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C o n n e x i o n s m o d u l e : m 4 2 0 9 6 1

T i m e , V e l o c i t y , a n d S p e e d

O p e n S t a x C o l l e g e

T h i s w o r k i s p r o d u c e d b y T h e C o n n e x i o n s P r o j e c t a n d l i c e n s e d u n d e r t h e

C r e a t i v e C o m m o n s A t t r i b u t i o n L i c e n s e

A b s t r a c t

E x p l a i n t h e r e l a t i o n s h i p s b e t w e e n i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y , a v e r a g e v e l o c i t y , i n s t a n t a n e o u s s p e e d ,

a v e r a g e s p e e d , d i s p l a c e m e n t , a n d t i m e .

C a l c u l a t e v e l o c i t y a n d s p e e d g i v e n i n i t i a l p o s i t i o n , i n i t i a l t i m e , n a l p o s i t i o n , a n d n a l t i m e .

D e r i v e a g r a p h o f v e l o c i t y v s . t i m e g i v e n a g r a p h o f p o s i t i o n v s . t i m e .

I n t e r p r e t a g r a p h o f v e l o c i t y v s . t i m e .

F i g u r e 1 : T h e m o t i o n o f t h e s e r a c i n g s n a i l s c a n b e d e s c r i b e d b y t h e i r s p e e d s a n d t h e i r v e l o c i t i e s . ( c r e d i t :

t o b i t a s i c k r , F l i c k r )

T h e r e i s m o r e t o m o t i o n t h a n d i s t a n c e a n d d i s p l a c e m e n t . Q u e s t i o n s s u c h a s , H o w l o n g d o e s a f o o t r a c e

t a k e ? a n d W h a t w a s t h e r u n n e r ' s s p e e d ? c a n n o t b e a n s w e r e d w i t h o u t a n u n d e r s t a n d i n g o f o t h e r c o n c e p t s .

I n t h i s s e c t i o n w e a d d d e n i t i o n s o f t i m e , v e l o c i t y , a n d s p e e d t o e x p a n d o u r d e s c r i p t i o n o f m o t i o n .

V e r s i o n 1 . 4 : M a y 1 6 , 2 0 1 3 1 0 : 0 1 a m - 0 5 0 0

h t t p : / / c r e a t i v e c o m m o n s . o r g / l i c e n s e s / b y / 3 . 0 /

h t t p : / / c n x . o r g / c o n t e n t / m 4 2 0 9 6 / 1 . 4 /

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1 T i m e

A s d i s c u s s e d i n P h y s i c a l Q u a n t i t i e s a n d U n i t s

1

, t h e m o s t f u n d a m e n t a l p h y s i c a l q u a n t i t i e s a r e d e n e d b y h o w

t h e y a r e m e a s u r e d . T h i s i s t h e c a s e w i t h t i m e . E v e r y m e a s u r e m e n t o f t i m e i n v o l v e s m e a s u r i n g a c h a n g e i n

s o m e p h y s i c a l q u a n t i t y . I t m a y b e a n u m b e r o n a d i g i t a l c l o c k , a h e a r t b e a t , o r t h e p o s i t i o n o f t h e S u n i n t h e

s k y . I n p h y s i c s , t h e d e n i t i o n o f t i m e i s s i m p l e t i m e i s c h a n g e , o r t h e i n t e r v a l o v e r w h i c h c h a n g e o c c u r s .

I t i s i m p o s s i b l e t o k n o w t h a t t i m e h a s p a s s e d u n l e s s s o m e t h i n g c h a n g e s .

T h e a m o u n t o f t i m e o r c h a n g e i s c a l i b r a t e d b y c o m p a r i s o n w i t h a s t a n d a r d . T h e S I u n i t f o r t i m e i s t h e

s e c o n d , a b b r e v i a t e d s . W e m i g h t , f o r e x a m p l e , o b s e r v e t h a t a c e r t a i n p e n d u l u m m a k e s o n e f u l l s w i n g e v e r y

0 . 7 5 s . W e c o u l d t h e n u s e t h e p e n d u l u m t o m e a s u r e t i m e b y c o u n t i n g i t s s w i n g s o r , o f c o u r s e , b y c o n n e c t i n g

t h e p e n d u l u m t o a c l o c k m e c h a n i s m t h a t r e g i s t e r s t i m e o n a d i a l . T h i s a l l o w s u s t o n o t o n l y m e a s u r e t h e

a m o u n t o f t i m e , b u t a l s o t o d e t e r m i n e a s e q u e n c e o f e v e n t s .

H o w d o e s t i m e r e l a t e t o m o t i o n ? W e a r e u s u a l l y i n t e r e s t e d i n e l a p s e d t i m e f o r a p a r t i c u l a r m o t i o n , s u c h

a s h o w l o n g i t t a k e s a n a i r p l a n e p a s s e n g e r t o g e t f r o m h i s s e a t t o t h e b a c k o f t h e p l a n e . T o n d e l a p s e d t i m e ,

w e n o t e t h e t i m e a t t h e b e g i n n i n g a n d e n d o f t h e m o t i o n a n d s u b t r a c t t h e t w o . F o r e x a m p l e , a l e c t u r e m a y

s t a r t a t 1 1 : 0 0 A . M . a n d e n d a t 1 1 : 5 0 A . M . , s o t h a t t h e e l a p s e d t i m e w o u l d b e 5 0 m i n . E l a p s e d t i m e t i st h e d i e r e n c e b e t w e e n t h e e n d i n g t i m e a n d b e g i n n i n g t i m e ,

t = tf t0, ( 1 )

w h e r e t i s t h e c h a n g e i n t i m e o r e l a p s e d t i m e , tf i s t h e t i m e a t t h e e n d o f t h e m o t i o n , a n d t0 i s t h e t i m e a t t h e b e g i n n i n g o f t h e m o t i o n . ( A s u s u a l , t h e d e l t a s y m b o l , , m e a n s t h e c h a n g e i n t h e q u a n t i t y t h a t f o l l o w s i t . )

L i f e i s s i m p l e r i f t h e b e g i n n i n g t i m e t0 i s t a k e n t o b e z e r o , a s w h e n w e u s e a s t o p w a t c h . I f w e w e r e u s i n g

a s t o p w a t c h , i t w o u l d s i m p l y r e a d z e r o a t t h e s t a r t o f t h e l e c t u r e a n d 5 0 m i n a t t h e e n d . I f t0 = 0 , t h e n t = tf t .

I n t h i s t e x t , f o r s i m p l i c i t y ' s s a k e ,

m o t i o n s t a r t s a t t i m e e q u a l t o z e r o (t0 = 0)

t h e s y m b o l t i s u s e d f o r e l a p s e d t i m e u n l e s s o t h e r w i s e s p e c i e d (t = tf t)

2 V e l o c i t y

Y o u r n o t i o n o f v e l o c i t y i s p r o b a b l y t h e s a m e a s i t s s c i e n t i c d e n i t i o n . Y o u k n o w t h a t i f y o u h a v e a l a r g e

d i s p l a c e m e n t i n a s m a l l a m o u n t o f t i m e y o u h a v e a l a r g e v e l o c i t y , a n d t h a t v e l o c i t y h a s u n i t s o f d i s t a n c e

d i v i d e d b y t i m e , s u c h a s m i l e s p e r h o u r o r k i l o m e t e r s p e r h o u r .

: A v e r a g e v e l o c i t y i s d i s p l a c e m e n t ( c h a n g e i n p o s i t i o n ) d i v i d e d b y t h e t i m e o f t r a v e l ,

v=x

t=

xf x0

tf t0, ( 2 )

w h e r e

vi s t h e a v e r a g e ( i n d i c a t e d b y t h e b a r o v e r t h e

v) v e l o c i t y ,

xi s t h e c h a n g e i n p o s i t i o n ( o r

d i s p l a c e m e n t ) , a n d xf a n d x0 a r e t h e n a l a n d b e g i n n i n g p o s i t i o n s a t t i m e s tf a n d t0 , r e s p e c t i v e l y .

I f t h e s t a r t i n g t i m e t0 i s t a k e n t o b e z e r o , t h e n t h e a v e r a g e v e l o c i t y i s s i m p l y

v=x

t. ( 3 )

1

" P h y s i c a l Q u a n t i t i e s a n d U n i t s " < h t t p : / / c n x . o r g / c o n t e n t / m 4 2 0 9 1 / l a t e s t / >


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N o t i c e t h a t t h i s d e n i t i o n i n d i c a t e s t h a t v e l o c i t y i s a v e c t o r b e c a u s e d i s p l a c e m e n t i s a v e c t o r . I t h a s b o t h

m a g n i t u d e a n d d i r e c t i o n . T h e S I u n i t f o r v e l o c i t y i s m e t e r s p e r s e c o n d o r m / s , b u t m a n y o t h e r u n i t s , s u c h

a s k m / h , m i / h ( a l s o w r i t t e n a s m p h ) , a n d c m / s , a r e i n c o m m o n u s e . S u p p o s e , f o r e x a m p l e , a n a i r p l a n e

p a s s e n g e r t o o k 5 s e c o n d s t o m o v e

4 m ( t h e n e g a t i v e s i g n i n d i c a t e s t h a t d i s p l a c e m e n t i s t o w a r d t h e b a c k o f

t h e p l a n e ) . H i s a v e r a g e v e l o c i t y w o u l d b e

v=x

t=4 m

5 s= 0 . 8 m / s . ( 4 )

T h e m i n u s s i g n i n d i c a t e s t h e a v e r a g e v e l o c i t y i s a l s o t o w a r d t h e r e a r o f t h e p l a n e .

T h e a v e r a g e v e l o c i t y o f a n o b j e c t d o e s n o t t e l l u s a n y t h i n g a b o u t w h a t h a p p e n s t o i t b e t w e e n t h e s t a r t i n g

p o i n t a n d e n d i n g p o i n t , h o w e v e r . F o r e x a m p l e , w e c a n n o t t e l l f r o m a v e r a g e v e l o c i t y w h e t h e r t h e a i r p l a n e

p a s s e n g e r s t o p s m o m e n t a r i l y o r b a c k s u p b e f o r e h e g o e s t o t h e b a c k o f t h e p l a n e . T o g e t m o r e d e t a i l s , w e

m u s t c o n s i d e r s m a l l e r s e g m e n t s o f t h e t r i p o v e r s m a l l e r t i m e i n t e r v a l s .

F i g u r e 2 : A m o r e d e t a i l e d r e c o r d o f a n a i r p l a n e p a s s e n g e r h e a d i n g t o w a r d t h e b a c k o f t h e p l a n e , s h o w i n g

s m a l l e r s e g m e n t s o f h i s t r i p .

T h e s m a l l e r t h e t i m e i n t e r v a l s c o n s i d e r e d i n a m o t i o n , t h e m o r e d e t a i l e d t h e i n f o r m a t i o n . W h e n w e

c a r r y t h i s p r o c e s s t o i t s l o g i c a l c o n c l u s i o n , w e a r e l e f t w i t h a n i n n i t e s i m a l l y s m a l l i n t e r v a l . O v e r s u c h a n

i n t e r v a l , t h e a v e r a g e v e l o c i t y b e c o m e s t h e i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y o r t h e v e l o c i t y a t a s p e c i c i n s t a n t . A c a r ' s

s p e e d o m e t e r , f o r e x a m p l e , s h o w s t h e m a g n i t u d e ( b u t n o t t h e d i r e c t i o n ) o f t h e i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y o f t h e

c a r . ( P o l i c e g i v e t i c k e t s b a s e d o n i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y , b u t w h e n c a l c u l a t i n g h o w l o n g i t w i l l t a k e t o g e t

f r o m o n e p l a c e t o a n o t h e r o n a r o a d t r i p , y o u n e e d t o u s e a v e r a g e v e l o c i t y . ) I n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y v i s

t h e a v e r a g e v e l o c i t y a t a s p e c i c i n s t a n t i n t i m e ( o r o v e r a n i n n i t e s i m a l l y s m a l l t i m e i n t e r v a l ) .

M a t h e m a t i c a l l y , n d i n g i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y , v , a t a p r e c i s e i n s t a n t t c a n i n v o l v e t a k i n g a l i m i t , a

c a l c u l u s o p e r a t i o n b e y o n d t h e s c o p e o f t h i s t e x t . H o w e v e r , u n d e r m a n y c i r c u m s t a n c e s , w e c a n n d p r e c i s e

v a l u e s f o r i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y w i t h o u t c a l c u l u s .


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3 S p e e d

I n e v e r y d a y l a n g u a g e , m o s t p e o p l e u s e t h e t e r m s s p e e d a n d v e l o c i t y i n t e r c h a n g e a b l y . I n p h y s i c s , h o w e v e r ,

t h e y d o n o t h a v e t h e s a m e m e a n i n g a n d t h e y a r e d i s t i n c t c o n c e p t s . O n e m a j o r d i e r e n c e i s t h a t s p e e d h a s

n o d i r e c t i o n . T h u s s p e e d i s a s c a l a r . J u s t a s w e n e e d t o d i s t i n g u i s h b e t w e e n i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y a n d

a v e r a g e v e l o c i t y , w e a l s o n e e d t o d i s t i n g u i s h b e t w e e n i n s t a n t a n e o u s s p e e d a n d a v e r a g e s p e e d .

I n s t a n t a n e o u s s p e e d i s t h e m a g n i t u d e o f i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y . F o r e x a m p l e , s u p p o s e t h e a i r p l a n e

p a s s e n g e r a t o n e i n s t a n t h a d a n i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y o f 3 . 0 m / s ( t h e m i n u s m e a n i n g t o w a r d t h e r e a r o f

t h e p l a n e ) . A t t h a t s a m e t i m e h i s i n s t a n t a n e o u s s p e e d w a s 3 . 0 m / s . O r s u p p o s e t h a t a t o n e t i m e d u r i n g a

s h o p p i n g t r i p y o u r i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y i s 4 0 k m / h d u e n o r t h . Y o u r i n s t a n t a n e o u s s p e e d a t t h a t i n s t a n t

w o u l d b e 4 0 k m / h t h e s a m e m a g n i t u d e b u t w i t h o u t a d i r e c t i o n . A v e r a g e s p e e d , h o w e v e r , i s v e r y d i e r e n t

f r o m a v e r a g e v e l o c i t y . A v e r a g e s p e e d i s t h e d i s t a n c e t r a v e l e d d i v i d e d b y e l a p s e d t i m e .

W e h a v e n o t e d t h a t d i s t a n c e t r a v e l e d c a n b e g r e a t e r t h a n d i s p l a c e m e n t . S o a v e r a g e s p e e d c a n b e g r e a t e r

t h a n a v e r a g e v e l o c i t y , w h i c h i s d i s p l a c e m e n t d i v i d e d b y t i m e . F o r e x a m p l e , i f y o u d r i v e t o a s t o r e a n d r e t u r n

h o m e i n h a l f a n h o u r , a n d y o u r c a r ' s o d o m e t e r s h o w s t h e t o t a l d i s t a n c e t r a v e l e d w a s 6 k m , t h e n y o u r a v e r a g e

s p e e d w a s 1 2 k m / h . Y o u r a v e r a g e v e l o c i t y , h o w e v e r , w a s z e r o , b e c a u s e y o u r d i s p l a c e m e n t f o r t h e r o u n d t r i p

i s z e r o . ( D i s p l a c e m e n t i s c h a n g e i n p o s i t i o n a n d , t h u s , i s z e r o f o r a r o u n d t r i p . ) T h u s a v e r a g e s p e e d i s n o t

s i m p l y t h e m a g n i t u d e o f a v e r a g e v e l o c i t y .

F i g u r e 3 : D u r i n g a 3 0 - m i n u t e r o u n d t r i p t o t h e s t o r e , t h e t o t a l d i s t a n c e t r a v e l e d i s 6 k m . T h e a v e r a g e

s p e e d i s 1 2 k m / h . T h e d i s p l a c e m e n t f o r t h e r o u n d t r i p i s z e r o , s i n c e t h e r e w a s n o n e t c h a n g e i n p o s i t i o n .

T h u s t h e a v e r a g e v e l o c i t y i s z e r o .

A n o t h e r w a y o f v i s u a l i z i n g t h e m o t i o n o f a n o b j e c t i s t o u s e a g r a p h . A p l o t o f p o s i t i o n o r o f v e l o c i t y

a s a f u n c t i o n o f t i m e c a n b e v e r y u s e f u l . F o r e x a m p l e , f o r t h i s t r i p t o t h e s t o r e , t h e p o s i t i o n , v e l o c i t y , a n d

s p e e d - v s . - t i m e g r a p h s a r e d i s p l a y e d i n F i g u r e 4 . ( N o t e t h a t t h e s e g r a p h s d e p i c t a v e r y s i m p l i e d m o d e l

o f t h e t r i p . W e a r e a s s u m i n g t h a t s p e e d i s c o n s t a n t d u r i n g t h e t r i p , w h i c h i s u n r e a l i s t i c g i v e n t h a t w e ' l l

p r o b a b l y s t o p a t t h e s t o r e . B u t f o r s i m p l i c i t y ' s s a k e , w e w i l l m o d e l i t w i t h n o s t o p s o r c h a n g e s i n s p e e d . W e

a r e a l s o a s s u m i n g t h a t t h e r o u t e b e t w e e n t h e s t o r e a n d t h e h o u s e i s a p e r f e c t l y s t r a i g h t l i n e . )


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F i g u r e 4 : P o s i t i o n v s . t i m e , v e l o c i t y v s . t i m e , a n d s p e e d v s . t i m e o n a t r i p . N o t e t h a t t h e v e l o c i t y f o r

t h e r e t u r n t r i p i s n e g a t i v e .


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: I f y o u h a v e s p e n t m u c h t i m e d r i v i n g , y o u p r o b a b l y h a v e a g o o d s e n s e o f s p e e d s b e t w e e n a b o u t

1 0 a n d 7 0 m i l e s p e r h o u r . B u t w h a t a r e t h e s e i n m e t e r s p e r s e c o n d ? W h a t d o w e m e a n w h e n w e

s a y t h a t s o m e t h i n g i s m o v i n g a t 1 0 m / s ? T o g e t a b e t t e r s e n s e o f w h a t t h e s e v a l u e s r e a l l y m e a n ,

d o s o m e o b s e r v a t i o n s a n d c a l c u l a t i o n s o n y o u r o w n :

c a l c u l a t e t y p i c a l c a r s p e e d s i n m e t e r s p e r s e c o n d

e s t i m a t e j o g g i n g a n d w a l k i n g s p e e d b y t i m i n g y o u r s e l f ; c o n v e r t t h e m e a s u r e m e n t s i n t o b o t h

m / s a n d m i / h

d e t e r m i n e t h e s p e e d o f a n a n t , s n a i l , o r f a l l i n g l e a f

1 : C h e c k Y o u r U n d e r s t a n d i n g

( S o l u t i o n o n p . 9 . )

A c o m m u t e r t r a i n t r a v e l s f r o m B a l t i m o r e t o W a s h i n g t o n , D C , a n d b a c k i n 1 h o u r a n d 4 5 m i n u t e s .

T h e d i s t a n c e b e t w e e n t h e t w o s t a t i o n s i s a p p r o x i m a t e l y 4 0 m i l e s . W h a t i s ( a ) t h e a v e r a g e v e l o c i t y

o f t h e t r a i n , a n d ( b ) t h e a v e r a g e s p e e d o f t h e t r a i n i n m / s ?

4 S e c t i o n S u m m a r y

T i m e i s m e a s u r e d i n t e r m s o f c h a n g e , a n d i t s S I u n i t i s t h e s e c o n d ( s ) . E l a p s e d t i m e f o r a n e v e n t i s

t = tf t0, ( 5 )

w h e r e tf i s t h e n a l t i m e a n d t0 i s t h e i n i t i a l t i m e . T h e i n i t i a l t i m e i s o f t e n t a k e n t o b e z e r o , a s i f

m e a s u r e d w i t h a s t o p w a t c h ; t h e e l a p s e d t i m e i s t h e n j u s t t .

A v e r a g e v e l o c i t y

vi s d e n e d a s d i s p l a c e m e n t d i v i d e d b y t h e t r a v e l t i m e . I n s y m b o l s , a v e r a g e v e l o c i t y

i s

v=x

t=

xf

x0

tf

t0. ( 6 )

T h e S I u n i t f o r v e l o c i t y i s m / s .

V e l o c i t y i s a v e c t o r a n d t h u s h a s a d i r e c t i o n .

I n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y v i s t h e v e l o c i t y a t a s p e c i c i n s t a n t o r t h e a v e r a g e v e l o c i t y f o r a n i n n i t e s i m a l

i n t e r v a l .

I n s t a n t a n e o u s s p e e d i s t h e m a g n i t u d e o f t h e i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y .

I n s t a n t a n e o u s s p e e d i s a s c a l a r q u a n t i t y , a s i t h a s n o d i r e c t i o n s p e c i e d .

A v e r a g e s p e e d i s t h e t o t a l d i s t a n c e t r a v e l e d d i v i d e d b y t h e e l a p s e d t i m e . ( A v e r a g e s p e e d i s n o t t h e

m a g n i t u d e o f t h e a v e r a g e v e l o c i t y . ) S p e e d i s a s c a l a r q u a n t i t y ; i t h a s n o d i r e c t i o n a s s o c i a t e d w i t h i t .

5 C o n c e p t u a l Q u e s t i o n s

E x e r c i s e 2

G i v e a n e x a m p l e ( b u t n o t o n e f r o m t h e t e x t ) o f a d e v i c e u s e d t o m e a s u r e t i m e a n d i d e n t i f y w h a t

c h a n g e i n t h a t d e v i c e i n d i c a t e s a c h a n g e i n t i m e .

E x e r c i s e 3

T h e r e i s a d i s t i n c t i o n b e t w e e n a v e r a g e s p e e d a n d t h e m a g n i t u d e o f a v e r a g e v e l o c i t y . G i v e a n

e x a m p l e t h a t i l l u s t r a t e s t h e d i e r e n c e b e t w e e n t h e s e t w o q u a n t i t i e s .

E x e r c i s e 4

D o e s a c a r ' s o d o m e t e r m e a s u r e p o s i t i o n o r d i s p l a c e m e n t ? D o e s i t s s p e e d o m e t e r m e a s u r e s p e e d o r

v e l o c i t y ?


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7/9


E x e r c i s e 5

I f y o u d i v i d e t h e t o t a l d i s t a n c e t r a v e l e d o n a c a r t r i p ( a s d e t e r m i n e d b y t h e o d o m e t e r ) b y t h e t i m e

f o r t h e t r i p , a r e y o u c a l c u l a t i n g t h e a v e r a g e s p e e d o r t h e m a g n i t u d e o f t h e a v e r a g e v e l o c i t y ? U n d e r

w h a t c i r c u m s t a n c e s a r e t h e s e t w o q u a n t i t i e s t h e s a m e ?

E x e r c i s e 6

H o w a r e i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y a n d i n s t a n t a n e o u s s p e e d r e l a t e d t o o n e a n o t h e r ? H o w d o t h e y

d i e r ?

6 P r o b l e m s & E x e r c i s e s

E x e r c i s e 7

( S o l u t i o n o n p . 9 . )

( a ) C a l c u l a t e E a r t h ' s a v e r a g e s p e e d r e l a t i v e t o t h e S u n . ( b ) W h a t i s i t s a v e r a g e v e l o c i t y o v e r a

p e r i o d o f o n e y e a r ?

E x e r c i s e 8

A h e l i c o p t e r b l a d e s p i n s a t e x a c t l y 1 0 0 r e v o l u t i o n s p e r m i n u t e . I t s t i p i s 5 . 0 0 m f r o m t h e c e n t e r

o f r o t a t i o n . ( a ) C a l c u l a t e t h e a v e r a g e s p e e d o f t h e b l a d e t i p i n t h e h e l i c o p t e r ' s f r a m e o f r e f e r e n c e .

( b ) W h a t i s i t s a v e r a g e v e l o c i t y o v e r o n e r e v o l u t i o n ?

E x e r c i s e 9

( S o l u t i o n o n p . 9 . )

T h e N o r t h A m e r i c a n a n d E u r o p e a n c o n t i n e n t s a r e m o v i n g a p a r t a t a r a t e o f a b o u t 3 c m / y . A t

t h i s r a t e h o w l o n g w i l l i t t a k e t h e m t o d r i f t 5 0 0 k m f a r t h e r a p a r t t h a n t h e y a r e a t p r e s e n t ?

E x e r c i s e 1 0

L a n d w e s t o f t h e S a n A n d r e a s f a u l t i n s o u t h e r n C a l i f o r n i a i s m o v i n g a t a n a v e r a g e v e l o c i t y o f

a b o u t 6 c m / y n o r t h w e s t r e l a t i v e t o l a n d e a s t o f t h e f a u l t . L o s A n g e l e s i s w e s t o f t h e f a u l t a n d m a y

t h u s s o m e d a y b e a t t h e s a m e l a t i t u d e a s S a n F r a n c i s c o , w h i c h i s e a s t o f t h e f a u l t . H o w f a r i n t h e

f u t u r e w i l l t h i s o c c u r i f t h e d i s p l a c e m e n t t o b e m a d e i s 5 9 0 k m n o r t h w e s t , a s s u m i n g t h e m o t i o n

r e m a i n s c o n s t a n t ?

E x e r c i s e 1 1

( S o l u t i o n o n p . 9 . )

O n M a y 2 6 , 1 9 3 4 , a s t r e a m l i n e d , s t a i n l e s s s t e e l d i e s e l t r a i n c a l l e d t h e Z e p h y r s e t t h e w o r l d ' s

n o n s t o p l o n g - d i s t a n c e s p e e d r e c o r d f o r t r a i n s . I t s r u n f r o m D e n v e r t o C h i c a g o t o o k 1 3 h o u r s , 4

m i n u t e s , 5 8 s e c o n d s , a n d w a s w i t n e s s e d b y m o r e t h a n a m i l l i o n p e o p l e a l o n g t h e r o u t e . T h e t o t a l

d i s t a n c e t r a v e l e d w a s 1 6 3 3 . 8 k m . W h a t w a s i t s a v e r a g e s p e e d i n k m / h a n d m / s ?

E x e r c i s e 1 2

T i d a l f r i c t i o n i s s l o w i n g t h e r o t a t i o n o f t h e E a r t h . A s a r e s u l t , t h e o r b i t o f t h e M o o n i s i n c r e a s i n g

i n r a d i u s a t a r a t e o f a p p r o x i m a t e l y 4 c m / y e a r . A s s u m i n g t h i s t o b e a c o n s t a n t r a t e , h o w m a n y

y e a r s w i l l p a s s b e f o r e t h e r a d i u s o f t h e M o o n ' s o r b i t i n c r e a s e s b y 3 . 8 4 1 0 6 m ( 1 % ) ?

E x e r c i s e 1 3

( S o l u t i o n o n p . 9 . )

A s t u d e n t d r o v e t o t h e u n i v e r s i t y f r o m h e r h o m e a n d n o t e d t h a t t h e o d o m e t e r r e a d i n g o f h e r

c a r i n c r e a s e d b y 1 2 . 0 k m . T h e t r i p t o o k 1 8 . 0 m i n . ( a ) W h a t w a s h e r a v e r a g e s p e e d ? ( b ) I f t h e

s t r a i g h t - l i n e d i s t a n c e f r o m h e r h o m e t o t h e u n i v e r s i t y i s 1 0 . 3 k m i n a d i r e c t i o n 2 5 . 0 s o u t h o f e a s t ,w h a t w a s h e r a v e r a g e v e l o c i t y ? ( c ) I f s h e r e t u r n e d h o m e b y t h e s a m e p a t h 7 h 3 0 m i n a f t e r s h e

l e f t , w h a t w e r e h e r a v e r a g e s p e e d a n d v e l o c i t y f o r t h e e n t i r e t r i p ?

E x e r c i s e 1 4

T h e s p e e d o f p r o p a g a t i o n o f t h e a c t i o n p o t e n t i a l ( a n e l e c t r i c a l s i g n a l ) i n a n e r v e c e l l d e p e n d s

( i n v e r s e l y ) o n t h e d i a m e t e r o f t h e a x o n ( n e r v e b e r ) . I f t h e n e r v e c e l l c o n n e c t i n g t h e s p i n a l c o r d t o

y o u r f e e t i s 1 . 1 m l o n g , a n d t h e n e r v e i m p u l s e s p e e d i s 1 8 m / s , h o w l o n g d o e s i t t a k e f o r t h e n e r v e

s i g n a l t o t r a v e l t h i s d i s t a n c e ?


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E x e r c i s e 1 5

( S o l u t i o n o n p . 9 . )

C o n v e r s a t i o n s w i t h a s t r o n a u t s o n t h e l u n a r s u r f a c e w e r e c h a r a c t e r i z e d b y a k i n d o f e c h o i n w h i c h

t h e e a r t h b o u n d p e r s o n ' s v o i c e w a s s o l o u d i n t h e a s t r o n a u t ' s s p a c e h e l m e t t h a t i t w a s p i c k e d u p

b y t h e a s t r o n a u t ' s m i c r o p h o n e a n d t r a n s m i t t e d b a c k t o E a r t h . I t i s r e a s o n a b l e t o a s s u m e t h a t t h e

e c h o t i m e e q u a l s t h e t i m e n e c e s s a r y f o r t h e r a d i o w a v e t o t r a v e l f r o m t h e E a r t h t o t h e M o o n a n d

b a c k ( t h a t i s , n e g l e c t i n g a n y t i m e d e l a y s i n t h e e l e c t r o n i c e q u i p m e n t ) . C a l c u l a t e t h e d i s t a n c e f r o m

E a r t h t o t h e M o o n g i v e n t h a t t h e e c h o t i m e w a s 2 . 5 6 s a n d t h a t r a d i o w a v e s t r a v e l a t t h e s p e e d o f

l i g h t

3 . 0 0 1 0 8 m / s

.

E x e r c i s e 1 6

A f o o t b a l l q u a r t e r b a c k r u n s 1 5 . 0 m s t r a i g h t d o w n t h e p l a y i n g e l d i n 2 . 5 0 s . H e i s t h e n h i t a n d

p u s h e d 3 . 0 0 m s t r a i g h t b a c k w a r d i n 1 . 7 5 s . H e b r e a k s t h e t a c k l e a n d r u n s s t r a i g h t f o r w a r d a n o t h e r

2 1 . 0 m i n 5 . 2 0 s . C a l c u l a t e h i s a v e r a g e v e l o c i t y ( a ) f o r e a c h o f t h e t h r e e i n t e r v a l s a n d ( b ) f o r t h e

e n t i r e m o t i o n .

E x e r c i s e 1 7

( S o l u t i o n o n p . 9 . )

T h e p l a n e t a r y m o d e l o f t h e a t o m p i c t u r e s e l e c t r o n s o r b i t i n g t h e a t o m i c n u c l e u s m u c h a s p l a n e t s

o r b i t t h e S u n . I n t h i s m o d e l y o u c a n v i e w h y d r o g e n , t h e s i m p l e s t a t o m , a s h a v i n g a s i n g l e e l e c t r o n

i n a c i r c u l a r o r b i t 1 . 0 6 1 0 1 0 m i n d i a m e t e r . ( a ) I f t h e a v e r a g e s p e e d o f t h e e l e c t r o n i n t h i s o r b i t i s k n o w n t o b e 2. 2 0 1 0 6 m / s , c a l c u l a t e t h e n u m b e r o f r e v o l u t i o n s p e r s e c o n d i t m a k e s a b o u t t h e n u c l e u s . ( b ) W h a t i s t h e e l e c t r o n ' s a v e r a g e v e l o c i t y ?


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S o l u t i o n s t o E x e r c i s e s i n t h i s M o d u l e

S o l u t i o n t o E x e r c i s e ( p . 6 )

( a ) T h e a v e r a g e v e l o c i t y o f t h e t r a i n i s z e r o b e c a u s e

xf = x0; t h e t r a i n e n d s u p a t t h e s a m e p l a c e i t s t a r t s .

( b ) T h e a v e r a g e s p e e d o f t h e t r a i n i s c a l c u l a t e d b e l o w . N o t e t h a t t h e t r a i n t r a v e l s 4 0 m i l e s o n e w a y a n d

4 0 m i l e s b a c k , f o r a t o t a l d i s t a n c e o f 8 0 m i l e s .

d i s t a n c e

t i m e

=8 0 m i l e s

1 0 5 m i n u t e s

( 7 )

8 0 m i l e s

1 0 5 m i n u t e s

5 2 8 0 f e e t

1 m i l e

1 m e t e r

3 . 2 8 f e e t

1 m i n u t e

6 0 s e c o n d s

= 2 0 m / s ( 8 )


( a ) 3 . 0 1 0 4 m / s( b ) 0 m / s


2 1 0

7y e a r s


3 4 . 6 8 9 m / s = 1 2 4 . 8 8 k m / h S o l u t i o n t o E x e r c i s e ( p . 7 )

( a ) 4 0 . 0 k m / h

( b ) 3 4 . 3 k m / h , 2 5 S o f E .

( c ) a v e r a g e s p e e d = 3 . 2 0 k m / h ,

v= 0.S o l u t i o n t o E x e r c i s e ( p . 8 )

3 8 4 , 0 0 0 k m


( a ) 6 . 6 1 1 0 1 5 r e v / s ( b ) 0 m / s

G l o s s a r y

D e n i t i o n 1 : a v e r a g e s p e e d

d i s t a n c e t r a v e l e d d i v i d e d b y t i m e d u r i n g w h i c h m o t i o n o c c u r s

D e n i t i o n 2 : a v e r a g e v e l o c i t y

d i s p l a c e m e n t d i v i d e d b y t i m e o v e r w h i c h d i s p l a c e m e n t o c c u r s

D e n i t i o n 3 : i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y

v e l o c i t y a t a s p e c i c i n s t a n t , o r t h e a v e r a g e v e l o c i t y o v e r a n i n n i t e s i m a l t i m e i n t e r v a l

D e n i t i o n 4 : i n s t a n t a n e o u s s p e e d

m a g n i t u d e o f t h e i n s t a n t a n e o u s v e l o c i t y

D e n i t i o n 5 : t i m e

c h a n g e , o r t h e i n t e r v a l o v e r w h i c h c h a n g e o c c u r s

D e n i t i o n 6 : m o d e l

s i m p l i e d d e s c r i p t i o n t h a t c o n t a i n s o n l y t h o s e e l e m e n t s n e c e s s a r y t o d e s c r i b e t h e p h y s i c s o f a

p h y s i c a l s i t u a t i o n

D e n i t i o n 7 : e l a p s e d t i m e

t h e d i e r e n c e b e t w e e n t h e e n d i n g t i m e a n d b e g i n n i n g t i m e


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