2)T 10cm (C)  1/9  (1  +  2)T (B)  9  (1  +  2)T 3 7 . For  a  post  office  box,  the  graph  of  galvanometer  deflection  versus  R  (resistance        pulled  out  of  RB)  for  the  ratio 100  :  1  is  given  as  shown.  A  careless  student  pulls  out  two  non  consecutive  values  R  marked  in  the  graph.  Find the  value  of  unknown  resistance Deflection  (in division) (A)  3.2  ohm 5 326 R (D)  None 320 E -3 (C)  3.206  ohm (B)  3.24  ohm 23

JEE-Physics 3 8 . Identify  which  of  the  following  diagrams  represent  the  internal  construction  of  the  coils  wound  in  a  resistance  box or  PO  box  ? P P P P (C)  (A)  (B)  (D)  3 9 . In  a  meter  bridge  set  up,  which  of  the  following  should  be  the  properties  of  the  one  meter  long  wire? (A)  High  resistivity  and  low  temperature  coefficient           (B)  Low  resistivity  and  low  temperature  coefficient (C)  low  resistivity  and  high  temperature  coefficient           (D)  High  resistivity  and  high  temperature  coefficient MCQ's  (Multiple  correct  answer) 4 0 . In  the  Searle's  experiment,  after  every  step  of  loading,  why  should  we  wait  for  two  minutes  before  taking  the readings?  (More  than  one  correct (A)  So  that  the  wire  can  have  its  desired  change  in  length  (B)  So  that  the  wire  an  attain  room  temperature (C)  So  that  vertical  oscillations  can  get  subsided           (D)  So  that  the  wire  has  no  change  in  its  radius Comprehension Internal  micrometer  is  a  measuring  instrument  used  to  measure  internal    diameter  (ID)  of  a  large  cylinder  bore with  high  accuracy.  Construction  is  shown  in  figure.  There  is  one  fixed  rod  B  (to  the  right  in  figure)  and  one moving  rod  A  (to  the  left  in  figure).  It  is  based  on  the  principle  of  advancement  of  a  screw  when  it  is  rotated  in  a nut  with  internal  threads.  Main  scale  reading  can  be  directly  seen  on  the  hub  which  is  fixed  with  respect  to  rod B.  When  the  cap  is  rotated,  rod  A  moves  in  or  out  depending  on  direction  of  rotation.  The  circular  scale  reading is  seen  by  checking  which  division  of  circular  scale  coincides  with  the  reference  line. Cap Ratchet Main scale A 5 B P Q 0 0 10 45 Hub Circular scale Internal diameter (being measured) This  is  to  be  multiplied  by  LC  to  get  circular  scale  reading. NODE6\\E\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-12\\Practical Physics\\Eng\\Sheet.p65 pitch Least  count  =  value  of  1  circular  scale  division   number of division on circular scale Length  of  rod  A  is  chosen  to  match  the  ID  (PQ)  to  be  measured.  Zero  error  is  checked  by  taking  reading between  standard  blocks  fixed  at  nominal  value  of  ID  to  be  measured.  Zero  error  is  positive  if  cap  end  is  on  the right  side  of  the  main  scale  and  negative  it  is  on  the  left  side. Zero error checking Standard blocks 1 . In  an  internal  micrometer,  main  scale  division  is  of  0.5  mm  and  there  are  50  divisions  in  circular  scale.  The  least count  of  the  instrument  is  - (A)  0.005  mm (B)  0.001  mm (C)  0.05  mm (D)  0.01  mm 2 . In  the  above  instrument,  while  measuring  an  internal  diameter.  ID  is  set  of  321  mm  with  no  zero  error.  If  cap  end is  after  7th  division  and  17th  division  of  main  scale  coincides  with  the  reference  line,  the  ID  is- 24 E

JEE-Physics (A)  321.  717  mm (B)  321.87  mm (C)  328.17  mm (D)  324.67  mm 3 . During  zero  setting  of  the  above  instrument,  the  end  of  the  cap  is  on  left  side  of  the  zero  of  main  scale  (i.e.  zero of  main  scale  is  not  visible)  and  41st  division  of  circular  scale  coincides  with  the  reference  line,  the  zero  error  is- (A)  –0.09  mm (B)  +0.41  mm (C)  –0.41  mm (D)  +0.09  mm Subjective  Questions 1 . In  a  given  slide  callipers  10  division  of  its  vernier  coincides  with  its  9  main  scale  divisions.  If  one  main  scale division  is  equal  to  0.5  mm  then  find  its  least  count. 2 . Consider  a  home  made  vernier  scale  as  shown  in  the  figure.  In  this  diagram,  we  are  interested  in  measuring  the length  of  the  line  PQ.  If  both  the  inclines  are  identical  and  their  angles  are  equal  to    then  what  is  the  least  count of  the  instrument. P Q 3 . The  pitch  of  a  screw  gauge  is  l  mm  and  there  are  50  divisions  on  its  cap.  When  nothing  is  put  in  between  the studs,  44th  division  of  the  circular  scale  coincides  with  the  reference  line  zero  of  the  main  scale  is  not  visible. When  a  glass  plate  is  placed  between  the  studs,  the  main  scale  reads  three  divisions  and  the  circular  scale  reads 26  divisions.  Calculate  the  thickness  of  the  plate. 4 . A  short  circuit  occurs  in  a  telephone  cable  having  a  resistance  of  0.45  m-1  .  The  circuit  is  tested  with  a Wheatstone  bridge.  The  two  resistors  in  the  ratio  arms  of  the  Wheatstone  bridge  network  have  values  of  100 and  1110    respectively.  A  balance  condition  is  found  when  the  variable  resistor  has  a  value  of  400.  Calculate the  distance  down  the  cable,  where  the  short  has  occurred. 5 . A  glass  prism  of  angle  A  =  60°  gives  minimum  angle  of  deviation    =  30°  with  the  maximum  error  of  1°  when a  beam  of  parallel  light  passed  through  the  prism  during  an  experiment.  Find  the  permissible  error  in  the measurement  of  refractive  index    of  the  material  of  the  prism. 6 . In  a  given  optical  bench,  a  needle  of  length  10  cm  is  used  to  estimate  bench  error.  The  object  needle,  image needle  &  lens  holder  have  their  reading  as  shown.  x   =  1.1  cm;  x   =  0.8  cm;  x   =  10.9  cm 01L Estimate  the  bench  errors  which  are  present  in  image  needle  holder  and  object  needle  holder.  Also  find  the  focal length  of  the  convex  lens  when  x   =  0.6  cm  ;  x   =  22.5  cm;  x   =  11.4  cm 0I L 7 . Consider  S  =  x  cos  ()  for  x  =  (2.0  ±  0.2)  cm,    =  53  ±  2°.  Find  S. NODE6\\E\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-12\\Practical Physics\\Eng\\Sheet.p65 ANSWER  KEY Single  Choice  Questions  : 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 ABBACBCCCDCBBDAC 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 DC DC B A ADB B CA CC AC 33 34 35 36 37 38 39 40 C A B A B D A ABC Comprehension  : 1.  D 2.  D 3.  A Subjective  Questions  : 1.  0.05  mm  2.  LC   1  cos     3.  R   =  3.64  mm 4.40m      5.  5 %  cos   t 18 E 6.    5.5  ±  0.05  cm          7.  S  =  (1.2  ±  0.18)  cm 25

JEE-Physics EXERCISE–2(A) PREVIOUS YEARS QUESTIONS 1 . The  'rad'  is  the  correct  unit  used  to  report  the  measurement  of  : [AIEEE  -  2006] (1)  the  ability  of  a  beam  of  gamma  ray  photons  to  produce  ions  in  a  target (2)  the  energy  delivered  by  radiation  to  a  target (3)  the  biological  effect  of  radiation (4)  the  rate  of  decay  of  a  radioactive  source 2 . An  experiment  is  performed  to  find  the  refractive  index  of  glass  using  a  travelling  microscope.  In  this  experiment distances  are  meausred  by [AIEEE  -  2008] (1)  a  vernier  scale  provided  on  the  microscope (2)  a  stanard  laboratory  scale (3)  a  meter  scale  provided  on  the  microscope (4)  a  screw  gauge  provided  on  the  microscope 3 . Two  full  turns  of  the  circular  scale  of  gauge  cover  a  diastance  of  1  mm  on  scale.  The  total  number  of  divisions  on circular  scale  is  50.  Further,  it  is  found  that  screw  gauge  has  a  zero  error  of  -0.03  mm.  While  measuring  the diameter  of  a  thin  wire  a  student  notes  the  main  scale  reading  of  3  mm  and  the  number  of  circular  scale  division in  line,  with  the  main  scale  as  35.  The  diameter  of  the  wire  is [AIEEE  -  2008] (1)  3.32  mm (2)  3.73  mm (3)  3.67  mm (4)  3.38  mm 4 . In  an  experiment  the  angles  are  required  to  be  measured  using  an  instrument  29  divisions  of  the  main  scale exactly  coincide  with  the  30  divisions  of  the  vernier  scale.  If  the  smallest  division  of  the  main  scale  is  half-a- degree  (=0.5°),  then  the  least  count  of  the  instrument  is  :- [AIEEE  -  2009] (1)  One  degree (2)  Half  degree (3)  One  minute (4)  Half  minute 5 . In  an  optics  experiment,  with  the  position  of  the  object  fixed,  a  student  varies  the  position  of  a  convex  lens and  for  each  position,  the  screen  is  adjusted  to  get  a  clear  image  of  the  object.  A  graph  between  the  object distance  u  and  the  image  distance  v,  from  the  lens,  is  plotted  using  the  same  scale  for  the  two  axes.  A  straight line  passing  through  the  origin  and  making  an  angle  of  45°  with  the  x-axis  meets  the  experimental  curve  at P.  The  coordinates  of  P  will  be  :- [AIEEE  -  2009] (1)  (ƒ,  ƒ) (2)  (4ƒ,  4ƒ) (3)  (2ƒ,  2ƒ) (4)   ƒ , ƒ   2 2  6 . The  respective  number  of  significant  figures  for  the  numbers  23.023,  0.0003  and  2.1  ×  10–3  are:- (1)  4,  4,  2 (2)  5,  1,  2 (3)  5,  1,  5 [AIEEE  -  2010] (4)  5,  5,  2 7  . A  screw  gauge  gives  the  following  reading  when  used  to  measure  the  diameter  of  a  wire. Main  scale  reading  :  0  mm. [AIEEE  -  2011] Circular scale  reading  :  52  divisions Given  that 1  mm  on main  scale  corresponds  to  100  divisions  of the  circular  scale. The  diameter  of  wire  from  the  above  data  is  :- (1)  0.026  cm (2)  0.005  cm (3)  0.52 cm (4)  0.052  cm 8 . A  spectrometer  gives  the  following  reading  when  used  to  measure  the  angle  of  a  prism. Main  scale  reading  :  58.5  degree [AIEEE  -  2012] Vernier  scale  reading  :  09  divisions Given  that  1  division  on  main  scale  corresponds  to  0.5  degree.  Total  divisions  on  the  vernier  scale  is  30  and NODE6\\E\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-12\\Practical Physics\\Eng\\Sheet.p65 match  with  29  divisions  of  the  main  scale.  The  angle  of  the  prism  from  the  above  data  :] (1)  59  degree (2)  58.59  degree (3)  58.77  degree (4)  58.65  degree 9 . Resistance  of  a  given  wire  is  obtained  by  measuring  the  current  flowing  in  it  and  the  voltage  difference  applied across  it.  If  the  percentage  errors  in  the  measurement  of  the  current  and  the  voltage  difference  are  3%  each, then  error  in  the  value  of  resistance  of  the  wire  is  :- [AIEEE  -  2012] (1)  3% (2)  6% (3)  zero (4)  1% Que. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 E Ans. 3 1 4 3 3 2 4 4 2 26

EXERCISE–2(B) JEE-Physics PREVIOUS YEARS QUESTIONS MCQ  With  One  Correct  Answer 1 . The  edge  of  a  cube  is  a  =  1.2  ×  10–2  m.  Then  its  volume  will  be  recorded  as [IIT-JEE  2003] (A)  1.7  ×  10–6  m3 (B)  1.70  ×  10–6  m3 (C)  1.70  ×  10–7  m3 (D)  1.78  ×  10–6  m3 2 . A  wire  has  a  mass  (0.3  ±  0.003)g,  radius  (0.5  ±  0.005)  mm  and  length  (6  ±  0.06)  cm.  The  maximum percentage  error  in  the  measurement  of  its  density  is  – [IIT-JEE  2004] (A)  1 (B)  2 (C)  3 (D)  4 3 . For  the  post  office  box  arrangement  to  determine  the  value  of  unknown  resistance,  the  unknown  resistance should  be  connected  between [IIT-JEE  2004] B CD A (A)  B  and  C B1 C1 (D)  B   and  C 11 (B)  C  and  D (C)  A  and  D 4 . In  a  resonance  column  method,  resonance  occurs  at  two  successive  level  of     =  30.7  cm  and   =  63.2  cm  using 12 a  tuning  fork  of  f  =  512  Hz.  What  is  the  maximum  error  in  measuring  speed  of  sound  using  relations  v  =  f   &   =  2  ( – ). [IIT-JEE  2005] 21 (A)  256  cm/sec (B)  92  cm/sec (C)  102.4  cm/sec (D)  204.8  cm/sec 5 . Graph  of  position  of  image  vs  position  of  point  object  from  a  convex  lens  is  shown. [IIT-JEE  2006] Then,  focal  length  of  the  lens  is NODE6\\E\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-12\\Practical Physics\\Eng\\Sheet.p65 (A)  0.50  ±  0.05  cm (B)  0.50  ±  0.10  cm (C)  5.00  ±  0.05  cm (D)  5.00  ±  0.10  cm 6. A  student  performs  an  experiment  for  determination  of    4 2   ,    1m,  and  he  commits  an  error  of  g T2  .  For  T  he  takes  the  time  of  n  oscillations  with  the  stop  watch  of  least  count  T  and  he  commits  a  human error  of  0.1  s.  For  which  of  the  following  data,  the  measurement  of  g  will  be  most  accurate ? (A)  L  =  0.5,  T  =  0.1,  n  =  20 (B)  L  =  0.5,  T  =  0.1,  n  =  50 [IIT-JEE  2006] (C)  L  =  0.5,  T  =  0.01,  n  =  20 (D)  L  =  0.1,  T  =  0.05,  n  =  50 E 27

JEE-Physics 7 . The  circular  scale  of  a  screw  gauge  has  50  divisions  and  pitch  of  0.5  mm.  Find  the  diameter  of  sphere. Main  scale  reading  is  2  – [IIT-JEE  2006]          (A)  1.2 (B)  1.25 (C)  2.207 (D)  2.25 8 . A  student  performs  an  experiment  to  determine  the  Young's  modulus  of  a  wire,  exactly  2m  long,  by  Searle's method.  In  a  particular  reading,  the  student  measures  the  extension  in  the  length  of  the  wire  to  be  0.8 mm  with  an  uncertainty  of  ±  0.05  mm  at  a  load  of  exactly  1.0  kg.  The  student  also  measures  the  diameter of  the  wire  to  be  0.4  mm  with  an  uncertainty  of  ±  0.01  mm.  Take  g  =  9.8  m/s2  (exact).  The  Young's  modulus obtained  from  the  reading  is  – [IIT-JEE  2007] (A)  (2.0  ±  0.3)  ×  1011  N/m2 (B)  (2.0  ±  0.2)  ×  1011  N/m2 (C)  (2.0  ±  0.1)  ×  1011  N/m2 (D)  (2.0  ±  0.05)  ×  1011  N/m2 9 . In  the  experiment  to  determine  the  speed  of  sound  using  a  resonance  column  – [IIT-JEE  2007] (A)  prongs  of  the  tuning  fork  are  kept  in  a  vertical  plane. (B)  prongs  of  the  tuning  fork  are  kept  in  a  horizontal  plane. (C)  in  one  of  the  two  resonance  observed,  the  length  of  the  resonating  air  column  is  close  to  the  wavelength       of  sound  in  air (D)  in  one  of  the  two  resonance  observed,  the  length  of  the  resonating  air  column  is  close  to  half  of         the  wavelength  of  sound  in  air 1 0 . In  an  experiment  to  determine  the  focal  length  (f)  of  a  concave  mirror  by  the  u-v  method,  a  student  placed the  object  pin  A  on  the  principal  axis  at  a  distance  x  from  the  pole  P.  The  student  looks  at  the  pin  and  its inverted  image  from  a  distance  keeping  his/her  eye  in  line  with  PA.    When  the  student  shift  his/her  eye  towards left,  the  image  appears  to  the  right  of  the  object  pin.    Then- [IIT-JEE  2007] (A)  x  <  f (B) f  <  x <  2f (C)  x  =  2f (D)  x  >  2f 1 1 . The  diameter  of  a  cylinder  is  measured  using  a  Vernier  callipers  with  no  zero  error.  It  is  found  that  the  zero of  the  Vernier  scale  lies  between  5.10  cm  and  5.15  cm  of  the  main  scale.  The  Vernier  scale  has  50  divisions equivalent  to  2.45  cm.  The  24th  division  of  the  Vernier  scale  excatly  coincides  with  one  of  the  main  scale divisions.  The  diameter  of  the  cylinder  is  :- [JEE  Advanced  2013] (A)  5.112  cm (B)  5.124  cm (C)  5.136  cm (D)  5.148  cm 1 2 . Using  the  expression  2d  sin    =  ,  one  calculates  the  values  of  d  by  measuring  the  corresponding  angles   in  the  range  0  to  90°.  The  wavelength    is  exactly  known  and  the  error  in    is  constant  for  all  values NODE6\\E\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-12\\Practical Physics\\Eng\\Sheet.p65 of  .  As    increases  from  0°  :- [JEE  Advanced  2013] (A)  the  absolute  error  in  d  remains  constant (B)  the  absolute  error  in  d  increases (C)  the  fractional  error  in  d  remains  constant (D)  the  fractional  error  in  d  decreases Multiple  Choice  Questions 1 . A  student  performed  the  experiment  of  determination  of  focal  length  of  a  concave  mirror  by  u-v  method  using an  optical  bench  of  length  1.5  meter.  The  focal  length  of  the  mirror  used  is  24  m.  The  maximum  error  in  the location  of  the  image  can  0.2  m.  The  5  sets  of  (u,  v)  values  recorded  by  the  student  (in  cm)  are  :  (42,  56),  (48, 48),(60,  40),  (66,  33),  (78,  39).  The  data  set(s)  that  connot  come  from  experiment  and  is  (are)  incorrectly recorded  is  (are  ) [IIT-JEE  2009] (A)  (42,  56) (B)  (48,  48) (C)  (66,  33) (D)  (78,  39) 28 E

JEE-Physics 2 . A  student  performed  the  experiment  to  measure  the  speed  of  sound  in  air  using  resonance  air-column  method. Two  resonances  in  the  air-column  were  obtained  by  resonance  and  that  with  the  longer  air-column  is  the  second resonance.  Then, [IIT-JEE  2009] (A)  The  intensity  of  the  sound  heard  at  the  first  resonance  was  more  than  that  at  the  second  resonance (B)  the  prongs  of  the  tuning  fork  were  kept  in  a  horizontal  plane  above  the  resonance  tube (C)  the  amplitude  of  vibration  of  the  ends  of  the  prongs  is  typically  around  1  cm (D)  the  length  of  the  air-column  at  the  first  resonance  was  somewaht  shorter  than  1/4th  of  the  wavelength  of  the           sound  in  air Subjective  Questions 1 . In  a  vernier  callipers,  n  divisions  of  its  main  scale  match  with  (n  +  1)  divisions  on  its  vernier  scale.  Each  division  of the  main  scale  is  a  units.  Using  the  vernier  principle,  calculate  its  least  count. [IIT-JEE  2003] 2 . In  a  Searle's  experiment,  the  diameter  of  the  wire  as  measured  by  a  screw  gauge  of  least  count  0.001  cm  is 0.050  cm.  The  length,  measured  by  a  scale  of  least  count  0.1  cm,  is  110.0  cm.  When  a  weight  of  50N  is suspended  from  the  wire,  the  extension  is  measured  to  be  0.125  cm  by  a  micrometer  of  least  count 0.001  cm.  Find  the  maximum  error  in  the  measurement  of  Young's  modulus  of  the  material  of  the  wire  from these  data. [IIT-JEE  2004] 3 . Draw  the  circuit  for  experimental  verification  of  Ohm's  law  using  a  source  of  variable  D.C.  voltage,  a  main resistance  of  100  ,  two  galvanometers  and  two  resistance  of  values  106    and  10–3    respectively.  Clearly show  the  positions  of  the  voltmeter  and  the  ammeter. [IIT-JEE  2004] 4 . The  pitch  of  a  screw  gauge  is  1  mm  and  there  are  100  divisions  on  the  circular  scale.  While  measuring the  diameter  of  a  wire,  the  linear  scale  reads  1  mm  and  47th  division  on  the  circular  scale  coincides  with the  reference  line.  The  length  of  the  wire  is  5.6  cm.  Find  the  curved  surface  area  (in  cm2)  of  the  wire  in appropriate  number  of  significant  figures. [IIT-JEE  2004] 5 . The  edge  of  a  cube  is  measured  using  a  vernier  calliper.  (9  divisions  of  the  main  scale  is  equal  to  10  divisions of  vernier  scale  and  1  main  scale  division  is  1  mm).  The  main  scale  division  reading  is  10  and  1  division of  vernier  scale  was  found  to  be  coinciding  with  the  main  scale.  The  mass  of  the  cube  is  2.736  g.  Calculate the  density  in  g/cm3  upto  correct  significant  figures. [IIT-JEE  2005] ANSWER  KEY Single  Choice  Questions  : 1.  A 2.  D 3.  C 4.  D 5.  C 6.  D 7.  A 8.  B 9.  A 10.B 11.  B 12.  D NODE6\\E\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-12\\Practical Physics\\Eng\\Sheet.p65 2.  A,  D Multiple  Choice  Questions  :  1.  C,  D Voltmeter 106 G1 100 Subjective  Questions    : a 2.              3.  Ammeter 1.  G3 103 n 1 E 4.    2.6  cm2 5.  2.66  g/cm3 E 29



JEE-Physics PRINCIPLES OF COMMUNICATION SYSTEMS 1. INTRODUCTION Communication means transmission of information. Everyone experiences the need to impart or recieve information continuously in the surrounding and for this , we speak, listen,send message by a messenger, use coded signalling methods through smoke or flags or beating of drum etc. and these days we are using telephones, TV, radio, satellite communication etc. The aim of this chapter is to introduce the concepts of communication namely the mode of communication, the need for modulation, production and detection of amplitude modulation. Elements of a Communication System : Every communication system has three essential elements- (i) transmitter (ii) medium/channel (iii) receiver Information Message Transmitter Transmitted Channel Received Message User of source signal signal signal Receiver signal information Noise Transmitter converts the message signal into an electric signal and transmits through channel. The receiver receives the transmitted signal and reconstructs the original message signal to the end user. There are two basic modes of communication: (i) point-to-point and (ii) broadcast. In point-to-point communication mode, communication takes place over a link between a single transmitter and a receiver as in telephony. In the broadcase mode, there are a large number of receivers corresponding to a single transmitter. Radio and television are most common examples of braoadcast mode of communication. However the communication system can be classified as follows : Types of Communication Systems On the basis of nature of On the basis of signal On the basis of On the basis of type Information transmitted (1) Speech Transmission (1) Analog transmission Channel of modulation (2) Digital (Radio) (1) Line communication (1) Continuous wave (2) Picture Transmission (a) Two wire Transmission modulation (TV) (3) Fascimile Transmission line (a) Amplitude (FAX) (b) Coaxial cable (b) Frequency (4) Data Transmission (c) Optical fibre (c) phase (Internet) (2) Space communication (2) Pulse Modulation (a) PAM PPM E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Electronics\\Eng\\3. Principles of Communication System.p65 (b) PTM (c) PCM PWM Basic terminology Used in Electronic Communication systems : (i) Transducer. Transducer is the device that converts one form of energy into another. Microphone, photo detectors and piezoelectric sensors are types of transducer. They convert information into electrical signal. (ii) Signal Signal is the information converted in electrical form. Signals can be analog or digital. Sound and picture signals inTV are analog. It is defined as a single–valued function of time which has a unique value at every instant of time. (1) Analog Signal :– A continuously varying signal (Voltage or Current) is called an analog signal. A decimal number with system base 10 is used to deal with analog signal. E 35

JEE-Physics (2) Digital Signal :– A signal that can have only discrete stepwise values is called a digital signal. A binary number system with base 2 is used to deal with digital signals. (iii) Noise : There are unwanted signals that tend to disturb the transmission and processing of message signals. The source of noise can be inside or outside the system. (iv) Transmitter : A transmitter processes the incoming message signal to make it suitable for trans-mission through a channel and subsequent reception. (v) Receiver : A receiver extracts the desired message signals from the received signals at the channel output. (vi) Attenuation : It is the loss of strength of a signals while propagating through a medium. It is like damping of oscillations. (vii) Amplification : It is the process of increasing the amplitude (and therefore the strength) of a signal using an electronic circuit called the amplifier. Amplification is absolutely necessary to compensate for the attenuation of the signal in communication systems. (viii) Range : It is the largest distance between the source and the destination upto which the signal gets received with sufficient strength. (ix) Bandwidth : It is the frequency range over which an equipment operates or the portion of the spectrum occupied by the signal. (x) Modulation : The original low frequency message/information signal connot be transmitted to long distances. So, at the transmitter end, information contained in the low frequency message signal is superimposed on a high frequency wave, which acts as a carrier of the information. This process is known as modulation. (xi) Demodulation : The process of retrieval of original information from the carrier wave at the receiver end is termed as demodulation. This process is the reverse of modulation. (xii) Repeater : A repeater acts as a receiver and a transmitter. A repeater picks up the signal which is comming from the transmitter, amplifies and retransmits it with a change in carrier frequency. Repeaters are necessary to extend the range of a communication system as shown in figure A communication satellite is basically a repeater station in space. Mountain E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Electronics\\Eng\\3. Principles of Communication System.p65 BANDWIDTH Use of repeater station to increase the range of communication Bandwidth of signals : Different signals used in a comminication system such as voice, music, picture, computer data etc. all have different ranges of frequency. The difference of maximum and minimum frequency in the range of each signal is called bandwidth of that signal. Bandwidth can be of message signal as well as of transmission medium. (i) Bandwidth for analog signals 36 E

JEE-Physics Bandwdith for some analog sinals are listed below : Signal Frequency range Bandwidth required Speech 300-3100 Hz 3100-300 =2800 Hz Music High frequencies produced 20 kHz by musical instrument Picture Audible range =20 Hz - 20 kHz 4.2 MHz TV 6 MHz - Contains both voice and picture (ii) Bandwidth for digital signal Basically digital signals are rectanglar waves and these can be splitted into a superposition of sinusoidal waves of frequencies 0, 20, 30, 40, n , where n is an integer extending to infinity. This implies that the infinite 0 band width is required to reproduce the rectangular waves. However, for practical purposes, higher harmonics are neglected for limiting the bandwidth Band width of Transmission Medium Different types of transmission media offer different band width in which some of are listed below Frequency Bands S er vice Frequency range Rem arks W ire 750 MHz N ormally operated below 1 (m ost com m on : (Bandwidth) 18 GHz Coaxial Cable) Free space Few hundred kHz to 2 (radio waves) GHz (i) Standa rd AM 540kHz -1600 kHz b roa d ca st (ii) FM 88-108 MHz (iii) Tele vision 54-72 MHz VHF (Very) 76-88 MHz h ig h 174-216 MHz frequencies) TV 420-890 MHz U HF (U ltra h ig h t E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Electronics\\Eng\\3. Principles of Communication System.p65 (iv) Ce llular 896-901 MHz frequency) TV m obile 840-935 MHz r a d io Mobile to base 5.925-6.425 GHz S ta tion (v) Satellite 3.7 - 4.2 GHz Base station to Com m unication m ob ile U plinking D ownlinking One single Op tical 1THz-1000 THz optical fibre 3 com m unication (m icrowa ves- offers using fibres ultra violet) bandwidth > 100 GHz E 37

JEE-Physics Propagation of Electromagnetic Waves : In case of radio waves communication, an antenna at the transmitter radiates the electromagnetic waves (em waves). The em waves travel through the space and reach the receiving antenna at the other end. As the em wave travels away from the transmitter, their strength keeps on decreasing. Many factors influence the propagation of em waves including the path they follow. The composition of the earth's atmosphere also plays a vital role in the propagation of em waves, as summarised below. Table 4 Layers of atmosphere and their interaction with the propagating em wave s Atmospheric Height over earth's Exists during Frequencies most stratum (layer) surface (approx) Day and night likely affected 10 km 1. Troposphere VHF (upto several GHz) 2. Ionosphere 65-75 km (i) D (part of Day only Reflects LF, absorbs MF & 100 km HF to some degree stratosphere) Day only Helps surface waves, (ii) E (part of 170-190 km reflects HF Daytime, merges Partially absorbs HF waves stratosphere) 300 km at night, with F2 at night yet allowing themto reach F2 (iii) F1 (Part of 250-400 km Day and night Efficiently reflects HF waves during daytime particularly at night Mesosphere) (iv) F2 (Thermosphere) Ground Wave Propagation : (a) The radio waves which travel through atmosphere following the surface of earth are known as ground waves or surface waves and their propagation is called ground wave propagation or surface wave propagation. (b) The ground wave transmission becomes weaker with increase in frequency because more absorption of ground waves takes place at higher frequency during propagation through atmosphere. (c) The ground wave propagation is suitabel for low and medium frequency i.e. upto 2 or 3 MHz only. (d) The ground wave propagation is generally used for local band broadcasting and is commonly called medium wave. (e) The maximum range of ground or surface wave propagation depends on two factors : (i) The frequency of the radio waves and (ii) Power of the transmitter Sky Wave Propagation : (a) The sky waves are the radio waves of frequency between 2 MHz to 30 MHz. (b) The ionoopheric layer acts as a reflector for a certain range of frequencies (3 to 30 MHz). Electromagnetic E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Electronics\\Eng\\3. Principles of Communication System.p65 waves of frequencies higher than 30 MHz penetrate the ionosphere and escape. (c) The highest frequency of radiowaves which when sent straight (i.e. normally) towards the layer of ionosphere gets refelcted from ionosphere and returns to the earth is called critical frequency. . If is given by fc = 9 (Nmax)1/2, where N is the number density of electron/m3. Space wave propagation : (a) The space waves are the radiowaves of very high frequency (i.e. between 30 MHz. to 300 MHz or more). (b) the space waves can travel through atmosphere from transmitter antenna to receiver antenna either derectly or after reflection from ground in the earth's troposphere region. That is why the space wave propagation is also called as tropospherical propagation or line of sight propagation. (c) The range of communication of space wave propagation can be increased by increasing the heights of transmitting and receiving antenna. 38 E

JEE-Physics (d) If the transmitting antenna is at a height h , then you can show that the distance to the horizontal d is given TT as dT  2RhT , where R is the radius of the earth (approximately 6400 km). d is also called the radio T maximum line-of sight distance d between the two antennas having heights h and h above the earth is m TR given by : dM  2RhT  2RhR where h is the height of receiving antenna. R Modulation * It is a process by which any electrical signal called input / baseband or modulating signal, is mounted onto another signal of high frequency which is known as carrier signal. * It is defined as the process by which some characteristic (called parameter) of carrier signal is varied in accordance with the instantaneous value of the baseband signal. * The signal which results from this process is known as modulated signal. Need for Modulation : (i) To av io d i nter ference : If many modulating signals travel directly through the same transmission channel, they will interfere with each other and result in distortion. (ii) To de sign a ntennas of pract icable size : The minimum height of antenna (not of antenna tower) should be /4 where  is wavelength of modulating signal. This minimum size becomes impracticable because the frequency of the modulating signal can be upto 5 kHz which corresponds to a wavelength of 3 × 108/5 × 103 = 60 km. This will require an antenna of the minimum height of /4 = 15 km. This size of an antenna is not practical. (iii) Effective Power Radiated by an Antenna : A theoretical study of radiation from a linear antenna (length ) shows that the power radiated is proportional to (frequency)2 i.e. (/)2. For a good transmission, we need high powers and hence this also points out to the need of using high frequency transmission. The above discussion suggests that there is a need for translating the original low frequency baseband message signal into high frequency wave before transmission. In doing so, we take the help of a high frequency signal, which we already know now, is known as the carrier wave, and a process known as modulation which attaches information to it. The carrier wave may be continuous (sinusoidal) or in the form of pulses, as shown in figure Time period T =2T Pulse duration E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Electronics\\Eng\\3. Principles of Communication System.p65 Amplitude Pulse Pulse fall amplitude Time Pulse (a) rise (b) Carrier wave : Sinusoidal A sinusoidal carrier wave can be represented as c(t) = A sin (ct + ) C where c(t) is the signal strength (voltage or current), A is the amplitude, c (= 2fc) is the angular frequency C and  is the initial phase of the carrier wave. Thus, modulation can be affected by varying, any of three parameters, viz A, c and , of the carrier wave can as per the parameter of the message or information c signal. This results in three types of modulation : (i) Amplitude modulation (AM) (ii) Frequency modulation (FM) and (iii) Phase modulation (PM), as shown in figure. E 39

JEE-Physics 1 0 (a) -1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 1 m(t) 0 (b) -1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 2 cm(t)for AM 0 (c) -2 10 0.5 1 1.5 2 2.5 3 cm(t)for FM 0 (d) -1 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 1 cm(t)for PM 0 0.5 (e) -1 2 2.5 3 0 Time Modulation of a carrier wave : (a) a sinusoidal carrier wave (b) a modulating signal : (c) amplitude modulatin : (d) frequency modulation : and (e) phase modulation Carrier Wave Pulses : Similarly, the significant characteristics of a pulse are : Pulse Amplitude, Pulse duration or pulse Width, and pulse Position (denoting the time of rise or fall of the pulse amplitude) Hence, different types of pulse modulation are (a) pulse amplitude modulation (PAM), (b) Pulse duration modulation (PDM) or pulse width modulation (PWM), and (c) Pulse position modulation (PPM). Ex.1 A separate high freq. wave (i.e. carrier wave) is needed in modulation why ? A ns . This is because we cannot change any of the characteristics (amplitude, frequency or phase) of the audio signal as this would change the message to be communicated. So keeping the audio signal same, the amplitude of freq. or phase of the high freq. carrier wave is modified in accordance with the modulating (i.e. audio signal) signal. Amplitude Modulation : In amplitude modulation the amplitude of the carrier is varied in accordance with the information signals. Let c(t) = A sinc t represent carrier wave and m(t) = A sin m t represent the message or the modulating c m signal where m = 2fm is the angular frequency of the message signal. The modulated signal c (t) can be m written as c (t) = (A + A sin mt) sin ct E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Electronics\\Eng\\3. Principles of Communication System.p65 m c m  Ac   Am sin m t  c t .....(1) 1 Ac  sin   Note that the modulated signal now contains the message signal & it can be written as : c (t) = A sinct + µA sinmt sinct ......(2) m c c Here µ = A /A is the modulation index mc In paractice, µ is kept  1 to avoid distortion. Using the trignomatric relation sinA sinB = ½ (cos (A – B) – cos (A + B), we can write c (t) of eq. (15.4)as m c (t) = A sinct + µA c cos(c – m) t – µA c cos(c + m) t ......(3) m c 2 2 40 E

JEE-Physics Here c – m and c + m are respectively called the called the lower side and upper side frequencies. The modulated signal now consists of the carrier wave of frequency c plus two sinusoidal waves each with a frequency slightly different from, know as side bands. The frequency spectrum of the amplitude modulated signal is shown in figure : Ac Amplitude µAc 2 (e-m) e (e+m)  in radians As long as the broadcast frequencies (carrier waves) are sufficiently spaced out so that sidebands do not overlap, different stations can operate without interfering with each other. E x . 2 A message signal of frequency 10 kHz and peak voltage of 10 volts is used to modulate a carrier of frequency 1 Mhz and peak voltage of 20 volts. Determine (a) modulation index, (b) the side bands produced. Sol. (a) Modulation index = 10/20 = 0.5 (b) The side bands are at (1000 + 10 kHz) = 1010 kHz and (1000–10 kHz) = 990 kHz. Producation of Amplitude modulated Wave : Ampitude modulation can be produced by a veriety of methods. A conceptually simple method is shown in the block diagram of figure. m(t) x(t) SQUARE y(t) BANDPASS Amsin mt + FILTER AMWave LAW DEVICE CENTRED (Modulating Singna) Bx(t) + Cx(t)2 AT c c (t) Ac sinct (carrier) Here the modulating signal A sin mt is added to the carrier signal A sin c t to produce the signal x (t). m c This signal x (t) = A sin m t + A sinct is passed through a square law device which is a non-linear device m c which produces an output E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Electronics\\Eng\\3. Principles of Communication System.p65 y(t) = B x (t) + Cx2 (t) ......(4) where B and C are constants. Thus, y(t) = BA sinm t + BA sin ct m c + C [A 2 sin2 m t + A2 sin2 ct + 2A A s i n mt sinct] ......(5) m c m c = BA s i n m t + BA sin ct m c C A 2  A 2  C A 2 cos 2m t  C A 2 cos 2c t m c m c 2 2 2 + CA A cos ( –  ) t – CA A cos ( +  ) t ......(6) mc cm mc cm where the trigonometric relations sin2A = (1 – cos2A)/2 and the relation for sinA sinB mentioned earlier are used. 41 E

JEE-Physics In equation (6), there is a dc term C/2 ( A 2  A 2 ) and sinusoids of frequencies m, 2m, c – m and c m c + m . The output of the band pass filter therefore is of the same form as equation (3) and is therefore an AM wave. It is to be mentioned that the modulated signal connot be transmitted as such. The modulator is to be followed by a power amplifier which provides the necesary power and then the modulated signal is fed to an antenna of appropriate size for radiation as shown in figure. m(t) AMPLITUDE POWER TRANSMITTING Message signal MODULATOR AMPLIIFIER ANTENNA Carrier Detection of Amplitude Modulated Wave : The transmitted message gets attenuated in propagating through the channel. The receiving antenna is therefore to be followed by an amplifier and a detector. In addition, to facilitate further processing, the carrier frequency is usually changed to a lower frequency by what is called an intermediate frequency (IF) stage preceding the detection. The detected signal may not be strong enough to be made use of and hence in required to be amplified. A block diagram of a typical receiver is shown in figure. RECEIVING ANTENNA AMPLIFIER IF STAGE DETECTOR AMPLIFIER OUTPUT E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Electronics\\Eng\\3. Principles of Communication System.p65 Detection is the process of recovering the modulating signal from the modulated carrier wave. We just saw that the modulated carrier wave contains the frequencies c and c ± m . In order to obtain the original message signal m(t) of angular frequency m, a simple method is shown in the from of a block diagram in figure. 42 E

JEE-Physics AM Wave RECTIFIER ENVELOPE m(t) (a) OUTPUT DETECTOR (c) (b) time time time Rectified wave Output (without RF component) AMinput wave The modulated signal of the form given in (a) of above figure is passed through a rectifier to produce the output shown in (b). This envelope of signal (b) is the message signal In order to retrieve m(t), the signal is passed through an envelope detector (which may consist of a simple RC circuit). The internet Students must be quite familiar with internet these days. The information provided by different these days. The information provided by different bodies all over the world is centralised at one place. Which is then used by anyone having a computer and internet facility. It's main uses are : (a) Emial (b) File transfer (c) WWW - World Wide Web (d) E-commerce (e) Chatting Facsimile (FA X) : FAX is abbreviation for facsimile which means exact reproduction. A fax machine sends a printed document or a photograph besides speech, music or coded data from one place to another by data communication system which, as we already know, consists of three elements. Tra nsmit ter Transmission channel Receiver E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Electronics\\Eng\\3. Principles of Communication System.p65 It scans the contents of a document (as an image, not test) to create electronic signals. These signals arethen sent to the destination (another FAX machine) in an orderly manner using telephone lines. At the destination, the signals are reconverted into a replica of the original document. Mobile telephony The concept of mobile telephony was developed first in 1970's and it was fully implemented in the following decade. The central concept of this system is to divide the serice area into a suitable number of cells centred on an office called MTSO (Mobile Telephone Switching Office). Each cell contains a low-power transmitter called a base station and castomers. When a mobile receiver crosses the coverage area of one base station, it is necessary for the mobile user to be transferred to another base station. This procedure is called handover or handoff. This process is carried out very rapidly, to the extent that the consumer does not even notice it. Mobile telephones operate typically in the UHF range of frequencies (about 800-950 MHz). E 43

JEE-Physics SOLVED EXAMPLE Ex.1 Suppose a pure Si crystal has 5 × 1028 atoms m–3. It is doped by 1 ppm concentration of pentavalent Sol As. Calculate the number of electrons and hole. (Given that ni = 1·5 × 1016 m–3.) Ex.2 FGH JKIHere ne  ND = Sol. 5  1028 = 5 × 1022 m–3 Ex.3 106 Sol. e jnh = Ex.4 n2 = 1  5  1016 2 = 2 25  1032 = 4·5 × 109 m–3 Sol. 5  1022 5  1022 i Ex.5 Sol. ne Ex.6 Pure Si at 300K has equal electron (n ) and hole (n ) concentrations of 1.5 × 1016 m–3. Doping in indium eh increases n to 4.5 × 1022 m–3. Calculate n is in the doped Si. he n2 (1.5  1016 )2 At thermal equilibrium n n = n2  n= i = 4.5  1022 = 5 × 109 m–3 eh i e n h The diagram shows a piece of pure semiconductor S, in series with a variable resistor R, and a source of constant voltage V. Would you increase or decrease the value of R to keep the reading of ammeter (A) constant, when semiconductor S is heated ? Give reason. Value of R should be increased with the increase in temperature of semiconductor as circuit resistance decreases and current tends to increase. A p–n junction diode can withstand current up to 10 mA under forward bias, the diode has a potential drop of 0.5V across it which is assumed to be independent of current what is the maximum voltage of battery used to forward bias the diode when a resistance of 200 is connected in series with it. Potential drop is 0.5 and current is 10 mA. so resistance of diode is 0.5 Total resistance of circuit is = 200 + 50 = 250 = = 50 10  10 3 So maximum current is Vmax. =10 × 10–3  Vmax.= 2.5 volt 250 If current in given circuit is 0.1A then calculate resistance of P–N junction. 5 E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Electronics\\Eng\\3. Principles of Communication System.p65 Let resistance of PN junction be R then I = R  30 10 = 0.1  R = 10 What is the value of current I in given circuits (a) (b) (c) 2.7  0.7 20 (c) 18  6 Sol. (a) I = 1 103 = 2mA (b) I = 10 10 = 1 A I = 500 = 24 mA 44 E

JEE-Physics Ex.7 For half wave rectifier if load resistance R is 2k and P–N junction resistance R is 2k determine rectification Sol. L d Ex.8 efficiency. Sol. GF IJ  40.6 RL 2k Ex.9 H K b gHWR Rd  RL Sol. = 40.6 × 2  2 k = 20.3 % Calculate the value of V0 and I if the Si diode and the Ge diode start conducting at 0·7V and 0·3 volt respectively, in the given circuit. If the Ge diode connection be reversed, What will be the new values of V0 and I ? V0 = 12 – 0·3 = 11·7 V  Current I = V0 117 = 2·34 mA R = 5  103 L On reversing the connections of Ge diode the output voltage V0' = 12 – 0·7=11·3 V The current in load I´ = V '0 113 = 2·26 mA RL = 5  103 A common emitter amplifier has a voltage gain of 50, an input impedance of 200 and an output impedance of 400. Calculate the power gain of the amplifier. F IVoltage gain = () R 0 = 50   = 50  R i = 50  200 = 25 HG KJR i R0 400 FHG IKJ GFH JKIPower gian = (2) R0 = (25)2 400 = 625 × 2 = 1250 Ri 200 E x . 1 0 An n-p-n transistor in a common emitter mode is used as a simple voltage amplifier with a collector connected to load resistance RL and to the base through a resistance RB. The collector-emitter voltage VCE = 4V, the base-emitter voltage VBE = 0.6V, current through collector is 4 mA and the current amplification factor  = 100. Calculate the values of RL and RB. Sol. Given, ic = 4 mA applying Kirchhoff's second law in loop 1, E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Electronics\\Eng\\3. Principles of Communication System.p65 VCE = 8 – iC RL  RL = 8  VCE 84 = 1× 103  = 1 k iC = 4  10 3 IB  IC  4mA = 4 × 10–5 A  100  VBE = 8 – IBRB  RB = 8  VBE  8  0.6 = 185 k IB 4  105 Ex.11 A transistor has a current amplification factor (current gain) of 50. In a CE amplifier circuit, the collector Sol. resistance is chosen as 5k and the input resistance is 1k. Calculate the output voltage if input voltage E is 0·01V. FGH JKIFor transistor amplifier V0 =  F I5 RC Vi GH JK= (50) 1 (0·01) = 2·5 V RB 45

JEE-Physics E x . 1 2 In a transistor connected in common emitter mode R0 = 4 k, Ri = 1 k, iC = 1 mA and ib = 20 µA. Find the voltage gain. HGF JKI GFH IJK HGF KIJ FHG JIK HFG IKJSol. R0 ic R0 1  103 4 Voltage gain AV =  R i = i b R i = 20  106 1 = 200 E x . 1 3 For given CE biasing circuit, if voltage across collector–emitter is 12V and current gain is 100 and base current is 0.04mA then determine the value of collector resistance RC . Sol.  VCE = VCC – IC × RC  RC = VCC  VCE  VCC  VCE  100 20 12 3  2 k IC IB  0.04  10 E x . 1 4 Write down the actual logic operation carried by the following circuit. Explain your answer. Sol. XOR operation E:\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Electronics\\Eng\\3. Principles of Communication System.p65  Y= AB  AB which is boolean expression for XOR gate E 46

JEE-Physics ELASTICITY A  body  is  said  to  be  rigid  if  the  relative  positions  of  its  constituent  particles  remains  unchanged  when  external  deforming forces  are  applied  to  it.  The  nearest  approach  to  a  rigid  body  is  diamond  or  carborundum. Actually  no  body  is  perfectly  rigid  and  every  body  can  be  deformed  more  or  less  by  the  application  of  suitable  forces. All  these  deformed  bodies  however  regain  their  original  shape  or  size,  when  the  deforming  forces  are  removed. The  property  of  matter  by  virtue  of  which  a  body  tends  to  regain  its  original  shape  and  size  after  the  removal  of deforming  forces  is  called  elasticity. Some  terms  related  to  elasticity  : • Deforming  Force External  force  which  try  to  change  in  the  length,  volume  or  shape  of  the  body  is  called  deforming  force. • Perfectly  Elastic  Body The  body  which  perfectly  regains  its  original  form  on  removing  the  external  deforming  force,  is  defined  as a  perfectly  elastic  body.  Ex.  :  quartz  –  Very  nearly  a  perfect  elastic  body. • Plastic  Body (a)  The  body  which  does  not  have  the  property  of  opposing  the  deforming  force,  is  known  as  a  plastic  body. (b)  The  bodies  which  remain  in  deformed  state  even  after  removed  of  the  deforming  force  are  defined  as plastic  bodies. • Internal  restoring  force When  a  external  force  acts  at  any  substance  then  due  to  the  intermolecular  force  there  is  a  internal  resistance produced  into  the  substance  called  internal  restoring  force. At  equilibrium  the  numerical  value  of  internal  restoring  force  is  equal  to  the  external  force. STRESS The  internal  restoring  force  acting  per  unit  area  of  cross–section  of  the  deformed  body  is  called  stress. Stress  Internal  restoring force =   Fint ernal = Fexternal Area of cross section A A Stress  depends  on  direction  of  force  as  well  as  direction  of  area  of  application  so  it  is  tensor. node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 SI  Unit  :  N–m–2 Dimensions  :  M1  L–1  T–2 There  are  three  types  of  stress  :- ( a ) Longitudinal  Stress    :  When  the  stress  is  normal  to  the  surface  of  body,  then  it  is  known  as  longitudinal stress.  There  are  two  types  of  longitudinal  stress (i)   Tensile  Stress    :  The  longitudinal  stress,  produced  due  to  increase  in  length  of  a  body,  is  defined as  tensile  stress. F wall   F tensile stress tensile stress E1

JEE-Physics (ii) Compressive  stress  :  The  longitudinal  stress,  produced  due  to  decrease  in  length  of  a  body,  is  defined as  compressive  stress.  F  Compressive Stress ( b ) Volume  Stress If  equal  normal  forces  are  applied  every  one  surface  of  a  body,  then  it  undergoes  change  in  volume.  The force  opposing  this  change  in  volume  per  unit  area  is  defined  as  volume  stress. ( c ) Tangential  Stre ss  or  Shear  Stre ss When  the  stress  is  tangential  or  parallel  to  the  surface  of  a  body  then  it  is  known  as  shear  stress.    Due  to this  stress,  the  shape  of  the  body  changes  or  it  gets  twisted. F AF AB B L L F F DC DC STRAIN The  ratio  of  change  of  any  dimension  to  its  original  dimension  is  called  strain. change in size of the body Strain  = original size of the body It  is  a  unitless  and  dimensionless  quantity. There  are  three  types  of  strain  :    Type  of  strain  depends  upon  the  directions  of  applied  force. (a) Longitudinal  strain  =  change in length of the body L =  initial length of the body L L L change in volume of the body V node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 ( b ) Volume  strain= original volume of the body = V (c) Shear  strain A F When  a  deforming  force  is  applied  to  a  body  parallel  to  its  surface        then A' B B' its  shape  (not  size)  changes.  The  strain  produced  in  this  way  is  known  as shear  strain.  The  strain  produced  due  to  change  of  shape  of  the  body L   displacement of upper face  is known as shear strain. tan   L or  = L = distance between two faces F 2 DC E

JEE-Physics Relation  Between  angle  of  twist  and  Angle  of  shear fixed B When  a  cylinder  of  length  ''  and  radius  'r'  is  fixed  at  one  end  and  tangential force  is  applied  at  the  other  end,  then  the  cylinder  gets  twisted.  Figure  ' shows  the  angle  of  shear  ABA'  and  angle  of  twist  AOA'.  Arc AA'  =  r   and  Arc  AA'  =     so  r =         r     where   =  angle O  twisted A A' of  twist,   =  angle  of  shear GOLDEN  KEY  POINTS  • When  a  material  is  under  tensile  stress  restoring  force  are  caused  by  intermolecular  attraction  while  under compressive  stress,  the  restoring  force  are  due  to  intermolecular    repulsion.  • If  the  deforming  force  is  inclined  to  the  surface  at  an  angle   such  that     and     90°  then  both  tangential and  normal  stress  are  developed.  • Linear  strain  in  the  direction  of  force  is  called  longitudinal  strain  while  in  a  direction  perpendicular  to force  lateral  strain. Stress  –  Strain  Graph Breaking Elastic E Y B strength Region C Elastic P Limit node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 Plastic Region PrLiopmiotrtionStress 0 Strain Proportion  Limit  : The  limit  in  which  Hook's  law  is  valid  and  stress  is  directly    proportional  to  strain  is  called  proportion  limit. Stress    Strain Elastic  limit    : That  maximum  stress  which  on  removing  the  deforming  force  makes  the  body  to  recover  completely  its  original state. Yield  Point  : The  point  beyond  elastic  limit,  at  which  the  length  of  wire  starts  increasing  without  increasing  stress,  is  defined as  the  yield  point. Breaking  Point  : The  position  when  the  strain  becomes  so  large  that  the  wire  breaks  down  at  last,  is  called  breaking  point. At  this  position  the  stress  acting  in  that  wire  is  called  breaking  stress  and  strain  is  called  breaking  strain. Elastic  after  effect We  know  that  some  material  bodies  take  some  time  to  regain  their  original  configuration  when  the  deforming force  is  removed.  The  delay  in  regaining  the  original  configuration  by  the  bodies  on  the  removal  of  deforming force  is  called  elastic  after  effect.  The  elastic  after  effect  is  negligibly  small  for  quartz  fibre  and  phosphor  bronze. For  this  reason,  the  suspensions  made  from  quartz  and  phosphor-bronze  are  used  in  galvanometers  and electrometers.  For  glass  fibre  elastic  after  effect  is  very  large.  It  takes  hours  for  glass  fibre  to  return  to  its  original state  on  removal  of  deforming  force. E3

JEE-Physics Elastic  Fatigue    : The  loss  of  strength  of  the  material  due  to  repeated  strains  on  the  material  is  called  elastic  fatigue.  That is  why  bridges  are  declared  unsafe  after  a  long  time  of  their  use. Creep  : If  a  small  force  is  applied  for  a  long  time  then  it  causes  breaking  of  metal.  For  example  A  fan  is  hung  for 200  years  then  the  shaft  will  break. Elastic  Hysteresis  : load or stress The  strain  persists  even  when  the  stress  is  removed.  This  lagging  behind    of  strain load  ldoeacrd eiansicrnegasing is  called  elastic  hysteresis.  This  is  the  reason  why  the  values  of  strain  for  same  stress are  different  while  increasing  the  load  and  while  decreasing  the  load. extension or strain Breaking  Stress  : The  stress  required  to  cause  actual  facture  of  a  material  is  called  the  breaking  stress  Breaking  stress  =  F/A GOLDEN  KEY  POINTS  • Breaking  stress  also  measures  the  tensile  strength.  • Metals  with  small  plastic  deformation  are  called  brittle.  • Metals  with  large  plastic  deformation  are  called  ductile.  • Elasticity  restoring  forces  are  strictly  conservative  only  when  the  elastic  hysteresis  is  zero.  i.e.  the  loading and  unloading  stress  –  strain  curves  are  identical.  • The  material  which  have  low  elastic  hysteresis  have  also  low  elastic  relaxation  time. Example 100N Find  out  longitudinal  stress  and  tangential  stress  on  a  fixed  block. 300 1m Solution 5m 2m   Longitudinal  or  normal  stress 100 sin 300 1  5  2   =  5  N/m2 Tangential  stress 100 cos 300 3N / m2 2  5  2  5 Example node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 The  breaking  stress  of  aluminium  is  7.5  ×  108  dyne  cm–2.  Find  the  greatest  length  of  aluminium  wire  that can  hang  vertically  without  breaking.  Density  of  aluminium  is  2.7  g  cm–3.    [Given  :  g  =  980  cm  s–2] Solution Let    be  the  greatest  length  of  the  wire  that  can  hang  vertically  without  breaking. Mass  of  wire  m  =  cross–sectional  area  (A)  ×  length  ()  ×  density  (),  Weight  of  wire  =  mg  =  Ag This  is  equal  to  the  maximum  force  that  the  wire  can  withstand.  Breaking  stress  = Ag  g 7.5  ×  108  =    ×  2.7  ×  980 A   7.5  108 cm  =  2.834  ×  105cm=  2.834  km 2.7  980 4E

JEE-Physics Hooke's  Law If  the  deformation  is  small,  the  stress  in  a  body  is  proportional  to  the  corresponding  strain,  this  fact  is  known stress as  Hooke's  Law.  Within  elastic  limit  :  stress    strain    strain =constant This  constant  is  known  as  modulus  of  elasticity  or  coefficient  of  elasticity. The  modulus  of  elasticity  depends  only  on  the  type  of  material  used.  It  does  not  depend  upon  the  value  of stress  and  strain. Example Find  out  the  shift  in  point  B,  C  and  D FL MgL 10  10  0.1 S o l . LB  =  LAB  =  AY  AY   =  10 7  2.5  1010   =4  ×  10–3  m  =  4mm 100  0.2 LC  =  LB  +  LBC  =4  ×  10–3  +  107  4  1010   =4  ×  10–3  +  5  ×  10–3  =9mm 100  0.15 LD=LC  +  LCD  =  9  ×  10–3  +  10 7  1  1010 =9  ×  10–3  +  15  ×  10–3  =24  mm Young's  Mo dulus  of  Elast icit y  'Y' Within  elastic  limit  the  ratio  of  longitudinal  stress  and  longitudinal  strain  is  called  Young's  modulus  of  elasticity. longitudinal stress F / A F L Y  =  longitudinal strain =   / L =   A Within  elastic  limit  the  force  acting  upon  a  unit  area  of  a  wire  by  which  the  length  of  a  wire  becomes  double, is  equivalent  to  the  Young's  modulus  of  elasticity  of  material  of  a  wire.  If  L  is  the  length  of  wire,  r  is  radius and    is  the  increase  in  length  of  the  wire  by  suspending  a  weight  Mg  at  its  one  end  then  Young's  modulus Mg / r2  MgL of  elasticity  of  the  material  of  wire  Y=  / L  =  r2 Unit  of  Y  :  N/m2 Dimensions  of  Y  :  M1L–1T–2 Increment  of  length  due  to  own  weight Let  a  rope  of  mass  M  and  length  L  is  hanged  vertically.  As  the  tension  of  different  point on  the  rope  is  different.  Stress  as  well  as  strain  will  be  different  at  different  point. (i)  maximum  stress  at  hanging  point   (ii)  minimum  stress  at  lower  point dx node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 Consider  a  dx  element  of  rope  at  x  distance  from  lower  end  then  tension  T   M x  g  L  T  M  xg So  stress  =  A   =   L  A dy Let  increase  in  length  of  dx  is  dy  then  strain  =  dx M xg So  Young    modulus  of  elasticity  Y  =  stress LA     M  xg   =  dy / dx  L  dx  =  Y  dy strain A  Mg  Mg L2   =  Y    =  MgL dy      For  full  length  of  rope  LA 0L 0 LA 2 2AY xdx   =Y [Since  the  stress  is  varying  linearly  we  may  apply  average  method  to  evaluate  strain.] E5

JEE-Physics Example A  thin  uniform  metallic  rod  of  length  0.5  m  and  radius  0.1  m  rotates  with  an  angular  velocity  400  rad/s  in  a horizontal  plane  about  a  vertical  axis  passing  through  one  of  its  ends.  Calculate  (a)  tension  in  the  rod  and  (b)  the elongation  of  the  rod.  The  density  of  material  of  the  rod  is  104  kg/m3  and  the  Young's  modulus  is  2  ×  1011  N/ m2. Solution (a) Consider  an  element  of  length  dr  at  a  distance  r  from  the  axis  of  rotation  as  shown  in  figure.    The  centripetal  force  acting  on  this  element  will  be  dT  dmr2  Adr  r2 . r dr L As  this  force  is  provided  by  tension  in  the  rod  (due  to  elasticity),  so  the  tension  in  the rod  at  a  distance  r  from  the  axis  of  rotation  will  be  due  to  the  centripetal  force  due  to all  elements  between  x  =  r  to  x  =  L i.e., T  =  L A2rdr  1 A 2 L2  r2  ...(i) 2 r So  here T  =  1   ×  104  ×     ×  10–2  ×  (400)2   1  2  r2  =  8  106 1  r2  N 2  2    4   (b) Now  if  dy  is  the  elongation  in  the  element  of  length  dr  at  position  r  then  strain dy stress T 1 2   = =       =     [L2  –  r2] dr Y AY 2 Y So  the  elongation  of  the  whole  rod  400 2 0.5 3 2  1011       2 104 ×  L    2Y L L2  r 2   dr  =  1   2 L3 1   =  1  10 3 m 3 Y  = 3 0 3 Example Find  out  the  elongation  in  block.  If  mass,  area  of  cross-section  and  young  modulus  of  block  are  m,  A  and  y respectively.  smooth F Solution x node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 x dx m' T T T+dT F dx Acceleration, F m m F Fx a  =  m   then  T  =  ma where  m =   x;   T =   x  m  =   Tdx  Tdx  Fxdx F Elongation  in  element  ‘dx’  =  Ay ,  total  elongation,   =  Ay  = Ay   =  2Ay o o 6 E

JEE-Physics Bulk  modulus  of  elasticity  'K'  or  'B' Within  elastic  limit  the  ratio  of  the  volume  stress  and  the  volume  strain  is  called  bulk  modulus  of  elasticity. K  or  B  =  volume stress =   F / A     P volume strain V V VV The  minus  sign  indicates  a  decrease  in  volume  with  an  increase  in  stress. Unit  of  K  :  N  m–2  or  pascal Bulk  modulus  of  an  ideal  gas  is  process  dependence. dP For  isothermal  process  PV  =  constant   PdV  +  VdP  =  0    P= dV / V   So  bulk  modulus  =  P dP For  adiabatic  process  PV  =  constant   PV  1dV  V  dP  0  PdV  VdP  0  P  dV / V So  bulk  modulus  =  P dP For  any  polytropic  process  PVn  =  constant    nPVn–1dV|VndP=0      PdV+VdP=0   nP  = dV / V So  bulk  modulus  =  nP 1 Compressibility  :  The  reciprocal  of  bulk  modulus  of  elasticity  is  defined  as  compressibility.  C  K Modulus  of  Rigidity  '' Within  elastic  limit  the  ratio  of  shearing  stress  and  shearing  strain  is  called  modulus  of  rigidity  of  a  material. shearing stress  Ftan gential  Ftan gential   shearing strain A =   A    =     Note  :  Angle  of  shear  ''  always  take  in  radian node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 Poisson's  Ratio  ( In  elastic  limit,  the  ratio  of  lateral  strain  and  longitudinal  strain  is  called  Poisson's  ratio. D d  lateral strain  D d  D L   = longitudinal strain =  ,  where  = D = D   &  = L              D F E7

JEE-Physics Work  done  in  stretching  a  wire  (Potential  energy  of  a  stretched  wire) When  a  wire  is  stretched,  work  is  done  against  the  interatomic  forces,  which  is    stored  in  the  form  of elastic  potential  energy. For  a  wire  of  length  L   stretched  by  a  distance  x,  the  restoring  elastic  force  is  : o x L0 L0 F  =  stress  ×  area  =  Y  L  A   o The  work  has  to  be  done  against  the  elastic  restoring  forces  in  stretching  dx x F YA dW  =  F dx  =  L 0 x dx The  total  work  done  in  stretching  the  wire  from  x  =  0  to  x  =    is,  then  YA  YA  x2  YA ()2   2L o W  xdx Lo  2 0  = 0 Lo 11 W  =    ×  Y  ×  (strain)2  ×  original  volume= (stress)  (strain)  (volume) 22 GOLDEN  KEY  POINTS stressstrain  • The  value  of  K  is  maximum  for  solids  and  minimum  for  gases.  • For  any  ideal  rigid  body  all  three  elastic  modulus  are  infinite  . node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65  •  is  the  characteristic  of  solid  material  only  as  the  fluids  do  not  have  fixed  shape.  • Potential energy density  = area under the stress–strain curve.                                   • Young's  modulus  =  Slope  of  the  stress–strain  curve Example A  steel  wire  of  4.0  m  in  length  is  stretched  through  2.00  mm.  The  cross–sectional  area  of  the  wire  is  2.0 mm2.  If  Young's  modulus  of  steel  is  2.0  ×  1011  N/m2  find  (i)  the  energy  density  of  wire  (ii)  the  elastic  potential energy  stored  in  the  wire. Solution (i)    The  energy  density  of  stretched  wire 1 1 1 2  10 3 2 ×  2.0  ×  1011×        = 2 ×  stress  ×  strain= 2 ×  Y×  (strain)2=  =  2.5  ×  104  J/m3 2 4  (ii)    Elastic  potential  energy  =  energy  density  ×  volume  =  2.5  ×  104  ×  (2.0  ×  10–6)  ×  4.0  J  =  20  ×  10–2  =  0.20J 8E

JEE-Physics Example Find  the  depth  of  lake  at  which  density  of  water  is  1%  greater  than  at  the  surface.  Given  compressibility K  =  50  ×  10–6  /atm. Solution P V P m B  =  V / V      V =–  B Patm V We  know  P  =  P  +  hg   and  m  = V =  constant P=hg h atm dV  dV  0      d dV  P     1 hg m   =  –    i.e.    =   =  = Patm+ P  V  B  100 B V [assuming   =  constant];  hg B   =  1    hg 1 1 105  100K  100  50  106 100 105 100 103 h  =  5000  106  1000  10 =  50 m  =  2km Example A  rubber  cube  of  side  5  cm  has  one  side  fixed  while  a  tangential  force  equal  to  1800  N  is  applied  to  opposite face.  Find  the  shearing  strain  and  the  lateral  displacement  of  the  strained  face.  Modulus  of  rigidity  for  rubber  is 2.4  ×  106  N/m2. Solution Fx x x Stress  =  =   L  AL  Strain  =   F = 1800 106 180   =  3   =  0.3  rad A 25  10 4  2.4  = 10 25  24 x as  L   =  0.3     x  =  0.3  ×  5  ×  10–2  =  1.5  ×  10–2  m  =  1.5  mm Analogy  of  Rod  as  a  spring  A,Y k Y  =  stress F   or  F  =  AY           strain   Y  =  A   F F node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 AY    =  constant,  depends  on  type  of  material  and  geometry  of  rod. F  =  k  where  k  = AY =  equivalent  spring  constant.  For  the  system  of  rods  shown  in  figure  (a),  the  replaced  spring  system  is  shown  in  figure  (b)  [two  spring  in  series]. Figure  (c)  represents  equivalent  spring  system.  A1,Y1 k1=A1Y1 1 (c)  keq= k1k2 1 A2,Y2 k1+k2 (b)  (a)  k2=A2Y2 2 2 E9

JEE-Physics Figure  (d)  represents  another  combination  of  rods  and  their  replaced  spring  system. A1,Y1,1 A3,Y3,3 k1=A1Y1 1 k3=A3Y3 3 F (d)  (e)  A2Y2 2 A2,Y2,2 k2= F Example A  mass  ‘m’  is  attached  with  rods  as  shown  in  figure.  This  mass  is  slightly  stretched  and  released  whether  the motion  of  mass  is  S.H.M.,  if  yes  then  find  out  the  time  period. 1 A1,Y1 k1 2 A2,Y2                  k2 m m Solution k1k2 m m(k1  k2 )   where  k   = A 1 Y1     and A 2 Y2 Here  k   =    and  T  =  2  k eq   =  2  1 k= eq k1  k2 k1k2  2  1 2 Example A1, y1 Hanger  is  mass-less.  A  ball  of  mass  ‘m’  drops  from  a  height  ‘h’,  which  sticks  to  hanger  after  striking.  Neglect  over  turning,  find  out  the  maximum  extension 1 m h in  rod.    Assuming  rod  is  massless.  Let  maximum  extension  be  x . A1, y1 max 1 h Sol. Applying  energy  conservation  mg  (h  +  x   )  =  1   k1k2 x2 Hanger Enode6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 max 2 k1  k2 k2 where k  = A1y1 ;  k   = A2y2   &  K eq  A1 A 2 y1 y2 therefore 1 2 k1  1  2 A1y12  A 2 y 1  1 k x2   –  2mgx   –  2mgh  =  0 eq max max 2mg  4m2g2  8mghkeq mg m2g2 2mgh x   =  2 k eq   =  k 2 k eq max k eq eq 10

Otherway  by  S.H.M. JEE-Physics  keq   and  v  =    a2  y2 keq m keq 2mgh m2g2 m a2  y2    2gh =  k eq k 2   =  a mg 2gh eq y= keq equilibrium  mg m2g2 2mgh a position Maximum  extension    =  a  +  y  =  keq   +   k eq k eq Thermal  Stress  : If  temperature  of  rod  is  increased  by  T,  then  change  in  length    =     T;    strain  =     T  A,Y,   T             But  due  to  rigid  support,  there  is  no  strain.  Supports  provide  force  on  stresses  to  keep  the  length  of  rod  same stress F FF Y  = F       If  T  = (+)  tive strain FF FF Thermal  stress  =  y  strain  =  Y T If  T  =  (–)  tive F  Y  T F  =  AY  T A node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 Example When  composite  rod  is  free,  then  composite  length  increases  to  2.002  m  for  temperature  20°C  to  120°C. When  composite  rod  is  fixed  between  the  support,  there  is  no  change  in  component  length  find  y  and    of  steel, if  y   =  1.5  ×  1013  N/m2     =  1.6  ×  10–5/°C. cc steel copper 0.5m 2m Solution   =    s  T  +    cT    0.002  =  [1.5  s  +  0.5  ×  1.6  ×10–5]  ×  100   = 1.2  10 5 =  8  ×  10–6/°C s c s 1.5 there  is  no  change  in  component  length 11 E

JEE-Physics Final position of junction Initial position of junction For  steel //////////// //////////// Steel Copper //////////// For  copper x sas T Steel F Fs //////////// Ays cacT F Copper Fc Ayc x  =    s  T  –  Fs 0 F  s T ....(i) s A Ys  AYs ...(ii) x  =  Fc   –    c  T  =  0   F   =   cT A Yc c Ayc Y  =  Y  c 1.5  1013  16  105 (ii)/(i)   s c = s 8  106       Y   =  3  ×  1013  N/m2 s Applications  of  Elasticity Some  of  the  important  applications  of  the  elasticity  of  the  materials  are  discussed  as  follows  : The  material  used  in  bridges  lose  its  elastic  strength  with  time  bridges  are  declared  unsafe  after  long  use. To  e st imate  the  maximum  height  of  a  mountain  : node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 The  pressure  at  the  base  of  the  mountain  =  hg  =  stress. The  elastic  limit  of  a  typical  rock  is  3  ×  108    N  m–2 The  stress  must  be  less  than  the  elastic  limits,  otherwise  the  rock  begins  to  flow. h  <  3 108   <  3 108   <  104  m  (     =  3  ×  103  kg  m–3  ;  g  =  10  ms–2)    or h  =  10  km g 3 103 10 It  may  be  noted  that  the  height  of  Mount  Everest  is  nearly  9  km. E 12

JEE-Physics Torsion  consta nt  of  a  w ire C  =  r 4   Where    is  modulus  of  rigidity  r  and    is  radius  and  length  of  wire  respectively. 2 (a)  Toque  required  for  twisting  by  angle         =  C 1 (b)  Work  done  in  twisting  by  angle  ,  W  =    C2. 2 Effect  of  Temperature  on  elast icit y When  temperature  is  increased  then  due  to  weakness  of  inter  molecular  force  the  elastic  properties  in  general decreases  i.e.  elastic  constant  decreases.  Plasticity  increases  with  temperature.  For  example,  at  ordinary  room temperature,  carbon  is  elastic  but  at  high  temperature,  carbon  becomes  plastic.  Lead  is  not  much  elastic at  room  temperature  but  when  cooled  in  liquid  nitrogen  exhibit  highly  elastic  behaviour. For  a  special  kind  of  steel,  elastic  constants  do  not  vary  appreciably  temperature.  This  steel  is  called  'INVAR steel'. Effect  of  Impurity  on  elasticity Y  is  slightly  increase  by  impurity.  The  inter  molecular  attraction  force  inside  wire  effectively  increase  by  impurity due  to  this  external  force  can  be  easily  opposed. node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 E 13

JEE-Physics node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 SURFACE TENSION Surface tension is basically a property of liquid. The liquid surface behaves like a stretched elastic membrane which has a natural tendency to contract and tends to have a minimum possible area. This property of liquid is called surface tension. INTERMOLECULAR  FORCES l The  force  which  acts  between  the  atoms  or  the  molecules  of  different  substances  is  called  intermolecular  force. This  force  is  of  two  types. (a)    Cohesive  force  –  The  force  acting  between  the  molecules  of  one  type  of  molecules  of  same  substance  is called  cohesive  force. (b)    Adhesive  force  –  The  force  acting  between  different  types  of  molecules  or  molecules  of  different  substance is  called  adhesive  force. l Intermolecular  forces  are  different  from  the  gravitational  forces  not  obey  the  inverse–square  law l The  distance  upto  which  these  forces  effective,  is  called  molecular  range.  This  distance  is  nearly 10–9  m.    Within  this  limit  this  increases  very  rapidly  as  the  distance  decreases. l Molecular  range  depends  on  the  nature  of  the  substance Examples: • Water  Glass  :  Water  wets  glass  surface  but  mercury  does  not.  Because  when  water  comes  in  contact  with  glass the  adhesive  force  acts  between  water  and  glass  molecules.  As  adhesive  force  is  greater  than  the  cohesive  force of  water  molecules,  the  water  molecules,  cling  with  glass  surface  and  surface  become  wet.  In  case  of  mercury adhesive  force  is  less  than  that  of  cohesive  force  and  Hg–molecules  do  not  cling  with  glass  surface  and  surface does  not  wet  with  Hg–molecules. • Oil–water  :  Since    Cohesive  force  of  water  >Adhesive  force  oil–water>  Cohesive  force  of  oil. (i)      If  water  drop  is  poured  on  the  surface  of  oil,  it  contracts  in  the  form  of  globule. (ii)    If  oil  drop  is  poured  on  the  surface  of  water  it  spreads  to  a  larger  area  in  the  form  of  thin  film. • Ink–paper  :  Since  adhesive  force  between  ink–paper  >  cohesive  force  on  ink,  the  ink  sticks  to  the  paper. EXPL ANATION  OF  SURFACE  TENSION  (Molecular  theor y  of  sur face  Tension) Laplace  firstly  explained  the  phenomenon  of  surface  tension  on  the  basis  of  intermolecular  forces.  According  to him  surface  tension  is  a  molecular  phenomenon  and  its  root  causes  are  electromagnetic  forces.  He  explained the  cause  of  surface  tension  as  described  under.  If  the  distance  between  two  molecules  is  less  than  the  molecular range  C  (  10–9  m)  then  they  attract  each  other,  but  if  the  distance  is  more  than  this  then  the  attraction  becomes negligible.  If  a  sphere  of  radius  C  with  a  molecule  at  centre  is  drawn,  then  only  those  molecules  which  are enclosed  within  this  sphere  can  attract  or  be  attracted  by  the  molecule  at  the  centre  of  the  sphere.  This  sphere is  called  sphere  of  molecular  activity  or  sphere  of  influence.  In  order  to  understand  the  tension  acting  at  the  free surface  of  liquid,  let  us  consider  four  liquid  molecules  like  A,  B,  C  and  D  along  with  their  spheres  of  molecular activity. (a) According  to  figure  D  sphere  is  completely  inside  liquid.  So  molecule  is  attracted  equally  in  all  directions  and hence  resultant  force  is  equal  to  zero. (b) According  to  figure  sphere  of  molecule  C  is  just  below  the  liquid  surface.  So  resultant  force  is  equal  to  zero. (c) The  molecule  B  which  is  a  little  below  the  liquid  surface  is  more  attracted  downwards  due  to  excess  of  molecules downwards.  Hence  the  resultant  force  is  acting  downwards. 14 E

JEE-Physics (d) Molecule  A  is  situated  at  surface  so  that  its  sphere  of  molecular  activity  is  half  outside  the  liquid  and  half  inside.  Only down  portion  has  liquid  molecules.  Hence  it  experiences  a  maximum  downward  force.  Thus  all  the  molecules situated  between  the  surface  and  a  plane  XY,  distant  C  below  the  surface,  experience  a  resultant  downward cohesive  force.  When  the  surface  area  of  liquid  is  increased  molecules  from  the  interior  of  the  liquid  rise  to  the surface. A B liquid surface X C net downward force CY D zero resultant force P As  these  molecules  reach  near  the  surface,  work  is  done  against  the  downward  cohesive  force.  This  work  is stored  in  the  molecules  in  the  form  of  potential  energy.    Thus  the  potential  energy  of  the  molecules  lying  in  the surface  is  greater  than  that  of  the  molecules  in  the  interior  of  the  liquid.    A  system  is  in  stable  equilibrium  when its  potential  energy  is  minimum.  Hence  in  order  to  have  minimum  potential  energy  the  liquid  surface  tends  to have  minimum  number  of  molecules  in  it.  In  other  words  the  surfaces  tends  to  contract  to  a  minimum  possible area.  This  tendency  is  exhibited  as  surface  tension. GOLDEN  KEY  POINTS  • Surface  tension  is  a  scalar  quantity.  • It  acts  tangential  to  liquid  surface.  • Surface  tension  is  always  produced  due  to  cohesive  force.  • More  is  the  cohesive  force,  more  is  the  surface  tension.  • When  surface  area  of  liquid  is  increased,  molecules  from  the  interior  of  the  liquid  rise  to  the  surface.  For  this, work  is  done  against  the  downward  cohesive  force. As  a  result,  its  potential  energy  increases  and  internal  energy  decreases.  So  on  increase  in  surface  area  cooling occurs.    If  liquid  temperature  remains  same,  then  extra  energy  may  be  given  by  external  agency.  So  the molecules  in  the  surface  have  some  additional  energy  due  to  their  position.    This  additional  energy  per  unit area  of  the  surface  is  called  Surface  Energy,  free  surface  energy  or  surface  energy  density. DEPENDENCY  OF  SURFACE  TENSIONnode6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 l On  Cohesive  Force Those  factors  which  increase  the  cohesive  force  between  molecules  increase  the  surface  tension  and  those  which decrease  the  cohesive  force  between  molecules  decrease  the  surface  tension. l On  Impurities If  the  impurity  is  completely  soluble  then  on  mixing  it  in  the  liquid,  its  surface  tension  increases.  e.g.,  on  dissolving ionic  salts  in  small  quantities  in  a  liquid,  its  surface  tension  increases.  If  the  impurity  is  partially  soluble  in  a  liquid then  its  surface  tension  decreases  because  adhesive  force  between  insoluble  impurity  molecules  and  liquid molecules  decreases  cohesive  force  effectively,  e.g. (a)  On  mixing  detergent  in  water  its  surface  tension  decreases. (b)  Surface  tension  of  water  is  more  than  (alcohol  +  water)  mixture. l On  Temperature On  increasing  temperature  surface  tension  decreases.  At  critical  temperature  and  boiling  point  it  becomes  zero. Note  :  Surface  tension  of  water  is  maximum  at  4°C E 15

JEE-Physics l On  Contamination The  dust  particles  or  lubricating  materials  on  the  liquid  surface  decreases  its  surface  tension. l On  Electrification The  surface  tension  of  a  liquid  decreases  due  to  electrification  because  a  force  starts  acting  due  to  it  in  the outward  direction  normal  to  the  free  surface  of  liquid. DEFINITION  OF  SURFACE  TENSION Surface  tension  can  be  defined  in  the  form  of  an  imaginary  line  on  the  surface    or  by F B relating  it  to  the  work  done.  The  force  acting  per  unit  length  of  an  imaginary  line  drawn AF on  the  free  liquid  surface  at  right  angles  to  the  line  and  in  the  plane  of  liquid  surface,  is defined  as  surface  tension.  Let  an  imaginary  line  AB  be  drawn  in  any  direction  on  a liquid  surface.    The  surface  on  either  side  of  this  line  exerts  a  pulling  force,  which  is F perpendicular  to  line  AB.  If  force  is  F  and  length  of  AB  is  L  then  T  =  L SI  UNITS  :  N/m  and  J/m2                  CGS  UNITS  :  dyne/cm  and    erg/cm2                  Dimensions  :  M1L0 T–2 Illustrations: Ts in Ts in • When  any  needle  floats  on  the  liquid  surface  then  2T  sin  =  mg T T Ex.  A  mosquito  sitting  on  a  liquid  surface.   Tcos Tcos Mg • If  the  needle  is  lifted  from  the  liquid  surface  then    required  excess F l TT force  will  be  Fexcess  =  2T Minimum  force  required  F   =  mg  +  2T min • Required  excess  force  for  a  circular  thick  ring  (or  hollow  disc)  having internal  and  external  radii  r   and  r   is  dipped  in  and  taken  out  from r2 12 r1 liquid  F  =  F  +  F  =  T(2 r )    +  T(2 r )  =  2T(r1  +  r) TT excess 1 2 1 2 2 • Required  excess  force  for  a  circular  ring  (r   =  r   =  r) node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 12 F  =  2 T(  r  +  r)  =  4   r  T excess TT W • Required  excess  force  for  a  circular  disc    (r   =  0,  r   =  r) r 12 E F  =  2   rT excess T 16

JEE-Physics Surface  Energy D C According  to  molecular  theory  of  surface  tension  the  molecule  in  the  surface  have F=2T B some  additional  energy  due  to  their  position.  This  additional  energy  per  unit  area  of ST the  surface  is  called  '  Surface  energy\".  Let  a  liquid  film  be  formed  on  a  wire  frame Dx and  a straight  wire  of length    can  slide on  this  wire  frame  as  shown in  figure.  The  film A has  two  surfaces  and  both  the  surfaces  are  in  contact  with  the  sliding  wire  and  hence, exert  forces  of  surface  tension  on  it.  If  T  be  the  surface  tension  of  the  solution,  each surface  will  pull  the  wire  parallel  to  itself  with  a  force  T. Thus,  net  force  on  the  wire  due  to  both  the  surfaces  is  2T.  Apply  an  external  force  F  equal  and  opposite  to  it to  keep  the  wire  is  equilibrium.  Thus,  F=2T    Now,  suppose  the  wire  is  moved  through  a  small  distance  dx,  the work  done  by  the  force  is,  dW  =  F  dx  =  (2T)  dx  But  (2)  (dx)  is  the  total  increase  in  area  of  both  the  surfaces  of the  film.  Let  it  be  dA. Then,  dW  =  T  dA   T  =  dW/dA Thus,  the  surface  tension  T  can  also  be  defined  as  the  work  done  in  increasing  the  surface  area  by  unity. Further,  since  there  is  no  change  in  kinetic  energy,  the  work  done  by  the  external  force  is  stored  as  the  potential energy  of  the  new  surface. dU T  =   [as  dW  =  dU] dA Special  Cases • Work  done  (surface  energy)  in  formation  of  a  drop  of  radius  r  =  Work  done  against  surface  tension W  =  Surface  tension  T  ×    change  in  area  A  =  T  ×    4r2  =  4r2T • Work  done  (surface  energy)  in  formation  of  a  soap  bubble  of  radius  r  : W  =  T  ×    A  or  W  =  T    ×    2    ×  4r2 =  8r2T            [  soap  bubble  has  two  surfaces] Example The  length  of  a  needle  floating  on  water  is  2.5  cm.  Calculate  the  added  force  required  to  pull  the  needle  out  of water.  [T  =  7.2  ×    10–2  N/m] Solution The  force  of  surface  tension  F  =  T×    2  (  Two  free  surfaces  are  there)  F  =  7.2  ×    10–2  ×    2    ×    2.5  ×    10–2  =  3.6  ×    10–3  N Example A  paper  disc  of  radius  R  from  which  a  hole  of  radius  r  is  cut  out,  is  floating  in  a  liquid  of  surface  tension,  T.  What will  be  force  on  the  disc  due  to  surface  tension? Solution node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 FF T =  L = 2(R  r)   F = 2 (R + r)T Example Calculate  the  work  done  against  surface  tension  in  blowing  a  soap  bubble  from  a  radius  10  cm  to  20  cm  if  the surface  tension  of  soap  solution  is  25  ×    10–3  N/m.  Then  compare  it  with  liquid  drop  of  same  radius. Solution (i) For  soap  bubble  :  Extension  in  area  =  2  ×  4r 2  –2  ×  4r 2  =8  [(0.2)2–  (0.1)2]    =  0.24    m2 21 Work  done    W  =  surface  tension  ×    extension  in  area  =  25  ×    10–3  ×    0.24      =  6  ×    10–3  J 1 (ii) For  Liquid  Drop  :    in  case  of  liquid  drop  only  one  free  surface,  so  extension  in  area  will  be  half  of  soap  bubble   W2  =  W1   =  3    ×   10–3  J 2 E 17

JEE-Physics SPLITTING  OF  BIGGER  DROP  INTO  SMALLER  DROPLETS If  bigger  drop  is  spitted  into  smaller  droplets  then  in  this  process  volume  of  liquid  always  remain    conserved.    Let bigger  drop  has  radius  R.  It  is  splitted  into  n  smaller  drops  of  radius  r  then  by  conservation  of  volume (i)   4 R 3  n 4 r 3      n  R 3  r= R 3  3   r  n1/ 3 (ii) Initial  surface  area  =  4R2  and  final  surface  area  =  n(4r2) Therefore  initial  surface  energy  E  =  4R2T  and  final  surface  energy  E  =  n(4r2T) i f Change  in  area  A  =  n4r2  –  4R2  =  4 (nr2  –  R2) Therefore  the  amount  of  surface  energy  absorbed  i.e.  E  =  E  –  E  =  4T  (nr2  –  R2) f i   Magnitude  of  work  done  against  surface  tension  i.e.  W  =  4 (nr2  –  R2)T R  1      W  =  4R3T  1  1  W  =  4T  (nr2  –  R2)  =  4R2  T  (n1/3  –  1)  =  4R2T  r   r R  In  this  process  temperature  of  system  decreases  as  energy  gets  absorbed  in  increasing  surface  area. W  =  J  m  s    =    4R3T 1  1    4R3 T 1  1   = 3T 1  1  r R    4 R3Js  r R  Js  r R  3 Where    =  liquid  density,  s  =  liquid's  specific  heat Thus  in  this  process  area  increasing,  surface  energy  increasing,  internal  energy  decreasing,  temperature decreasing,  and  energy  is  absorbed. Example A  big  drop  is  formed  by  coalescing  1000  small  droplets  of  water  .What  will  be  the  change  in  surface  energy. What  will  be  the  ratio  between  the  total  surface  energy  of  the  droplets  and  the  surface  energy  of  the  big  drop  ? Solution 4 4R By  conservation  of  volume R3  =  1000  ×    r3 r =  3 3 10  R 2  Surface  energy  of  1000  droplets  =  1000  ×    T  ×    4 10  =  10  (T  ×    4R2) Surface  energy  of  the  big  drop  =  T  ×    4R2 Surface  energy  will  decrease  in  the  process  of  formation  of  bigger  drop,  hence  energy  is  released  and  temperature node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 increases  .    total surface energy of 1000 droplets   =  10(T  4R 2 )  10 surface energy of big drop T  4 R 2 1 Example A  water  drop  of  radius  1mm  is  broken  into  106  identical  drops.  Surface  tension  of  water  is 72  dynes/cm.  Find  the  energy  spent  in  this  process. Solution As  volume  of  water  remains  constant,  so 4 R 3   =  n 4 r3   r  =  R 3 3 n1 3 Increase  in  surface  area   A  =  n  (4r2)  –  4R2  =  4  (n1/3  –  1)  R2    =  4  (100  –  1)10–6   Energy  spent =  TA  =  4  ×    99  ×    10–6  ×    72  ×    10–3  =  89.5  ×    10–6  J 18 E

JEE-Physics EXCESS  PRESSURE  INSIDE  A  CURVED  LIQUID  SURFACE The  pressure  on  the  concave  side  of  curved  liquid  surface  is  greater  than  that  on  the  convex  side.  Therefore pressure  difference  exists  across  two  sides  of  a  curved  surface.  This  pressure  difference  is  called  excess  pressure. Excess  pressure  inside  the  drop Let  a  drop  of  radius  r  having  internal  and  external  pressure  P   and  P   respectively,  so  that  excess  pressure i0 P   =(P   –  P ). ex i 0 If  the  radius  of  the  drop  is  changed  from  r  to  (r+dr)  then dr Work  done  =  F.dr  =  (PA)  dr  =  P  4r2dr r Pi P0 Change  in  surface  area    =  r(r  +  dr)2–4r2=  8rdr So  by  definition  of  surface  energy  T  =  W 4 r2Pdr  = Pi  P0  2T A = 8 rdr P  = r ex Excess  pressure  inside  soap  bubble  : P0 Since  the  soap  bubble  has  two  surfaces.  The  excess  pressure  will  get doubled  as  compared  to  a  drop r Pi 2T 2T 4T P’ P   –P'  =  r ,  P'  –  P   =  r     excess  pressure  =  P –P   = r i 0 i0 GOLDEN  KEY  POINTS  • For  liquid  surface,  pressure  on  concave  side  is  always  higher    than  convex  side low  high  . high           low   • If  a  bubble  is  formed  inside  a  liquid,  the  pressure  inside  the    bubble  is  more  than  the  pressure  outside  the bubble.  • A  soap  film  is  formed  in  a  wire  frame.  A  loop  of  thread  is  lying  on  the  film.  If    the  film  inside  the  loop  is  broken then  the  tension  in  the  thread  will  be  2Tr.   node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65  • In  the  following  arrangement,  air  will  flow  from  bubble  A  to  B  if  T   and    T   are  opened,  because  pressure  in  A 23 is  greater  than  in  B. T2 T1 T3 AA  B  • 2AT The  force  required  to  separate  two  plates  of  Area  A  is  given  by  F  =  d E 19

JEE-Physics Example Prove  that  If  two  bubbles  of  radii  r   and  r   coalesce  isothermally  in  vacuum  then  the  radius  of  new  bubble  will  be 12 r  r12  r22 Solution When  two  bubbles  coalesce  then  number  of  molecules  of  air  will  remain  constant  and  temperature  also    constant 4T  4 r13   4T  4 r23  4T  4 r 3  r12  r22  3  r2  3  r  3  so  n  +  n  =  n   PV  +  PV  =  PV   r1   =   r=  1 2 11 22 Example Prove  that  If  two  bubbles  of  radii  r   and  r   (r   <  r )  come  in  contact  with  each  other  then  the  radius  of  curvature 1 21 2 r1r2 of  the  common  surface  r=  r2  r1 . Solution   P  >  P    Small  part  of  bubbles  is  in  equilibrium   r   <  r 1 2 12 r1 r2            P1 P2  P  A  –  P   A   =  4T A  4T – 4T = 4T r  =  r1r2 1 2 r r1 r2 r r2  r1 Example Calculate  the  excess  pressure  within  a  bubble  of  air  of  radius  0.1  mm  in  water.  If  the  bubble  had  been  formed 10  cm  below  the  water  surface  on  a  day  when  the  atmospheric  pressure  was  1.013  ×    105  Pa,  then  what  would have  been  the  total  pressure  inside  the  bubble?    Surface  tension  of  water  =  73  ×    10–3  N/m Solution Excess  pressure P  = 2T 2  73  103 =1460  Pa node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 = excess r 0.1  103 The  pressure  at  a  depth  d,  in  liquid  is  P  =  hdg.  Therefore,  the  total  pressure  inside  the  air  bubble  is 2T P   =  P   +  hdg  +      =  (1.013  ×    105)  +  (10  ×    10–2  ×    103  ×    9.8)  +  1460 in atm r           =  101300  +  980  +  1460  =  103740  =  1.037  ×    105  Pa Example   The  limbs  of  a  manometer  consist  of  uniform  capillary  tubes  of  radii  are  10–3  &  7.2  ×  10–4  m.  Find  out  the correct  pressure  difference  if  the  level  of  the  liquid  in  narrower  tube  stands  0.2  m  above  that  in  the  broader tube.(Density  of  liquid  =103  kg/m3,  Surface  tension  =  72  ×  10–3  N/m) 20 E

JEE-Physics Solution   If  P   and  P   are  the  pressures  in  the  broader  and  narrower  tubes  of  radii  r   and  r   respectively,  the  pressure  just 12 12 2T 2T below  the  meniscus  in  the  respective  tubes  will  be    P –  and  P –  1 r1 2 r2   2T    2T  1  1 P1  –    P2 So  that       r1   r2  =  hg   or  P –P   =  hg  –2T   r2 r1   12   P   –  P   =  0.2  ×  103  ×  9.8  –2  ×  72  ×  10–3     1  1  =  1960–  97  =  1863  Pa 12  7 .2  10 4 14  104  ANGLE  OF  CONTACT  (C) The  angle  enclosed  between  the  tangent  plane  at  the  liquid  surface  and  the  tangent  plane  at  the  solid  surface  at the  point  of  contact  inside  the  liquid  is  defined  as  the  angle  of  contact.  The  angle  of  contact  depends  the  nature of  the  solid  and  liquid  in  contact. l Effect  of  Temperature  on  angle  of  contact On  increasing  temperature  surface  tension  decreases,  thus  cosc    increases   cos c  1 T    and  c decrease. So  on  increasing  temperature,  c  decreases. l Effect  of  Impurities  on  angle  of  contact (a)  Solute  impurities  increase  surface  tension,  so  cosc  decreases  and  angle  of  contact  c increases. (b)  Partially  solute  impurities  decrease  surface  tension,  so  angle  of  contact  c decreases. l Effect  of  Water  Proofing  Agent Angle  of  contact  increases  due  to  water  proofing  agent.  It  gets  converted    acute  to  obtuse  angle. Table  of  a ngle  of  contact  of  various  solid–liquid  pair s node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 Solid - Liquid Pair ° C Glass -Normal water 8° Glass -Distilled water 0°      Glass - Alcohol 0° Glass - Mercury Paraffin wax - Water 135° Silver - Water 108° 90° Shape  of  Liquid  Surface When  a  liquid  is  brought  in  contact  with  a  solid  surface,  the  surface  of  the  liquid  becomes  curved  near  the  place of  contact.  The  shape  of  the  surface  (concave  or  convex)  depends  upon  the  relative  magnitudes  of  the  cohesive force  between  the  liquid  molecules  and  the  adhesive  force  between  the  molecules  of  the  liquid  and  the  solid. The  free  surface  of  a  liquid  which  is  near  the  walls  of  a  vessel  and  which  is  curved  because  of  surface  tension  is known  as  meniscus.  The  cohesive  force  acts  at  an  angle  45°  from  liquid  surface  whereas  the  adhesive  force  acts at  right  angles  to  the  solid  surface.  The  relation  between  the  shape  of  liquid  surface,  cohesive/adhesive  forces, angle  of  contact,  etc  are  summarised  in  the  table  below  : E 21

JEE-Physics  • Relation  between cohesive  and  adhesive  force                                     FA concave  surface         FA horizontal surface             FA convex  surface FR FC FR FC FC water water FR mercury silver glass glass FA  FC    FA  FC    FA  FC 2 2 2  • Shape  of  meniscus Concave Plane Convex  • Angle  of  contact    <   9 0 °    =   9 0 °    >   9 0 °  • Shape  of  liquid  drop C C C  • Level  of  liquid  • Wetting  property (Acute  angle) (Right  angle) (Obtuse  angle)  • Example C C C Liquid  rises  up  nor  falls Liquid  neither  rises Liquid  falls Liquid  wets  the Liquid  does  not  wet Liquid  does  not  wet solid  surface the  solid  surface the  solid  surface Glass  –  Water Silver  –  Water Glass  –  Mercury CAPILLARY  TUBE  AND  CAPILLARITY A  glass  tube  with  fine  bore  and  open  at  both  ends  is  known  as  capillary  tube.  The  property  by  virtue  of  which a  liquid  rise  or  depress  in  a  capillary  tube  is  known  as  capillarity.  Rise  or  fall  of  liquid  in  tubes  of  narrow  bore (capillary  tube)  is  called  capillary  action. Calculation  of  Capillary  Rise P Enlarged view r C T T P h PC h AB r= radius of the      capillary tube R r node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65  PC R= Radius of the  R = r      meniscus cos When  a  capillary  tube  is  first  dipped  in  a  liquid  as  shown  in  the  figure,  the  liquid  climbs  up  the  walls  curving  the surface.  The  liquid  continues  to  rise  in  the  capillary  tube  until  the  weight  of  the  liquid  column  becomes  equal  to force  due  to  surface  tension.    Let  the  radius  of  the  meniscus  is  R  and  the  radius  of  the  capillary  tube  is  r.  The angle  of  contact  is   surface  tension  is  T,  density  of  liquid  is    and  the  liquid  rises  to  a  height  h. Now  let  us  consider  two  points  A  and  B  at  the  same  horizontal  level  as  shown.  By  Pascal's  law P  =  P  P  =  P  +   gh  P  –  P  =   gh ( P  =  P  +  gh) A B A C A C B C 22 E

JEE-Physics Now,  the  point  C  is  on  the  curved  meniscus  which  has  P   and  P   as  the  two  pressures  on  its  concave  and  convex AC sides  respectively.  PA  PC  2T 2T 2T 2T cos      gh  2T cos   r gh  h  R r / cos r / cos  rg Zurin's  Law  : The  height  of  rise  of  liquid  in  a  capillary  tube  is  inversely  proportional  to  the  radius  of  the  capillary  tube,  if  T,   1  and  g  are  constant  h  r   or  rh  =  constant.  It  implies  that  liquid  will  rise  more  in  capillary  tube  of  less  radius and  vice  versa. GOLDEN  KEY  POINTS  • For  water  and  clean  glass  capillary  c    • If  angle  of  contact     is  acute  then  cos  is  positive,  so  h  is  positive  and  liquid  rises.  If    is  obtuse  then c  c c cosc is  negative,  so  h  is  negative,  therefore  liquid  depresses.  • Rise  of  liquid  in  a  capillary  tube  does  not  obey  the  law  of  conservation  of  energy.  • For  two  capillaries  of  radii  r   and  r ,  the  capillary  rise  h   and  h   are    such  that  h2  r1 .    The  relation h1 r2 12 12 between  h  and  r  is  graphically  represented  as    h r  • Inside  a  satellite,  water  will  rise  upto  top  level  but  will  not  come  outside.  Radius  of  curvature(R')  increases hR in  such  a  way  that  final  height  h'  is  reduced  and  given  by  h '  .  (It  is  in  accordance  with  Zurin's  law). R'  • If  a  capillary  tube  is  dipped  into  a  liquid  and  tilted  at  an  angle   from  vertical  then  the  vertical  height  of liquid  column  remains  same  whereas  the  length  of  liquid  column  in  the  capillary  tube  increases. h  h cos node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65       h  =  cos        • The  height  'h'  is  measured  from  the  bottom  of  the  meniscus.  However,  there  exist  some  liquid  above  this  line rg h  1 r  3  also.  If  correction  of  this  is  applied  then  the  formula  will  be    T  2 cos   • If  a  hollow  sphere  of  radius  r  which  has  a  fine  hole,  drowned  in  a  vessel  upto  h  depth,  then  liquid  will  not  enter upto  critical  height  h,  given  by  hg=  2T cos      [normally    therefore  cos   r E 23

JEE-Physics Example Calculate  the  height  to  which  water  will  rise  in  a  capillary  tube  of  diameter  1  ×    10–3  m.  [Given  :  surface  tension of  water  is  0.072  N  m–1,  angle  of  contact  is  0°,  g  =  9.8  m  s–2  and  density  of    water  =  1000  kg  m–3] Solution Height  of  capillary  rise  h  2T cos   5 2  0.072  cos 00 m  2.94  10 2 m rg  10 4  1000  9.8 Example Water  rises  to  a  height  of  20  mm  in  a  capillary.  If  the  radius  of  the  capillary  is  made  one  third  of  its  previous value  then  what  is  the  new  value  of  the  capillary  rise? Solution Since  h  2Tcos and  for  the  same  liquid  and  capillaries  of  difference  radii  h r =  hr rdg 1 1  22  h2  r1  1  3   hence  h   =  3h   =  3  ×  20  mm  =  60  mm h1 r2 21 1 / 3 node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 24 E

JEE-Physics FLUID STATICS Matter  exists  in  three  states  solid,  liquid  and  gas.  Liquids  and  gases  are  referred  to  as  fluids.  Any  state  of  matter  that can  flow  is  a  fluid.  Study  of  a  fluid  at  rest  is  called  fluid  statics  or  hydrostatics  and  the  study  of  fluid  in  motion  is  called fluid  dynamics  of  hydrodynamics.  Both  combined  are  called  fluid  mechanics. The  intermolecular  force  in  liquids  are  comparatively  weaker  than  in  solids.  Therefore,  their  shape  can  be  changed easily.  Thus  liquids  assume  the  shape  of  the  container.  But  their  volume  (or  density)  cannot  be  changed  so  easily. Liquids  are  incompressible  and  have  free  surface  of  their  own. The  intermolecular  forces  are  weakest  in  gases,  so  their  shape  and  size  can  be  changed  easily.  Gases  are  compress- ible  and  occupy  all  the  space  of  the  container. DENSITY  () Mass  per  unit  volume  is  defined  as  density.  So  density  at  a  point  of  a  fluid  is  represented  as m dm Density  is  a  positive  scalar  quantity.   Lim  V0 V dV SI  UNIT  : kg/m3 CGS  UNIT  :  g/cc Dimensions  : [ML–3] RELATIVE  DENSITY It  is  defined  as  the  ratio  of  the  density  of  the  given  fluid  to  the  density  of  pure  water  at  4°C. density of given liquid Relative  density  (R.D.)  =    density of pure water at 4°C Relative  density  or  specific  gravity  is  a  unitless  and  dimensionless  positive  scalar  physical  quantity. Being  a  dimensionless/unitless  quantity  R.D.  of  a  substance  is  same  in  SI  and  CGS  system. SPECIFIC  GR AVITY It  is  defined  as  the  ratio  of  the  specific  weight  of  the  given  fluid  to  the  specific  weight  of  pure  water  at  4°C. Specific  gravity  =  specific weight of given liquid m3 )    g   =  R.D.  of  the  liquid specific weight of pure water at 4°C (9.81 kN w  g w node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 Thus  specific  gravity  of  a  liquid  is  numerically  equal  to  the  relative  density  of  that  liquid  and  for  calculation purposes  they  are  used  interchangeably. Example   A  hollow  metallic  sphere  has  inner  and  outer  radii,  respectively,  as  5  cm  and  10  cm.  If  the  mass  of  the  sphere is  2.5  kg,  find  (a)  density  of  the  material,  (b)  relative  density  of  the  material  of  the  sphere. Solution The  volume  of  the  material  of  the  sphere  is  4  4  10 3  5  3  4  3  3  00   3  V r23    0.001 0 .0 00 12 5     r13   3.14   100     3.14  1 4 =  ×  3.14  ×  0.000875  m3  =  0.00367  m3 3 E 25

JEE-Physics M 2.5 (a)  Therefore,  density  of  the  material  of  the  sphere  is       = = kg/m3  =  681.2  kg/m3 V 0.00367 681.2 (b)  Relative  density  of  the  material  of  the  sphere  r  1000   =  0.6812 Density  of  a  Mixture  of  substance    in  the  proportion  of  mass   Let  a  number  of  substances  of  masses  M ,  M  ,  M  etc.,  and  densities  1 ,  2 ,  3   etc.  respectively  are  mixed 1 2 3 together.  The  total  mass  of  the  mixture  =  M   +  M   +  M   +.... 123 The  total  volume  =  M1 M2   +  M3   +  ....  therefore,  the  density  of  the  mixture  is   M1  M2  M 3.... 1 + 2 3 M1  M2  M3  .... 1 2 3 For  two  substances  the  density  of  the  mixture    12 M1  M2  2 M 1 1M2  Example Two  immiscible  of  densities  2.5  g/cm3  and  0.8  g/cm3  are  taken  in  the  ratio  of  their  masses  as  2:3  respectively. Find  the  average  density  of  the  liquid  combination. Solution Let  masses  be  2m  g  &  3m  g,  then  V  =  V   +  V   =   2m  3m    cm3 12  2.5 0.8  Total  mass  =  2m  +  3m  =  5m    g. Therefore,  the  average  density     =  5m 5m 5 10 av   =  2m  3m   =   =    gm/cm3  =  1.09  gm/cm3 V 2 3 9.1 2.5 0.8 2.5 0.8 Density  of  a  mixture  of  substance  in  the  proportion  of  volume Suppose  that  a  number  of  substances  of  volume  V ,  V ,  V  etc.  and  densities  1 ,  2 ,  3   etc.  respectively  are 1 2 3 mixed.  The  total  mass  of  the  mixture  is =  1V1  2V2  3V3  .... The  total  volume  of  the  mixture  is =  V1  +  V2  +  V3+......... Therefore,  the  density  of  the  mixture  is   1V1  2 V2  3 V3 node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 V1  V2  V3  .... Therefore,  for  two  substances  we  can  write   1V1  2V2 V1  V2 Example   Two  miscible  liquids  of  densities  1.2  gm/cc  and  1.4  gm/cc  are  mixed  with  a  proportion  ratio  of  their  volumes equal  to  3:5  :  What  is  the  density  of  resulting  liquid? Solution   1  1V1  2V2 1 V1  2 1.2 3 / 5  1.4 3 .6  7 V1  V2 V2 3 / 5  1 8        =    =    =         =  1.325 V1 / V2  1 26 E

JEE-Physics PRESSURE The  pressure  P  is  defined  as  the  magnitude  of  the  normal  force  acting  on  a  unit  surface  area. F A P  = A   here  F=  normal  force  on  a  surface  area  A                F F The  pressure  is  a  scalar  quantity.  This  is  because  hydrostatic  pressure  is  transmitted  equally  in  all  directions when  force  is  applied,  which  shows  that  a  definite  direction  is  not  associated  with  pressure. CONSEQUENCES  OF  PRESSURE (i) Railway  tracks  are  laid  on  large  sized  wooden  or  iron  sleepers.  This  is  because  the  weight  (force)  of  the  train  is spread  over  a  large  area  of  the  sleeper.  This  reduces  the  pressure  acting  on  the  ground  and  hence  prevents the  yielding  of  ground  under  the  weight  of  the  train. (ii) A  sharp  knife  is  more  effective  in  cutting  the  objects  than  a  blunt  knife.  The  pressure  exerted  =  Force  /  area. The  sharp  knife  transmits  force  over  a  small  area  as  compared  to  the  blunt  knife.  Hence  the  pressure  exerted in  case  of  sharp  knife  is  more  than  in  case  of  blunt  knife. (iii) A  camel  walks  easily  on  sand  but  a  man  cannot  inspite  of  the  fact  that  a  camel  is  much  heavier  than  man.  This is  because  the  area  of  camel's  feet  is  large  as  compared  to  man's  feet.  So  the  pressure  exerted  by  camel  on  the sand  is  very  small  as  compared  to  the  pressure  exerted  by  man.  Due  to  large  pressure,  sand  under  the  feet  of man  yields  and  hence  he  cannot  walk  easily  on  sand. TYPES  OF  PRESSURE There  are  three  types  of  pressure (i)    Atmospheric  pressure  (P ) (iii)    Gauge  pressure  (P ) (ii)  Absolute  pressure  (P ) 0 gauge abs. • Atmospheric  pressure    : Force  exerted  by  air  column  on  unit  cross–section  area  of  sea  level  called up to top of  atmospheric  pressure  (Po) atmosphere F air  area=1m2 P   = =101.3  kN/m2   P   =  1.013  ×  105  N/m2 column oA o sea  level Barometer  is  used  to  measure  atmospheric  pressure. Which  was  discovered  by  Torricelli. Atmospheric  pressure  varies  from  place  to  place  and  at  a  particular  place  from  time  to  time. node6\\E_NODE6 (E)\\Data\\2014\\Kota\\JEE-Advanced\\SMP\\Phy\\Unit No-4\\Fluid Mechanics\\English\\Theory.p65 • Gauge  Pressure    :   Excess  Pressure  (  P–  P )  measured  with  the  help  of  pressure  measuring  instrument  called  Gauge  pressure. atm Patm manometer gas               P  =  hg      or    P   h Pabsolute gauge gauge h Gauge  pressure  is  always  measured  with  help  of  \"manometer\" E 27


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