physics cheatsheet - diffraction, huygen etc
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 # Waves
 
-## Longitudinal and Transverse Waves
+## Mechanical waves
+- need a medium to travel through (fields for electromagnetic waves)
+- cannot transfer energy through vacuum
+- individual particles have little movement regardless of the distance of wave
+- **transfer of energy without net transfer of matter**
 
-Longitudinal - direction of motion parallel to wave
-Transverse - direction of motion perpendicular to wave
+**Nodes** - point of no motion (fixed point on graph)  
+**Antinodes** - point of maximum motion (peaks)
 
+**Crests** (peaks) & **troughs** (azimuths)
 
-## Wavelength & frequency
+### Longitudinal waves
 
+**Direction of motion is parallel to wave**
 
-$$v=f \times \lambda$$
+![](graphics/longitudinal-waves.png)
+
+### Transverse waves
+**Direction of motion is perpendicular to wave**
+- rarefactions (expansions)
+- compressions
+![](graphics/transverse-waves.png)
+
+### Measuring mechanical waves
+
+**Amplitude $A$** - max displacement from rest position (0)  
+**Wavelength $\lambda$** - distance between two points of same y-value (points are in phase)  
+**Frequency $f$** - number of cycles (wavelengths) per second
+
+$T={1 \over f}\quad$(period: time for one cycle)  
+$v=f \lambda \quad$(speed: displacement per second)
+
+### Doppler effect
+- occurs when there is relative movement between source and observer
+- inverse relationship between frequency and distance: $f \propto {1 \over d}$
+- applies to all types of wave
+- only affects apparent $f$; actual $f$ is constant
+
+When $P_1$ approaches $P_2$, each wave $w_n$ has slightly less distance to travel than $w_{n-1}$. Hence, $w_n$ reaches the observer sooner than $w_{n-1}$, increasing "apparent" wavelength.
 
 
-Nodes - point of no motion
-Antinodes - point of maximum motion (peaks)
 
-Crests (peaks) & troughs (azimuths)
 
 
 
 ## Interference patterns
 
-Standing wave - constructive interference at resonant frequency
+When a medium changes character:
+
+- some energy is *reflected*
+- some energy is *absorbed* by new medium
+- some energy is *transmitted*
+
+**Superposition** - stimuli add together at a given point (vector addition)  
+**Standing wave** - constructive interference at resonant frequency
+
+### Reflection
+
+**Diffuse** reflection - irregular surface reflects each ray in a different angle.
+
+#### Rays
+Two- or three-dimensional *wave fronts* can be reflected, e.g. waves at a beach.
+
+Direction of motion of wave fronts can be shown by arrows, called *rays*, which are perpendicular to the wave front:
+
+![](graphics/rays.png)
+
+Angle of incidence $\theta_i =$ angle of reflection $\theta_r$
+
+- Normal: $\perp$ to wall
+- Incident wave front: $\perp$ to incident ray
+- Incident ray: $\theta_i$
+
+#### Transverse
+- sign of reflected transverse wave is inverted when endpoint is fixed in y-axis (equivalent to $180^\circ=\pi={\lambda \over 2}$ phase change)
+- phase is constant if endpoint is free to move in y-axis (**reflected** is same as **incident**)
+
+## Harmonics
+
+**Harmonic** - fundamental (lowest) frequency to produce a certain number of wavelengths
+**Overtone** - a multiple of the fundamental harmonic which produces the same no. of wavelengths at a different frequency (due to constructive interference)
+
+#### Wave has antinodes at both ends:
+$\lambda = {{2l} \div n}\quad$ (wavelength for $n^{th}$ harmonic)  
+$f = {nv \div 2l}\quad$ (frequency for $n_{th}$ harmonic at length $l$ and speed $v$)
+
+#### Wave has antinode at one end:
+$\lambda = {{4l} \div n}\quad$ (wavelength for $n^{th}$ harmonic)  
+$f = {nv \div 4l}\quad$ (frequency for $n_{th}$ harmonic at length $l$ and speed $v$)
+
+## Light
+
+Newton - light as a particle
+- light speeds up as it travels through a solid medium
+
+Hooke - light as a wave
+- light slows down through solid medium
+
+### Huygen's principle
+**Each point on a wavefront can be considered a source of secondary wavelets**
+![](graphics/huygen.png)
+
+### Refraction
+**Change in direction caused by change in speed** e.g. prism
+$\Delta v$ depends on $\lambda$, so wavelengths become "split"
+![](graphics/refraction.png)
+
+Refractive index of a medium depends $\Delta v$ from $c$
+$n={c \over v}\quad$ (refractive index of medium)
+$n_1v_1=n_2v_2$ (equivalence between media)
+
+### Snell's law
+$n$ can be used to determine how much a ray will refract going between two media.
+
+$$n_1 \sin \theta_1=n_2 \sin \theta_2$$
+
+### Total internal reflection
+When $n_1 < n_2$, light is refracted *towards* normal ($90^\circ$ to medium border - "vertical" line in case of air/water).
+When $n_1 > n_2$, light is reflected *away* from normal.
+**Critical angle $\theta_c$** - angle of incidence $\theta_1$ at which $\theta_2 \gt 90^\circ$ to normal
+$n_1 sin \theta_c = n_2 \sin 90^\circ$
+$\therefore \theta_c = {n_2 \over n_1}$
+
+### Dispersion
+
+### Double Slit
+
+![](graphics/double-slit.png)
+**(a) Double slit as theorised by particle model** - "streams" of photons are concentrated in bright spots  
+**(b) Double slit as theorised by wave model** - waves disperse onto screen (overlapping)
+
+Young's double slit experiment supports wave model:
+- parallel slits of thickness comparable to $\lambda$
+- multiple wave fronts combine to form constructive / destructive interference
+- fringes - points of constructive interference (bright)
+- constructive interference when waves are **coherent** (in phase)
+- fringe in centre of slits
+- solve path difference using pythag
+
+![](graphics/double-slit-interference.png)
+
+Path difference $pd = |S_1P-S_2P|$ for point $p$ on screen
+
+Constructive interference when $pd = n\lambda$ where $n \in [0, 1, 2, ...]$  
+Destructive interference when $pd = (n-{1 \over 2})\lambda$ where $n \in [1, 2, 3, ...]$
+
+Fringe separation:
+$$\Delta x = {{\lambda l }\over d}$$
+
+where
+$\Delta x$ is distance between fringes  
+$l$ is distance from slits to screen  
+$d$ is separation between sluts ($=S_1-S_2$)
+
+## Electromagnetic waves
+
+![](graphics/em-waves.png)
+
+- electric waves and magnetic waves are perpendicular to each other due to Faraday's law
+
+Wave equation:
+
+$$c = f \lambda$$
+
+where
+$c$ is velocity (speed of light in this case)
+$f$ is frequency (Hz)
+$\lambda$ is wavelength (m)