
Throw a stone into a still pond and watch what happens. The stone itself sinks and stays put, but the rings it makes keep travelling outward, getting wider and wider. That travelling pattern is a wave. The book puts it neatly: a wave is a regular disturbance or variation that carries energy and spreads out from the source. Sunlight is the grandest example — energy from the Sun crosses millions of kilometres of empty space and reaches us as light waves, which are electromagnetic waves and need no medium at all.
Inside a medium the picture is a little different, and it is worth getting straight early. The particles of the medium do not travel with the wave. Each particle just wobbles up and down, or to and fro, about its own mean position, and hands the disturbance on to its neighbour. The energy moves; the material stays more or less where it was. That is why a cork on a pond bobs up and down as a ripple passes but does not get carried to the bank.
Six quantities describe any wave, and examiners love all six, so learn them as a set. Amplitude (A) is the biggest displacement of a particle from its rest position — how tall the wave is. Frequency (f) counts how many oscillations pass a point every second, in hertz. Wavelength (λ) is the distance between two neighbouring points that are doing exactly the same thing at the same time — two crests, for instance. Period (T) is the time for one complete oscillation, and it is simply the upside-down of frequency, T = 1/f. Speed (v) is how fast the pattern travels, and phase (φ) tells you where a point is in its cycle at a given moment.
Speed, frequency and wavelength lock together in the one equation you will use again and again in this chapter. A crest moves one full wavelength λ in one period T, so v = λ/T, and since 1/T = f, v = fλ (equation 7.1). If frequency goes up while speed stays fixed, wavelength must shrink — the two share the same product, so one cannot grow without the other shrinking.
Worked example 7.2 (book): a radio signal has λ₁ = 1500 m at f₁ = 200 kHz. What wavelength belongs to a transmitter at f₂ = 1000 kHz, and how fast do the radio waves travel? Both signals are radio waves, so both travel at the same speed: v = f₁λ₁ = (2.0 × 10⁵ Hz)(1500 m) = 3.0 × 10⁸ m s⁻¹ — the speed of light, as expected. Then λ₂ = v/f₂ = (3.0 × 10⁸)/(1.0 × 10⁶) = 300 m. Five times the frequency, one-fifth the wavelength, same speed.
ساکن تالاب میں پتھر پھینکیں تو کیا ہوتا ہے؟ پتھر خود ڈوب کر وہیں رہ جاتا ہے، مگر اس سے بننے والے دائرے باہر کی طرف پھیلتے چلے جاتے ہیں۔ یہ پھیلتا ہوا نمونہ ہی لہر ہے۔ کتاب کی تعریف یہ ہے: لہر ایک باقاعدہ خلل یا تبدیلی ہے جو توانائی لے کر ماخذ سے باہر پھیلتی ہے۔ سورج کی روشنی اس کی سب سے بڑی مثال ہے — سورج کی توانائی خالی خلا سے گزر کر روشنی کی لہروں کی صورت میں ہم تک پہنچتی ہے، اور ان لہروں کو کسی واسطے کی ضرورت نہیں ہوتی۔
کسی واسطے کے اندر تصویر ذرا مختلف ہے۔ واسطے کے ذرات لہر کے ساتھ سفر نہیں کرتے۔ ہر ذرہ اپنی اوسط جگہ کے گرد اوپر نیچے یا آگے پیچھے ہلتا ہے اور خلل اپنے پڑوسی کو سونپ دیتا ہے۔ توانائی آگے بڑھتی ہے، مادہ وہیں کا وہیں رہتا ہے۔ اسی لیے تالاب پر تیرتا ہوا کارک لہر گزرنے پر اوپر نیچے ہوتا ہے مگر کنارے تک نہیں پہنچ جاتا۔
ہر لہر کو چھ مقداروں سے بیان کیا جاتا ہے: ایمپلیٹیوڈ (A) ذرے کی آرام کی جگہ سے زیادہ سے زیادہ ہٹاؤ ہے؛ فریکوئنسی (f) ایک سیکنڈ میں گزرنے والے ارتعاشوں کی تعداد ہے؛ ویولینتھ (λ) دو پڑوسی ہم مرحلہ نقطوں کے درمیان فاصلہ ہے؛ پیریڈ (T) ایک مکمل ارتعاش کا وقت ہے، T = 1/f؛ رفتار (v) نمونے کے آگے بڑھنے کی رفتار ہے؛ اور فیز (φ) بتاتا ہے کہ کوئی نقطہ اپنے چکر میں اس وقت کہاں ہے۔ رفتار کا فارمولا v = fλ ہے: رفتار ایک جیسی رہے تو فریکوئنسی بڑھنے پر ویولینتھ چھوٹی ہو جاتی ہے۔
📌 کتاب کی مثال ۷.۲: پہلے سگنل کی λ₁ = 1500 میٹر اور f₁ = 200 کلوہرٹز ہے، تو رفتار v = f₁λ₁ = 3.0 × 10⁸ میٹر فی سیکنڈ بنی — روشنی کی رفتار۔ دوسرے ٹرانسمیٹر کی f₂ = 1000 کلوہرٹز پر ویولینتھ λ₂ = v/f₂ = 300 میٹر ہوگی۔ فریکوئنسی پانچ گنا ہوئی تو ویولینتھ پانچواں حصہ رہ گئی۔
Not all waves are the same kind of thing, and the book sorts them into four families. Mechanical waves need a material medium — solid, liquid or gas — because they are disturbances of the material itself: water waves, sound waves in air, water or solids, and earthquake (seismic) waves. Electromagnetic waves need no medium and happily cross a vacuum: radio waves, microwaves, infrared, visible light, ultraviolet, X-rays and gamma rays, in that order of rising frequency. Quantum waves belong to particles — matter waves and de Broglie waves of electrons in atoms, and photon waves of light quanta. Surface waves run along a boundary between two media, like wind-driven waves on the sea surface or seismic surface waves on the ground.
Then comes the split that matters most for this chapter: which way do the particles vibrate compared with the direction the energy travels? In a transverse wave the particles vibrate at right angles to the direction of travel — think of a rope flicked up and down, or the crests and troughs of a water wave. In a longitudinal wave the particles vibrate along the direction of travel, bunching up into compressions and spreading out into rarefactions — exactly what sound does in air. A stretched spring (slinky) shows both beautifully: flick it sideways for transverse, push and pull its end for longitudinal.
📌 Book note (Do you know?): the book points out that these wave types are not just textbook labels — they are the ideas behind whole branches of physics, engineering and everyday life, from medical imaging with X-rays to the sound of a plucked guitar string. Whenever a later section says "transverse" or "longitudinal", come back to this picture of particle motion and the rest will follow.
تمام لہریں ایک جیسی نہیں ہوتیں۔ کتاب انہیں چار خاندانوں میں بانٹتی ہے: مکینیکل لہریں جنہیں ٹھوس، مائع یا گیس کا واسطہ چاہیے، جیسے پانی کی لہریں، آواز اور زلزلے کی لہریں؛ برقی مقناطیسی لہریں جنہیں واسطے کی ضرورت نہیں، جیسے ریڈیو، مائیکروویو، حرارتی شعاعیں، روشنی، بالائے بنفشی، ایکس رے اور گاما شعاعیں؛ کوانٹم لہریں جو ذرات سے وابستہ ہیں، جیسے الیکٹران کی ڈی بروگلی لہریں؛ اور سطحی لہریں جو دو واسطوں کی سرحد پر چلتی ہیں، جیسے سمندر کی سطح کی لہریں۔
سب سے اہم تقسیم یہ ہے کہ ذرات کس سمت میں ہلتے ہیں۔ عرضی لہر میں ذرات توانائی کے سفر کی سمت کے عموداً ہلتے ہیں — جیسے رسی کو اوپر نیچے جھٹکا دینا۔ طولی لہر میں ذرات سفر کی سمت میں ہی ہلتے ہیں اور کبھی سکڑ کر کمپریشن اور کبھی پھیل کر ریئرفیکشن بناتے ہیں — آواز ہوا میں بالکل یہی کرتی ہے۔ اسپرنگ (سلنکی) پر دونوں اقسام آسانی سے دکھائی جا سکتی ہیں۔
What happens when two waves arrive at the same particle at the same time? The particle cannot follow two instructions at once, so it does the sensible thing: it adds them. That is the principle of superposition — if a particle is acted on by two waves at once, its resultant displacement is the algebraic sum of the individual displacements. Two crests meeting make a taller crest; a crest meeting a trough cancels out.
Work through the two clean cases. If the waves are in phase (crest on crest), y = y₁ + y₂, and if the two amplitudes are equal, y = 2y₁ — the wave doubles. If they are exactly out of phase (crest on trough), y = y₁ + (−y₂) = y₁ − y₂, and with equal amplitudes the result is zero — the particle does not move at all at that instant. The book generalises at once: for n waves, y = y₁ + y₂ + … + yₙ, or in function form, y(x, t) = y₁(x, t) + y₂(x, t) + … + yₙ(x, t). Here y(x, t) is the wave function: it tells you the displacement at position x at time t, i.e. the shape of the wave and how it changes.
One condition matters and is easy to forget in exams: superposition in this simple form applies to linear waves, or waves of small amplitude. And notice what the principle buys you — three whole phenomena fall out of it, and the rest of the chapter is really about them: two waves of the same frequency travelling the same way give interference; two of slightly different frequencies travelling the same way give beats; two of equal frequency travelling in opposite directions give stationary waves. Keep that three-way split in mind and the chapter stops feeling like a list.
📌 Book note (Ponder upon!): beside this section the book shows an interference pattern made by white light — bright and dark bands side by side. It is the same adding-up idea, only with light instead of water or sound. If two waves can cancel, darkness can be made by adding light to light — a strange thought the first time you meet it, and exactly what the next section explains.
جب دو لہریں ایک ہی وقت میں ایک ہی ذرے تک پہنچیں تو کیا ہوتا ہے؟ ذرہ دونوں ہدایتوں کا مجموعہ اختیار کرتا ہے۔ یہی سپرپوزیشن کا اصول ہے: کسی ذرے کا نتیجہ خیز ہٹاؤ انفرادی لہروں کے ہٹاؤ کا الجبری مجموعہ ہوتا ہے۔ دو چوٹیاں مل کر اونچی چوٹی بناتی ہیں، اور چوٹی گڑھے سے مل کر ختم ہو جاتی ہے۔
دو صاف صورتیں یاد رکھیں: لہریں ہم مرحلہ ہوں تو y = y₁ + y₂، اور برابر ایمپلیٹیوڈ ہو تو y = 2y₁ — لہر دگنی ہو جاتی ہے۔ لہریں بالکل مخالف مرحلہ میں ہوں تو y = y₁ − y₂، اور برابر ایمپلیٹیوڈ پر نتیجہ صفر — ذرہ اس لمحے بالکل نہیں ہلتا۔ n لہروں کے لیے y = y₁ + y₂ + … + yₙ۔ یہ اصول صرف خطی یا چھوٹے ایمپلیٹیوڈ والی لہروں پر اس سادہ صورت میں لاگو ہوتا ہے۔
اسی اصول سے تین مظاہر نکلتے ہیں جو پورا باب چلاتے ہیں: ایک ہی فریکوئنسی کی دو لہریں ایک سمت میں جائیں تو تداخل (interference)، تھوڑی مختلف فریکوئنسی کی دو لہریں ایک سمت میں جائیں تو بیٹس، اور برابر فریکوئنسی کی دو لہریں مخالف سمتوں میں جائیں تو ساکن لہریں بنتی ہیں۔
Interference is superposition with a strict condition: the two waves must have the same frequency and travel in the same direction. The book's experiment makes it concrete. Two loudspeakers S₁ and S₂ are driven by one audio generator, so they vibrate in step — sources like this are called coherent sources. A microphone wired to a CRO (cathode ray oscilloscope) is moved around in front of them, and the CRO screen shows how big the sound is at each point.
At some points, labelled P₁, P₃ and P₅, a compression from one speaker arrives together with a compression from the other, and rarefaction meets rarefaction. The displacements add, the CRO shows a large wave, and your ear hears loud sound. That is constructive interference. The book works out the path difference ΔS = S₂P − S₁P at P₁ as 4½λ − 3½λ = λ, and at P₃ and P₅ it finds 0 and λ. The pattern is obvious: whenever the path difference is a whole number of wavelengths, the waves add. So the condition is ΔS = nλ, where n = 0, ±1, ±2, ±3, …
At other points, P₂ and P₄, a compression meets a rarefaction and the two cancel — the CRO line goes flat and the sound dies away. That is destructive interference. There the path difference works out to 4λ − 3½λ = ½λ, and at P₄ also ½λ in the book's figure. So the condition is a half-wavelength, three halves, five halves, and so on: ΔS = (2n + 1)λ/2. If you remember only one pair of formulas from this chapter, make it these two — and remember which one has the "+1".
Worked example 7.1 (book): two speakers 3.0 m apart emit a 344 Hz tone. A microphone moves on a line 4.0 m from the speaker line and hears maximum loudness at the centre point O (path difference zero, constructive) and at the next maximum P. For that next maximum the path difference must be one wavelength: λ = S₂P₁ − S₁P₁. From the right triangle, S₂P₁ = √(3² + 4²) = √25 = 5 m, while S₁P₁ = 4 m, so λ = 5 − 4 = 1 m. Then v = fλ = 344 × 1 = 344 m s⁻¹, the speed of sound. Notice the trick: the geometry gives you the wavelength, and the wave equation turns it into a speed.
📌 Book note (Interesting fact!): the same interference paints the coloured bands on a thin soap film lit by white light — different wavelengths interfere constructively at different thicknesses, so you see colour where the film is thicker or thinner. Sound interference on a CRO and colours on a soap bubble are one idea wearing two costumes.
تداخل سپرپوزیشن کی وہ صورت ہے جس میں دونوں لہروں کی فریکوئنسی برابر ہو اور سمت ایک ہو۔ کتاب کا تجربہ اسے واضح کرتا ہے: دو لاؤڈ اسپیکر S₁ اور S₂ ایک ہی آڈیو جنریٹر سے چلتے ہیں، اس لیے وہ ایک ساتھ ہلتے ہیں — ایسے ماخذ کوہیرنٹ ماخذ کہلاتے ہیں۔ مائیکروفون کو CRO سے جوڑ کر مختلف نقطوں پر لے جایا جاتا ہے اور CRO کی اسکرین بتاتی ہے کہ ہر نقطے پر آواز کتنی بڑی ہے۔
کچھ نقطوں P₁، P₃ اور P₅ پر ایک اسپیکر کا کمپریشن دوسرے کے کمپریشن سے ملتا ہے، ہٹاؤ جمع ہوتے ہیں، CRO پر بڑی لہر نظر آتی ہے اور آواز بلند سنائی دیتی ہے — یہ تعمیری تداخل ہے۔ کتاب P₁ پر راستے کا فرق ΔS = 4½λ − 3½λ = λ نکالتی ہے، اور P₃ و P₅ پر صفر اور λ۔ چنانچہ شرط یہ بنی: ΔS = nλ، جہاں n = 0, ±1, ±2, …
دوسرے نقطوں P₂ اور P₄ پر کمپریشن ریئرفیکشن سے ملتا ہے اور دونوں ایک دوسرے کو ختم کر دیتے ہیں — CRO کی لکیر سیدھی ہو جاتی ہے اور آواز دب جاتی ہے۔ یہ تخریبی تداخل ہے، جس کی شرط ΔS = (2n + 1)λ/2 ہے، یعنی آدھی، ڈیڑھ، اڑھائی ویولینتھ وغیرہ۔
📌 کتاب کی مثال ۷.۱: دو اسپیکر 3.0 میٹر کے فاصلے پر 344 ہرٹز کا سر نکالتے ہیں۔ مائیکروفون 4.0 میٹر دور لکیر پر چلتا ہے اور مرکز O پر بلند ترین آواز سنتا ہے (راستے کا فرق صفر) اور اگلے بلند نقطے P پر۔ اگلے بلند نقطے کے لیے راستے کا فرق ایک ویولینتھ ہونا چاہیے: S₂P₁ = √(3² + 4²) = 5 میٹر، S₁P₁ = 4 میٹر، اس لیے λ = 1 میٹر، اور v = fλ = 344 میٹر فی سیکنڈ — آواز کی رفتار۔
Here is superposition doing a job in your pocket. A noise-cancelling headphone does not block sound with padding alone — it destroys it with sound. Step by step, as the book lists it: first, a microphone on the headphone picks up the ambient noise around you, the engine rumble or background chatter. Second, that signal goes to an amplifier and a processing unit inside the headphone. Third, the processor builds an "anti-noise" signal — the exact opposite of the incoming noise, same amplitude, opposite phase. Fourth, this anti-noise is played through the earpiece together with your music. Fifth, when anti-noise meets the real noise at your ear, the two cancel by destructive interference, and you hear mostly the music.
The book is honest about the limits, and so should you be in an answer: real headphones are an oversimplification of that five-step story. They use several microphones and complex algorithms to chase changing noise, and they work best on steady, low-frequency droning sounds rather than sudden sharp ones. But the core physics never changes — it is the out-of-phase case from section 7.2, y₁ + (−y₂) = 0, engineered into a product. If an exam asks for an application of superposition, this is the one to write first.
شور ختم کرنے والا ہیڈفون صرف موٹی گدی سے آواز نہیں روکتا — وہ آواز کو آواز سے ختم کرتا ہے۔ کتاب کے پانچ مراحل یہ ہیں: پہلے ہیڈفون کا مائیکروفون اردگرد کا شور پکڑتا ہے، جیسے انجن کی گڑگڑاہٹ یا لوگوں کی باتیں۔ دوسرے، یہ سگنل ہیڈفون کے اندر ایمپلیفائر اور پروسیسنگ یونٹ تک جاتا ہے۔ تیسرے، پروسیسر ایک "اینٹی نائز" سگنل بناتا ہے — آنے والے شور کا بالکل الٹ، برابر ایمپلیٹیوڈ مگر مخالف فیز۔ چوتھے، یہ اینٹی نائز آپ کی موسیقی کے ساتھ بجایا جاتا ہے۔ پانچویں، کان تک پہنچ کر دونوں ایک دوسرے کو تخریبی تداخل سے ختم کر دیتے ہیں اور آپ کو زیادہ تر موسیقی سنائی دیتی ہے۔
کتاب یہ بھی صاف بتاتی ہے کہ حقیقی ہیڈفون اس سادہ کہانی سے زیادہ پیچیدہ ہیں — کئی مائیکروفون اور پیچیدہ الگورتھم بدلتے ہوئے شور کا پیچھا کرتے ہیں، اور یہ مسلسل کم فریکوئنسی والے شور پر زیادہ اچھے کام کرتے ہیں۔ مگر بنیادی طبیعیات وہی ہے: مخالف مرحلہ، y₁ + (−y₂) = 0۔ امتحان میں سپرپوزیشن کا اطلاق پوچھا جائے تو یہی مثال سب سے پہلے لکھیں۔
Now flip the third case of superposition: two waves of the same frequency and amplitude travelling in opposite directions. Their sum does not travel at all. The pattern stays in one place, swelling up and down, and the book calls it a stationary wave (also called a standing wave) — "standing" because the shape stands in space, oscillating between positive and negative values without marching forward or back. Guitar strings and organ pipes both live on this idea.
The book builds the picture point by point along a string, marking seven points 1 to 7, spaced λ/4 apart, and watching them at t = 0, T/4, T/2, 3T/4 and T. Points 1, 3, 5 and 7 always end up with zero resultant displacement — whatever one wave does, the other undoes. These are nodes, points of zero amplitude, and neighbouring nodes sit λ/2 apart. Points 2, 4 and 6, by contrast, swing with the sum of both amplitudes — these are antinodes, points of maximum amplitude, sitting midway between nodes, so a node and the next antinode are λ/4 apart. The whole pattern of nodes and antinodes is the stationary wave.
Why does the energy not escape? Because a node never moves, energy cannot flow past it. It stays trapped between nodes, changing form as the wave oscillates: when the antinodes are at their extreme positions the energy is all potential, and when they whip through their equilibrium positions it is all kinetic. A stationary wave is therefore a store of energy standing in place, not a delivery of energy from one place to another — the exact opposite of the progressive waves you will meet in section 7.10.
اب سپرپوزیشن کی تیسری صورت دیکھیں: برابر فریکوئنسی اور ایمپلیٹیوڈ کی دو لہریں مخالف سمتوں میں چلیں تو ان کا مجموعہ کہیں سفر نہیں کرتا۔ نمونہ ایک ہی جگہ اوپر نیچے ہوتا رہتا ہے — یہی ساکن لہر (standing wave) ہے۔ گٹار کی تاریں اور آرگن پائپ اسی اصول پر کام کرتے ہیں۔
کتاب تار پر 1 سے 7 تک سات نقطے لے کر، جو λ/4 کے فاصلے پر ہیں، انہیں t = 0, T/4, T/2, 3T/4 اور T پر دیکھتی ہے۔ نقطے 1، 3، 5 اور 7 کا نتیجہ خیز ہٹاؤ ہمیشہ صفر رہتا ہے — یہ نوڈز ہیں، صفر ایمپلیٹیوڈ کے نقطے، اور دو پڑوسی نوڈز کے درمیان فاصلہ λ/2 ہے۔ نقطے 2، 4 اور 6 دونوں لہروں کے ایمپلیٹیوڈ کے مجموعے سے ہلتے ہیں — یہ اینٹی نوڈز ہیں، زیادہ سے زیادہ ایمپلیٹیوڈ کے نقطے، جو نوڈز کے عین درمیان ہوتے ہیں، اس لیے نوڈ اور اگلے اینٹی نوڈ کا فاصلہ λ/4 ہے۔
توانائی باہر کیوں نہیں نکلتی؟ کیونکہ نوڈ کبھی حرکت نہیں کرتا، اس لیے توانائی اس سے آگے نہیں گزر سکتی۔ وہ نوڈز کے درمیان قید رہتی ہے اور شکل بدلتی رہتی ہے: اینٹی نوڈز انتہائی مقام پر ہوں تو توانائی مکمل پوٹینشل، اور توازن کی جگہ سے گزریں تو مکمل حرکی ہوتی ہے۔
Take a string of length ℓ, clamp both ends, and stretch it with tension F. Pluck it and two waves run out from the pluck point, reflect off the clamped ends, and settle into a stationary wave. The ends cannot move, so they must be nodes. What happens in between depends on where you plucked.
(a) Plucked at the middle. The string vibrates in a single loop, with nodes at the two ends and one antinode in the middle. The distance between the two nodes is half a wavelength, so ℓ = λ₁/2, i.e. λ₁ = 2ℓ (7.2). The speed of waves on the string depends only on tension and mass per unit length m, not on where you plucked: v = √(F/m) (7.3). Frequency follows from v = fλ, so f₁ = v/λ₁ = v/(2ℓ), and substituting v gives f₁ = (1/2ℓ)√(F/m) (7.4). Only waves of this frequency are set up in this mode.
(b) Plucked at a quarter of its length. Now the string vibrates in two loops, with an extra node in the middle. Two node-gaps make one wavelength, so ℓ = λ₂ and λ₂ = ℓ (7.5) — half the wavelength of the first mode. Speed is unchanged (same tension, same string), so f₂ = v/λ₂ = v/ℓ = 2f₁. Two loops, double the frequency. The book's point is worth underlining: plucking harder does not change the pitch; plucking at a different point selects a different mode.
(c) Plucked at an arbitrary point. In general the string can vibrate in n loops with (n + 1) nodes and n antinodes, and the frequency is fₙ = n(v/2ℓ) = nf₁ (7.6) with wavelength λₙ = 2ℓ/n (7.7), for n = 1, 2, 3, … More loops, higher frequency, shorter wavelength — but fλ always stays equal to v. Three conclusions follow, and the book states them plainly. First, the allowed frequencies f₁, 2f₁, 3f₁, …, nf₁ form the harmonic series; f₁ is the fundamental (first harmonic), 2f₁ the second harmonic, and so on. Second, frequencies are quantised: only integral multiples are allowed, and waves at other frequencies are quickly damped out. Third, a musician tunes a string by changing tension (tightening the pegs) or changing the vibrating length (fingers on the neck) — both change f₁ through the formula above.
Worked example 7.3 (book): a stationary wave is set up in a string 120 cm long, fixed at both ends, vibrating in four segments at 120 Hz. Find its wavelength and fundamental frequency. (i) ℓ = 1.2 m, n = 4, and ℓ = nλₙ/2, so λ₄ = 2ℓ/n = (2 × 1.2)/4 = 0.6 m. (ii) fₙ = nf₁, so 120 = 4f₁ and f₁ = 30 Hz. Four segments means the fourth harmonic is sounding; the string's own fundamental is a quarter of that.
📌 Book note (Brain teaser): the book asks — a guitar string plucked at its centre, what harmonic is produced? From (a) above: one loop, nodes only at the ends, so it is the first harmonic (fundamental). And a second teaser on the next page asks how many nodes and antinodes form on a 2 m string sounding at 100 Hz — ⚠️ flagged honestly: as printed, that teaser cannot be answered uniquely, because the number of loops (the mode n) is not given; the frequency and length alone do not fix it. With n loops the answer would be (n + 1) nodes and n antinodes — but n itself must be known first, so no single number is invented here.
ℓ لمبائی کی تار لیں، دونوں سرے کس کر باندھیں اور F تناؤ سے کھینچیں۔ چھیڑنے پر دو لہریں چھیڑنے کی جگہ سے نکلتی ہیں، بند سروں سے پلٹتی ہیں اور ساکن لہر بن جاتی ہیں۔ سرے حرکت نہیں کر سکتے، اس لیے وہ نوڈز ہوں گے۔ درمیان میں کیا ہوتا ہے، یہ اس پر منحصر ہے کہ تار کہاں سے چھیڑی گئی۔
(الف) درمیان سے چھیڑنا: تار ایک لوپ میں ہلتی ہے، دونوں سروں پر نوڈز اور درمیان میں ایک اینٹی نوڈ۔ دو نوڈز کا فاصلہ آدھی ویولینتھ ہے، اس لیے ℓ = λ₁/2 یعنی λ₁ = 2ℓ۔ تار پر لہر کی رفتار صرف تناؤ اور فی یونٹ لمبائی کمیت m پر منحصر ہے: v = √(F/m)۔ چنانچہ بنیادی فریکوئنسی f₁ = (1/2ℓ)√(F/m)۔
(ب) چوتھائی لمبائی سے چھیڑنا: تار دو لوپس میں ہلتی ہے، درمیان میں ایک اضافی نوڈ آ جاتا ہے۔ اب ℓ = λ₂، یعنی ویولینتھ آدھی رہ گئی، اور رفتار ایک جیسی رہنے سے f₂ = 2f₁ — دو لوپس، دگنی فریکوئنسی۔
(ج) کسی بھی جگہ سے چھیڑنا: عام طور پر تار n لوپس میں ہل سکتی ہے، جن میں (n+1) نوڈز اور n اینٹی نوڈز ہوں گے، اور فریکوئنسی fₙ = nf₁، ویولینتھ λₙ = 2ℓ/n۔ اجازت یافتہ فریکوئنسیاں f₁, 2f₁, 3f₁, … ہارمونک سیریز کہلاتی ہیں؛ f₁ بنیادی یا پہلا ہارمونک ہے۔ فریکوئنسیاں کوانٹائزڈ ہیں — صرف صحیح ضربیں چلتی ہیں، باقی جلد ختم ہو جاتی ہیں۔ موسیقار تار کو تناؤ بدل کر (پیگ کس کر) یا ہلنے والی لمبائی بدل کر (انگلیاں رکھ کر) سر میں لاتا ہے۔
📌 کتاب کی مثال ۷.۳: 120 سینٹی میٹر (1.2 میٹر) لمبی تار چار حصوں میں 120 ہرٹز پر ہل رہی ہے۔ λ₄ = 2ℓ/n = 2.4/4 = 0.6 میٹر، اور f₁ = 120/4 = 30 ہرٹز۔ چار حصے یعنی چوتھا ہارمونک بج رہا ہے، اور تار کی اپنی بنیادی فریکوئنسی اس کا چوتھائی ہے۔
Air columns do the same thing as strings, but with longitudinal waves and one new rule about the ends. An organ pipe is a long hollow tube, open at both ends or closed at one end, in which sound sets up stationary waves. At an open end, air molecules are free to move, so the open end behaves as an antinode. At a closed end, the molecules are blocked, so it behaves as a node. Everything else is counting node-gaps.
Case 1 — open at both ends. (a) Fundamental: one node in the middle, antinodes at both ends. Two node-to-antinode gaps of λ₁/4 make the length, so ℓ = λ₁/2, λ₁ = 2ℓ (7.8), and f₁ = v/λ₁ = v/(2ℓ) (7.9). (b) Second mode: two nodes, three antinodes, ℓ = λ₂/4 + λ₂/2 + λ₂/4 = λ₂, so f₂ = v/ℓ = 2f₁. (c) In general, fₙ = n(v/2ℓ) = nf₁ and λₙ = 2ℓ/n (7.10) for n = 1, 2, 3, … — all harmonics, odd and even, are present, exactly like the string.
Case 2 — closed at one end. (a) Fundamental: one node at the closed end, one antinode at the open end — a single node-to-antinode gap, so ℓ = λ₁/4, λ₁ = 4ℓ (7.11), and f₁ = v/(4ℓ). A closed pipe of the same length sounds an octave lower than an open one — half the frequency, because its fundamental wavelength is twice as long. (b) Second mode: two nodes and two antinodes, ℓ = λ₃/4 + λ₃/2 = 3λ₃/4, so λ₃ = 4ℓ/3 and f₃ = 3v/(4ℓ) = 3f₁. Note the label: this is the third harmonic, even though it is only the second mode — the second harmonic is missing. (c) In general, fₙ = n(v/4ℓ) = nf₁ and λₙ = 4ℓ/n (7.13), but only for n = 1, 3, 5, … — only odd harmonics. The book's conclusion is a favourite exam line: a pipe open at both ends is richer in harmonics than one closed at one end.
Worked example 7.4 (book): an organ pipe 50 cm (0.5 m) long, speed of sound 350 m s⁻¹. (a) Open at both ends: f₁ = 350/(2 × 0.5) = 350 Hz, next harmonic f₂ = 2 × 350 = 700 Hz. (b) Closed at one end: f₁ = 350/(4 × 0.5) = 175 Hz, next harmonic (n = 3, not 2!) f₃ = 3 × 350/(4 × 0.5) = 525 Hz. Watch that trap: in a closed pipe the "next" harmonic after the fundamental is the third, not the second.
Worked example 7.5 (book): a church organ has pipes open at one end only, from 30 mm to 4 m long, speed of sound 340 m s⁻¹. Shortest pipe gives the highest fundamental: f_max = 340/(4 × 30 × 10⁻³) = 2833.33 Hz. Longest pipe gives the lowest: f_min = 340/(4 × 4) = 21.25 Hz. So the fundamental range is roughly 21 Hz to 2833 Hz — nearly the whole range of human hearing from one instrument, just by changing pipe length.
📌 Book notes: the book adds that in a real organ pipe the sound is driven by a wavering sheet of air, like a flute's jet, interacting with the pipe's upper lip to keep the oscillation going — and it teases you with a flute player whose flute sounds slightly sharp. The honest physics of that teaser: a warmer air column (or harder blowing) raises the speed of sound in the pipe, and since f = v/λ with λ fixed by the pipe length, the pitch rises — the flute goes sharp. That reasoning is derived here, not printed as a book answer, so treat it as explanation, not quotation.
ہوا کے کالم بھی تاروں والا کام کرتے ہیں، مگر طولی لہروں سے اور سروں کے بارے میں ایک نئے اصول کے ساتھ۔ آرگن پائپ ایک لمبی کھوکھلی نلی ہے، دونوں سروں سے کھلی یا ایک سرے سے بند۔ کھلے سرے پر ہوا کے مالیکیول آزادانہ حرکت کر سکتے ہیں، اس لیے کھلا سرا اینٹی نوڈ ہوتا ہے۔ بند سرے پر مالیکیول رک جاتے ہیں، اس لیے بند سرا نوڈ ہوتا ہے۔ باقی سب نوڈز کے فاصلوں کی گنتی ہے۔
صورت ۱ — دونوں سروں سے کھلا پائپ: بنیادی موڈ میں درمیان میں ایک نوڈ اور دونوں سروں پر اینٹی نوڈز، ℓ = λ₁/2، اس لیے f₁ = v/(2ℓ)۔ دوسرے موڈ میں دو نوڈز اور تین اینٹی نوڈز، f₂ = 2f₁۔ عام طور پر fₙ = nf₁، n = 1, 2, 3, … — تمام ہارمونکس، جفت اور طاق دونوں موجود ہیں، بالکل تار کی طرح۔
صورت ۲ — ایک سرے سے بند پائپ: بنیادی موڈ میں بند سرے پر نوڈ اور کھلے سرے پر اینٹی نوڈ، ℓ = λ₁/4، اس لیے f₁ = v/(4ℓ) — اتنی ہی لمبائی کا بند پائپ کھلے پائپ سے آدھی فریکوئنسی دیتا ہے۔ دوسرے موڈ میں f₃ = 3f₁ — یہ تیسرا ہارمونک ہے، دوسرا نہیں، کیونکہ دوسرا ہارمونک غائب ہے۔ عام طور پر صرف طاق ہارمونکس n = 1, 3, 5, … بنتے ہیں۔ اس لیے دونوں سروں سے کھلا پائپ ہارمونکس میں زیادہ مالا مال ہوتا ہے۔
📌 کتاب کی مثال ۷.۴: 50 سینٹی میٹر (0.5 میٹر) پائپ، آواز کی رفتار 350 میٹر فی سیکنڈ۔ دونوں سروں سے کھلا: f₁ = 350 Hz، اگلا f₂ = 700 Hz۔ ایک سرے سے بند: f₁ = 175 Hz، اگلا (n = 3) f₃ = 525 Hz۔ بند پائپ میں "اگلا" ہارمونک دوسرا نہیں تیسرا ہوتا ہے — یہی امتحان کی چال ہے۔ مثال ۷.۵: چرچ آرگن کے پائپ 30 ملی میٹر سے 4 میٹر تک، f_max ≈ 2833 Hz اور f_min = 21.25 Hz، یعنی بنیادی فریکوئنسی کی حد تقریباً 21 سے 2833 ہرٹز۔
Stationary waves are not only a string-and-pipe trick — they happen with microwaves too, and the book turns that into a measurable experiment. Microwaves are electromagnetic waves, called "micro" because their wavelengths are typically millimetres or centimetres, much shorter than radio waves. Confine them in a cavity or waveguide and they bounce back and forth, and when the microwave frequency matches the resonant frequency of the cavity, the incident and reflected waves superpose into a standing pattern of nodes and antinodes. Your kitchen microwave oven is the same physics: a magnetron makes the microwaves, a metal waveguide feeds them into a metal box, and the food sits in the standing pattern — which is also why the turntable rotates, so no part of the food stays stuck at a node.
The bench experiment is simple and elegant. A microwave source (transmitter) faces a metal reflector plate, with a probe detector on a stand between them, wired to a CRO. The waves travel to the plate, reflect back, and the outgoing and returning waves superpose into a stationary wave. Slide the probe (or the plate) along the line and the CRO shows the intensity rising and falling: strong at antinodes, weak at nodes. Measure the distance from one antinode to the next, and you have half a wavelength — double it for λ. One moving probe, one standing pattern, one wavelength: a complete measurement from a single idea.
ساکن لہریں صرف تار اور پائپ کا کھیل نہیں — مائیکروویوز سے بھی بنتی ہیں، اور کتاب اسے ایک قابل پیمائش تجربے میں بدل دیتی ہے۔ مائیکروویوز برقی مقناطیسی لہریں ہیں جنہیں "مائیکرو" اس لیے کہتے ہیں کہ ان کی ویولینتھ عام طور پر ملی میٹر یا سینٹی میٹر کے درجے کی ہوتی ہے، ریڈیو لہروں سے بہت چھوٹی۔ انہیں کسی گہا یا ویو گائیڈ میں قید کریں تو وہ آگے پیچھے اچھلتی ہیں، اور جب مائیکروویو کی فریکوئنسی گہا کی ریزوننٹ فریکوئنسی سے مل جائے تو آنے والی اور پلٹی ہوئی لہریں مل کر نوڈز اور اینٹی نوڈز کا ساکن نمونہ بنا دیتی ہیں۔ آپ کے کچن کا مائیکروویو اوون یہی طبیعیات ہے: میگنیٹرون مائیکروویوز بناتا ہے، دھاتی ویو گائیڈ انہیں دھاتی ڈبے میں پہنچاتا ہے، اور کھانا ساکن نمونے میں رکھا ہوتا ہے — اسی لیے ٹرن ٹیبل گھومتا ہے تاکہ کھانے کا کوئی حصہ نوڈ پر اٹکا نہ رہے۔
بینچ کا تجربہ سادہ ہے: مائیکروویو ماخذ کے سامنے دھاتی منعکس پلیٹ، درمیان میں اسٹینڈ پر پروب ڈیٹیکٹر جو CRO سے جڑا ہے۔ لہریں پلیٹ تک جا کر پلٹتی ہیں، آنے والی اور لوٹنے والی لہریں مل کر ساکن لہر بنا دیتی ہیں۔ پروب کو آگے پیچھے کریں تو CRO پر شدت کم زیادہ ہوتی نظر آتی ہے: اینٹی نوڈ پر زیادہ، نوڈ پر کم۔ ایک اینٹی نوڈ سے اگلے اینٹی نوڈ تک کا فاصلہ ناپیں تو آدھی ویولینتھ مل جاتی ہے، دگنی کریں تو پوری λ۔
Put a wall in a wave's way with a gap in it, and the wave does not simply march straight through the gap like a marching column. It bends around the edges and spreads out beyond the barrier. That bending and spreading is diffraction. It happens when a wave meets an obstacle or an opening (a slit) whose size is comparable to the wavelength of the wave. The rule of thumb is beautifully simple: the longer the wavelength, the greater the spreading, and vice versa. Sound bends around corners (which is why you hear someone in the next room before you see them), X-rays diffract off the regular rows of atoms in a crystal (the atomic spacing is of the order of the X-ray wavelength), and water waves do it in a tank where you can watch it happen.
The ripple tank is the apparatus that lets you watch it. It holds water, a vibrator (often a motorised needle) that makes straight or circular waves, obstacles such as small rectangular blocks or semicircular barriers, and gaps of different widths. Make the gap, run the vibrator, and repeat with different gap widths. When the gap is small compared with the wavelength, diffraction is strong: the waves bend well around the obstacle and spread into a semicircular pattern. As the gap widens relative to the wavelength, diffraction weakens and the waves pass through with less bending. The experiment shows the qualitative effect of gap width cleanly — narrow gap, big spread; wide gap, small spread — and that relationship, gap width versus wavelength, is exactly what the exam wants you to state.
Worked example 7.6 (book): in a ripple tank a wave generator makes 500 pulses in 10 s. Find the frequency and time period. Frequency is pulses per second: f = 500/10 = 50 Hz. Period is its reciprocal: T = 1/f = 1/50 = 0.02 s. A short calculation, but notice the method: count, divide by time, invert. The same two steps answer any "pulses in so many seconds" question.
📌 Book notes (For your information / Interesting information): a fine diffraction grating shows the colours of white light spread out — and the book points out that the fine rulings on a compact disc, each about 0.5 µm wide, act as a diffraction grating too: shine a small white source on a disc and the reflected light forms coloured lanes, each a diffraction pattern from the rulings. Your old CDs are diffraction gratings you already own.
لہر کے راستے میں دیوار آ جائے جس میں شگاف ہو، تو لہر سیدھی شگاف سے نہیں گزرتی — وہ کناروں کے گرد مڑتی ہے اور رکاوٹ سے آگے پھیل جاتی ہے۔ یہ مڑنا اور پھیلنا انعطاف (diffraction) ہے۔ یہ اس وقت ہوتا ہے جب لہر کسی رکاوٹ یا شگاف سے ٹکرائے جس کا حجم لہر کی ویولینتھ کے برابر ہو۔ اصول سادہ ہے: ویولینتھ جتنی بڑی، پھیلاؤ اتنا زیادہ، اور اس کے برعکس۔ آواز کونوں کے گرد مڑ جاتی ہے (اسی لیے اگلے کمرے کی آواز پہلے سنائی دیتی ہے)، ایکس رے کرسٹل کے ایٹموں کی قطاروں سے انعطاف کھاتی ہیں، اور پانی کی لہریں ٹینک میں یہی کرتی دکھائی دیتی ہیں۔
رپل ٹینک وہ آلہ ہے جس سے یہ دیکھا جاتا ہے: اس میں پانی، وائبریٹر (اکثر موٹر والی سوئی) جو سیدھی یا دائرہ نما لہریں بناتا ہے، رکاوٹیں اور مختلف چوڑائیوں کے شگاف ہوتے ہیں۔ شگاف ویولینتھ کے مقابلے میں چھوٹا ہو تو انعطاف زیادہ ہوتا ہے — لہریں رکاوٹ کے گرد اچھی طرح مڑ کر نیم دائرہ نمونہ بنا دیتی ہیں۔ شگاف چوڑا ہو تو انعطاف کم ہو جاتا ہے اور لہریں کم مڑ کر گزر جاتی ہیں۔ یہی تعلق امتحان میں پوچھا جاتا ہے: شگاف تنگ، پھیلاؤ زیادہ؛ شگاف چوڑا، پھیلاؤ کم۔
📌 کتاب کی مثال ۷.۶: رپل ٹینک میں 10 سیکنڈ میں 500 پلس بنیں۔ فریکوئنسی f = 500/10 = 50 ہرٹز، اور پیریڈ T = 1/f = 0.02 سیکنڈ۔
Sound two tuning forks of slightly different frequencies together and you do not hear two notes — you hear one note whose loudness slowly swells and fades, swells and fades. That periodic rise and fall of loudness is a beat. The book's definition is precise: when two waves of slightly different frequencies travelling in the same direction overlap, the resulting periodic variation of sound between maximum and minimum loudness is called beats.
Follow the book's numbers and the mechanism clicks into place. Two forks A and B both at 32 Hz sounded together give a single pure note — you can barely tell them apart. Load fork B with a little wax and its frequency drops slightly, say to 30 Hz. Sound them together now and the note alternately grows loud and fades. At some instant X the two waves displace the air in the same direction, so the resultant is large and the sound is loud. A quarter of a second later the displacement from one fork is opposite to the other, the resultant is minimum at Y, and the sound is faint or gone. Another quarter second on, they agree again at Z and the sound is loud again. In one second you hear two loud sounds and two faint ones — and the book's worked line gives the count directly: number of beats = f_A − f_B = 32 − 30 = 2 beats per second. In general, beat frequency f_beat = |f₁ − f₂|, the difference of the two frequencies. If the difference grows past about 10 Hz, the beats come too fast to pick out and the effect is lost.
Musicians turn this nuisance into a tool. To tune a string instrument, play a note against a note of known frequency and adjust the string — tightening or loosening it — until no beats are heard at all. No beats means the frequencies match. The book lists where beats show up in instruments: a guitar's two strings tuned a few cents apart, a piano's adjacent white and black keys, a violin's two strings under slightly different bow pressure or speed, two drums tuned slightly differently, a flute's two notes with slightly different embouchure, an organ's two pipes tuned slightly apart, and a synthesiser's two oscillators at slightly different frequencies. In every case the small frequency difference makes the amplitude breathe in and out, and that breathing is the beat. Sometimes players use beats deliberately for rhythmic colour; sometimes they are an unwanted wobble to be tuned away.
Worked example 7.7 (book) — the classic trap, read it twice: two forks give 3 beats per second; one fork is 256 Hz; loading it with wax lowers its frequency slightly, and the beat frequency becomes 1 Hz. Find the second fork's frequency. Before loading, f₂ = 256 ± 3, so 259 Hz or 253 Hz. Try 259 Hz first: if the first fork is loaded, its frequency falls below 256 Hz, moving away from 259 Hz, so beats would increase past 3 — but the observed beats decreased to 1. So 259 Hz is wrong. With 253 Hz the story fits: loading the first fork moves it towards 253 Hz, beats shrink, and indeed 256 − 253 = 3 before, and after a small fall the difference becomes 1. Answer: f₂ = 253 Hz. The lesson: when a fork is loaded, always test both candidates against what happens to the beat count — the direction of change tells you which candidate is real.
📌 Book note (Do you know?): the tuning fork itself was invented in 1711 by John Shore, a royal trumpeter and lutenist — a musician's tool invented by a musician, which is fitting for a section that ends with musicians tuning by ear.
تھوڑی مختلف فریکوئنسی والے دو ٹیوننگ فورک ایک ساتھ بجائیں تو دو سر نہیں سنائی دیتے — ایک ہی سر سنائی دیتا ہے جس کی بلندی آہستہ آہستہ بڑھتی اور گھٹتی رہتی ہے۔ آواز کی بلندی میں یہ متواتر کمی بیشی بیٹ کہلاتی ہے۔ کتاب کی تعریف: جب ایک سمت میں چلنے والی تھوڑی مختلف فریکوئنسی کی دو لہریں آپس میں ملیں تو آواز کی زیادہ سے زیادہ اور کم سے کم بلندی کے درمیان متواتر تبدیلی بیٹس کہلاتی ہے۔
کتاب کی تعدادوں سے طریقہ سمجھیں: A اور B دونوں 32 ہرٹز پر ایک ساتھ بجیں تو ایک خالص سر سنائی دیتا ہے۔ B پر تھوڑا سا موم لگا دیں تو اس کی فریکوئنسی کم ہو کر 30 ہرٹز ہو جاتی ہے۔ اب دونوں ایک ساتھ بجائیں تو سر کبھی بلند اور کبھی مدھم ہوتا ہے۔ کسی لمحے X پر دونوں لہریں ہوا کو ایک ہی سمت میں ہٹاتی ہیں تو نتیجہ بڑا اور آواز بلند ہوتی ہے۔ چوتھائی سیکنڈ بعد ایک فورک کا ہٹاؤ دوسرے کے مخالف ہو جاتا ہے، نتیجہ کم سے کم ہوتا ہے اور آواز مدھم یا غائب ہو جاتی ہے۔ ایک سیکنڈ میں دو بلند اور دو مدھم آوازیں سنائی دیتی ہیں — اور کتاب کی حسابی سطر یہ بتاتی ہے: بیٹس کی تعداد = f_A − f_B = 32 − 30 = 2 بیٹس فی سیکنڈ۔ عام اصول: بیٹ فریکوئنسی = دونوں فریکوئنسیوں کا فرق۔ فرق 10 ہرٹز سے زیادہ ہو جائے تو بیٹس اتنی تیز ہو جاتی ہیں کہ پہچانی نہیں جاتیں۔
موسیقار اسی کو آلہ ٹیون کرنے کا ذریعہ بناتے ہیں: کسی معلوم فریکوئنسی کے سر کے ساتھ اپنا سر بجا کر تار کو اس وقت تک کسیں یا ڈھیلا کریں جب تک بیٹس سنائی دینا بند نہ ہو جائیں۔ بیٹس کا ختم ہونا یعنی فریکوئنسیاں برابر ہو گئیں۔ کتاب گٹار، پیانو، وائلن، ڈرم، فلوٹ، آرگن اور سنتھیسائزر کی مثالیں دیتی ہے — ہر جگہ معمولی فرق ایمپلیٹیوڈ کو سانس کی طرح کم زیادہ کرتا ہے، اور وہی سانس بیٹ ہے۔
📌 کتاب کی مثال ۷.۷ (مشہور چال): دو فورک 3 بیٹس فی سیکنڈ دیتے ہیں، ایک کی فریکوئنسی 256 ہرٹز ہے، موم لگانے سے اس کی فریکوئنسی تھوڑی کم ہوتی ہے اور بیٹس 1 فی سیکنڈ رہ جاتی ہیں۔ دوسرے فورک کی فریکوئنسی؟ لوڈنگ سے پہلے f₂ = 256 ± 3، یعنی 259 یا 253 ہرٹز۔ 259 آزمائیں: پہلا فورک لوڈ ہونے پر 256 سے نیچے جائے گا، یعنی 259 سے دور ہوگا، تو بیٹس 3 سے بڑھنی چاہئیں — مگر مشاہدہ یہ ہے کہ بیٹس گھٹ کر 1 ہو گئیں، اس لیے 259 غلط ہے۔ 253 درست ہے: پہلا فورک 253 کی طرف بڑھتا ہے، فرق گھٹتا ہے۔ جواب: f₂ = 253 ہرٹز۔ سبق: فورک لوڈ ہو تو دونوں امیدواروں کو بیٹس کی تبدیلی کی سمت سے پرکھیں۔
So far the chapter has mostly dealt with waves that stand still. A progressive wave (travelling wave) is the opposite kind: it moves steadily in one direction, carrying energy from one point to another. Water waves, sound waves and light waves are all progressive waves. And once energy is on the move, you can ask how much of it passes through each square metre every second. That is intensity (I): the amount of energy transmitted per unit area per unit time in the direction of propagation, measured in watts per square metre (W m⁻²).
From the definition, I = E/(A × t), and since E/t is power P, I = P/A. For a source spreading evenly in all directions, the area is the surface of a sphere, A = 4πr², so intensity falls as the square of the distance — move twice as far away and the same power is spread over four times the area. The second relation is the one that surprises students: in a mechanical wave the energy is stored as kinetic and potential energy of the medium's particles, and the more a particle is displaced from its mean position, the more energy it carries. So intensity is proportional to the square of the amplitude: I ∝ A², or I = kA² (7.14), where k depends on the wave and the medium.
That square matters enormously. Double the amplitude and the intensity does not double — it quadruples. Triple it and intensity goes up nine times (this is exercise MCQ 7.8, and now you know why the answer is 9, not 3). It also explains a small everyday fact the book tucks in as a tidbit: the frequency and amplitude of a travelling wave are independent of each other, which is why you can turn up a song's volume (amplitude) without changing its pitch (frequency).
Worked example 7.8 (book): (a) A wave has intensity 0.5 W m⁻² at 3.0 m from the source. Its power? I = P/(4πr²), so P = I × 4πr² = 0.5 × 4 × 3.14 × (3.0)² = 0.5 × 113.04 = 56.52 W. (b) Two progressive waves have intensities 0.5 and 0.25 W m⁻²; their total intensity is simply the sum, I = 0.5 + 0.25 = 0.75 W m⁻². Worked example 7.9 (book): a speaker gives 50 W, spread evenly, and the sphere at 5 m has area about 314 m² (4π × 25 ≈ 314). Intensity I = P/A = 50/314 ≈ 0.159 W m⁻². Same formula, three different disguises — learn to spot P, A and r in the question and the rest is arithmetic.
📌 Book notes (Tidbits / Brain teaser): sound cannot travel through a vacuum, because there are no particles to carry it — a tidbit that also explains why the Sun's energy must arrive as electromagnetic waves, not sound. And the book's teaser asks for the decibel level of a wave of intensity 10 W m⁻² — ⚠️ flagged honestly: the chapter as printed gives no reference intensity and no decibel formula, so that teaser cannot be completed from this chapter alone; no number is invented here. (With the usual reference 10⁻¹² W m⁻² the level would be 130 dB, but that reference is not in the book's text, so it is not presented as the book's answer.)
اب تک باب میں زیادہ تر ساکن لہروں کی بات ہوئی۔ ترقی پذیر لہر اس کی ضد ہے: یہ ایک سمت میں مسلسل آگے بڑھتی ہے اور توانائی ایک جگہ سے دوسری جگہ لے جاتی ہے۔ پانی، آواز اور روشنی کی لہریں سب ترقی پذیر لہریں ہیں۔ جب توانائی سفر میں ہو تو پوچھا جا سکتا ہے کہ ہر مربع میٹر سے ہر سیکنڈ میں کتنی توانائی گزرتی ہے۔ یہی شدت (I) ہے: پھیلاؤ کی سمت میں فی یونٹ رقبہ فی یونٹ وقت منتقل ہونے والی توانائی، جس کی اکائی واٹ فی مربع میٹر ہے۔
تعریف سے I = E/(A × t)، اور چونکہ E/t طاقت P ہے، اس لیے I = P/A۔ اگر ماخذ ہر سمت میں یکساں پھیلے تو رقبہ کرے کی سطح A = 4πr² ہوگا، اس لیے شدت فاصلے کے مربع کے حساب سے گھٹتی ہے — فاصلہ دگنا ہو تو وہی طاقت چار گنا رقبے پر پھیل جاتی ہے۔ دوسرا تعلق حیران کن ہے: مکینیکل لہر میں توانائی واسطے کے ذرات کی حرکی اور پوٹینشل توانائی کی صورت میں ہوتی ہے، اور ذرہ اپنی اوسط جگہ سے جتنا زیادہ ہٹے گا، اتنی زیادہ توانائی لے جائے گا۔ اس لیے شدت ایمپلیٹیوڈ کے مربع کے متناسب ہے: I ∝ A² یعنی I = kA²۔
یہ مربع بہت اہم ہے: ایمپلیٹیوڈ دگنا ہو تو شدت دگنی نہیں، چار گنا ہو جاتی ہے؛ تین گنا ہو تو نو گنا (یہی مشقی MCQ 7.8 کا جواب ہے)۔ اسی لیے گانے کی آواز (ایمپلیٹیوڈ) بڑھانے سے اس کا سر (فریکوئنسی) نہیں بدلتا — دونوں ایک دوسرے سے آزاد ہیں۔
📌 کتاب کی مثالیں ۷.۸ و ۷.۹: (الف) شدت 0.5 W m⁻²، فاصلہ 3.0 میٹر ہو تو طاقت P = I × 4πr² = 0.5 × 113.04 = 56.52 واٹ۔ (ب) دو لہروں کی شدتیں 0.5 اور 0.25 ہوں تو کل شدت 0.75 W m⁻²۔ اسپیکر کی 50 واٹ طاقت 5 میٹر پر 314 مربع میٹر پر پھیلے تو شدت 50/314 ≈ 0.159 W m⁻²۔
Stand on a railway platform as a train approaches hooting, and the whistle sounds higher than it does after the train has passed and is moving away. The train's whistle has not changed — what changed is the spacing of the waves reaching your ear. That apparent change in frequency (or pitch) caused by relative motion between source and observer is the Doppler effect. It was first noticed by Johann Doppler in the light of stars: light from a star moving relative to Earth arrived with a slightly different frequency than the same light made on Earth.
Start with a source at rest emitting wavelength λ, with sound speed v. The observer receives f = v/λ waves per second. Now let the source move towards a stationary observer A with speed uₛ. Each new wave is emitted from a position a little closer to A, so the waves get squeezed together: in one second the source advances uₛ, and that advance is shared among f waves, so each wavelength shrinks by Δλ = uₛ/f. The wavelength A actually receives is λ_A = λ − Δλ = v/f − uₛ/f = (v − uₛ)/f. The apparent frequency is f_A = v/λ_A = [v/(v − uₛ)]f. Since v/(v − uₛ) is greater than 1, f_A is greater than f — higher pitch, exactly as the platform hears it. The change Δλ is called the Doppler shift.
Now the source moves away from a stationary observer B with speed uₛ. The same reasoning runs in reverse: each wave is emitted from a little farther away, the waves stretch, λ_B = λ + Δλ = (v + uₛ)/f, and the apparent frequency is f_B = [v/(v + uₛ)]f. The factor is less than 1, so f_B is less than f — lower pitch as the train recedes. One pair of formulas, two signs, and the sign is the whole story: minus in the denominator for approaching (waves squeezed, frequency up), plus for receding (waves stretched, frequency down). The book's learning outcomes cover only the moving-source, stationary-observer case, and that is what these formulas describe; a moving observer is not required here.
Worked example 7.10 (book) — relative motion done carefully: trucks P and Q travel the same way; P ahead at 12 m s⁻¹, Q behind at 20 m s⁻¹ sounding its horn, and P's driver estimates the horn at 830 Hz. What frequency does Q's own horn actually emit? (Speed of sound 340 m s⁻¹.) Q is closing on P at uₛ = 20 − 12 = 8 m s⁻¹ relative to P, so P hears the approaching-source frequency: 830 = [340/(340 − 8)] × f_Q, giving f_Q = (830 × 332)/340 = 810.47 Hz. The horn's true note is lower than what P hears, because Q is gaining on P and squeezing the waves.
Worked example 7.11 (book): a train sounds its horn at rest and the platform observer estimates 1200 Hz; 50 s after departure the horn sounds again and the observer estimates 1140 Hz. (Speed of sound 340 m s⁻¹.) The train is now moving away, so f′ = [v/(v + uₛ)]f: 1140 = [340/(340 + uₛ)] × 1200, so 340 + uₛ = (340 × 1200)/1140 = 357.89, and uₛ = 17.89 m s⁻¹. Starting from rest with steady acceleration, the average speed over 50 s is (0 + 17.89)/2, so distance S = 8.945 × 50 ≈ 448 m from the station. Two Doppler steps and one kinematics step, chained together.
📌 Book notes (Info Corner / Do you know?): hearing ranges differ wildly across species — the book's table gives dolphin 150–150,000 Hz, bat 1000–120,000 Hz, cat 60–70,000 Hz, dog 15–50,000 Hz, human 20–20,000 Hz — which is why bats can use ultrasound we cannot hear at all. And when a plane accelerates past the speed of sound, the wavefronts pile up into a cone trailing behind it like a boat's wake: that piled-up front is the shock wave, heard as a sonic boom.
ریلوے پلیٹ فارم پر کھڑے ہو کر آتی ہوئی ٹرین کی سیٹی سنیں تو وہ گزر جانے کے بعد کی سیٹی سے اونچی لگتی ہے۔ ٹرین کی سیٹی بدلی نہیں — آپ کے کان تک پہنچنے والی لہروں کا فاصلہ بدل گیا ہے۔ ماخذ اور مشاہدہ کار کی نسبتی حرکت سے فریکوئنسی (یا سر) میں ظاہری تبدیلی ڈاپلر اثر کہلاتی ہے۔ اسے سب سے پہلے جوہان ڈاپلر نے ستاروں کی روشنی میں دیکھا تھا۔
ساکن ماخذ λ ویولینتھ نکالے، آواز کی رفتار v ہو، تو مشاہدہ کار فی سیکنڈ f = v/λ لہریں پاتا ہے۔ اب ماخذ uₛ رفتار سے ساکن مشاہدہ کار A کی طرف بڑھے تو ہر نئی لہر ذرا قریب سے نکلتی ہے، لہریں سکڑ جاتی ہیں: ایک سیکنڈ میں ماخذ uₛ آگے بڑھتا ہے، یہ کمی f لہروں میں بٹتی ہے، اس لیے ہر ویولینتھ Δλ = uₛ/f کم ہو جاتی ہے۔ A کو ملنے والی ویولینتھ λ_A = (v − uₛ)/f، اور ظاہری فریکوئنسی f_A = [v/(v − uₛ)]f۔ چونکہ v/(v − uₛ) ایک سے بڑا ہے، f_A بھی f سے بڑی — سر اونچا، جیسا پلیٹ فارم پر سنائی دیتا ہے۔ یہ تبدیلی Δλ ڈاپلر شفٹ کہلاتی ہے۔
ماخذ مشاہدہ کار B سے دور جائے تو الٹ ہوتا ہے: لہریں کھنچ جاتی ہیں، λ_B = (v + uₛ)/f، اور f_B = [v/(v + uₛ)]f — سر نیچا۔ نشانی ہی پوری کہانی ہے: قریب آنے پر مخرج میں منفی (لہریں سکڑیں، فریکوئنسی بڑھی)، دور جانے پر جمع (لہریں کھنچیں، فریکوئنسی گھٹی)۔
📌 کتاب کی مثالیں ۷.۱۰ و ۷.۱۱: ٹرک P آگے 12 میٹر فی سیکنڈ اور Q پیچھے 20 میٹر فی سیکنڈ — Q کی P کی نسبت رفتار 8 میٹر فی سیکنڈ ہے، P کو 830 ہرٹز سنائی دیتا ہے تو Q کے ہارن کی اصل فریکوئنسی f_Q = (830 × 332)/340 = 810.47 ہرٹز۔ ٹرین کی مثال: ساکن حالت میں 1200 ہرٹز، روانگی کے 50 سیکنڈ بعد 1140 ہرٹز، تو رفتار uₛ = 17.89 میٹر فی سیکنڈ، اور طے شدہ فاصلہ S = (0 + 17.89)/2 × 50 ≈ 448 میٹر۔
The Doppler effect also works for electromagnetic waves, and that opens a whole shelf of applications — the book walks through them one by one, and each is worth a line in revision. RADAR (Radio Detection And Ranging) sends out radio waves and catches their reflections: if an aeroplane approaches the radar, the reflected wavelength is shorter; if it recedes, it is longer, and the shift gives the plane's speed. The same principle tracks satellites around the Earth. SONAR (Sound Navigation And Ranging) does the underwater version with sound or ultrasound echoes: the Doppler detection relies on the relative speed of target and detector, and its military uses include finding submarines, mine hunting and measuring sea depth. Bats, the book notes elsewhere, do sonar biologically — navigating and finding food by echolocation.
In astronomy, the Doppler shift of starlight is measured by comparing a star's line spectrum with the same lines made in a laboratory. Stars moving away show a red shift — their light is stretched to longer wavelengths, towards the red end — and stars moving towards us show a blue shift, compressed towards the blue end. Astronomers found that essentially all distant galaxies are red-shifted, and from the size of the shift they estimate how fast the galaxies are receding. A radar speed trap uses the same idea on the road: microwaves are sent in short bursts, reflected off a car, and the Doppler shift of the reflection is turned by computer into the car's speed. Satellite navigation uses Doppler shift to fix a satellite's velocity and position, and satellite communication compensates for it to keep signals stable. Doppler radar measures wind speed and rainfall patterns, and the shift even helps track the Earth's surface movement and deformation.
Then comes medicine, which is where the chapter's learning outcomes point: Doppler echocardiography measures blood-flow velocity and detects heart problems such as valve stenosis (narrowing) or regurgitation (leaking), and helps set pacemakers; Doppler ultrasound measures blood flow, calculates cardiac output, and detects narrowing or blockage of blood vessels. The same frequency shift that tells an astronomer a galaxy is fleeing tells a doctor a heart valve is leaking — one equation, two universes.
Worked example 7.12 (book): a faint galaxy's Ca-α absorption line is found at 478 nm, while the same line measures 397 nm in the laboratory. (a) Is the galaxy moving towards or away from Earth? The observed wavelength is longer (478 > 397), so the light is red-shifted: the galaxy is moving away. The book computes the frequencies to show it: f = c/λ = (3 × 10⁸)/(397 × 10⁻⁹) = 7.56 × 10¹⁴ Hz in the lab, and f′ = (3 × 10⁸)/(478 × 10⁻⁹) = 6.28 × 10¹⁴ Hz observed, so f′ < f, again away. (b) Its speed? f′ = [c/(c + uₛ)]f gives 6.28 × 10¹⁴ = [3 × 10⁸/(3 × 10⁸ + uₛ)] × 7.56 × 10¹⁴, so 3 × 10⁸ + uₛ = (3 × 10⁸ × 7.56)/6.28 = 3.61 × 10⁸, and uₛ = 6.12 × 10⁷ m s⁻¹ — about a fifth of the speed of light. (The book's side note gives a similar case: a galaxy receding at 0.2c shows a line normally at 500 nm shifted longer.) Note the formula here is the sound-style Doppler formula with c in place of v, as the book itself uses it; a fully relativistic treatment would differ slightly, but the book's answer follows its own formula exactly.
ڈاپلر اثر برقی مقناطیسی لہروں پر بھی لاگو ہوتا ہے، اور اس سے استعمالات کی پوری فہرست کھل جاتی ہے۔ ریڈار (Radio Detection And Ranging) ریڈیو لہریں بھیج کر ان کی بازگشت پکڑتا ہے: ہوائی جہاز قریب آئے تو منعکس ویولینتھ چھوٹی، دور جائے تو بڑی، اور شفٹ سے جہاز کی رفتار معلوم ہوتی ہے۔ اسی اصول سے سیٹلائٹ کی رفتار بھی ناپی جاتی ہے۔ سونار (Sound Navigation And Ranging) پانی کے اندر آواز یا الٹراساؤنڈ کی بازگشت سے کام کرتا ہے: ہدف اور ڈیٹیکٹر کی نسبتی رفتار سے ہدف کی رفتار کا اندازہ ہوتا ہے، اور اس کے عسکری استعمالات میں آبدوزوں کا پتہ لگانا اور سمندر کی گہرائی ناپنا شامل ہے۔ چمگادڑ قدرتی طور پر یہی کام ایکو لوکیشن سے کرتی ہے۔
فلکیات میں ستارے کے خطی سپیکٹرم کا لیبارٹری کے سپیکٹرم سے موازنہ کر کے ڈاپلر شفٹ ناپی جاتی ہے۔ دور جانے والے ستارے ریڈ شفٹ دکھاتے ہیں — روشنی کھنچ کر لمبی ویولینتھ، یعنی سرخ سرے کی طرف — اور قریب آنے والے بلیو شفٹ، یعنی نیلے سرے کی طرف۔ ماہرین نے پایا کہ تقریباً تمام دور دراز کہکشائیں ریڈ شفٹ دکھاتی ہیں، اور شفٹ کی مقدار سے ان کی رفتار کا اندازہ لگاتے ہیں۔ ریڈار اسپیڈ ٹریپ سڑک پر یہی کرتا ہے: مائیکروویوز کی مختصر جھلکیاں گاڑی سے ٹکرا کر لوٹتی ہیں اور ان کی ڈاپلر شفٹ کمپیوٹر گاڑی کی رفتار میں بدل دیتا ہے۔ سیٹلائٹ نیویگیشن ڈاپلر شفٹ سے سیٹلائٹ کی رفتار اور مقام طے کرتی ہے، ڈاپلر ریڈار ہوا کی رفتار اور بارش کے نمونے ناپتا ہے، اور طب میں ڈاپلر ایکوکارڈیوگرافی خون کے بہاؤ کی رفتار ناپ کر دل کے والو کی تنگی یا رساؤ کا پتہ لگاتی ہے اور پیس میکر سیٹ کرنے میں مدد دیتی ہے، جبکہ ڈاپلر الٹراساؤنڈ خون کا بہاؤ اور کارڈیک آؤٹ پٹ ناپتا ہے اور رگوں کی تنگی یا بندش پکڑتا ہے۔
📌 کتاب کی مثال ۷.۱۲: کہکشاں کی Ca-α لائن 478 نینومیٹر پر ملی، لیبارٹری میں وہی لائن 397 نینومیٹر ہے۔ مشاہدہ شدہ ویولینتھ بڑی ہے، اس لیے روشنی ریڈ شفٹ ہے — کہکشاں دور جا رہی ہے۔ فریکوئنسیاں: لیبارٹری f = 7.56 × 10¹⁴ ہرٹز، مشاہدہ شدہ f′ = 6.28 × 10¹⁴ ہرٹز۔ رفتار: f′ = [c/(c + uₛ)]f سے uₛ = 6.12 × 10⁷ میٹر فی سیکنڈ — روشنی کی رفتار کا تقریباً پانچواں حصہ۔ یہ کتاب کا اپنا فارمولا ہے (آواز والے فارمولے میں c رکھ کر)؛ مکمل نسبتی علاج سے جواب ذرا مختلف ہوتا، مگر کتاب کا جواب اس کے اپنے فارمولے کے عین مطابق ہے۔
The book's exercise (printed pages 163–166) has five parts: Multiple Choice Questions (12), Short Answer Questions (7), Constructed Response Questions (5), Comprehensive Questions (7) and Numerical Problems (10) — 41 questions in all, every one answered below. There is no separate inquisitive or review section in this chapter's exercise, so none is invented here. Numerical answers printed in the book are checked against the working in each answer.
7.1. The simple wave speed equation is represented by:
Answer: (a) v = fλ — a crest travels one wavelength λ in one period T, so v = λ/T, and 1/T = f. ایک چوٹی ایک پیریڈ میں ایک ویولینتھ طے کرتی ہے، اس لیے v = λ/T = fλ۔
7.2. The principle of superposition in waves is stated as:
Answer: (a) — superposition adds displacements, not velocities, frequencies or amplitudes as products or ratios. سپرپوزیشن میں ہٹاؤ جمع ہوتے ہیں، رفتار یا فریکوئنسی ضرب یا تفریق نہیں ہوتی۔
7.3. A node in a stationary wave is:
Answer: (c) a point of zero displacement — at a node the two opposite waves always cancel, so the particle stays at rest. نوڈ پر دونوں مخالف لہریں ہمیشہ ایک دوسرے کو ختم کر دیتی ہیں، اس لیے ذرہ ساکن رہتا ہے۔
7.4. An antinode in a stationary wave is:
Answer: (a) a point of maximum displacement — at an antinode the two waves add, giving the sum of their amplitudes. اینٹی نوڈ پر دونوں لہریں جمع ہوتی ہیں، اس لیے ہٹاؤ زیادہ سے زیادہ ہوتا ہے۔
7.5. Stationary waves are defined as:
Answer: (c) — the pattern stays in place and oscillates; it does not travel forward. That is why they are also called standing waves. ساکن لہر کا نمونہ اپنی جگہ کھڑا ہو کر اوپر نیچے ہوتا ہے، آگے سفر نہیں کرتا۔
7.6. Harmonics are:
Answer: (a) — f₁, 2f₁, 3f₁, …, nf₁. Only whole-number multiples are allowed; that is the quantisation of frequencies in section 7.5. ہارمونکس بنیادی فریکوئنسی کے صحیح ضرب ہوتے ہیں: f₁, 2f₁, 3f₁، وغیرہ۔
7.7. The result of constructive interference between two waves is represented as:
Answer: (b) an increase in amplitude — crest meets crest (path difference nλ), so the displacements add. تعمیری تداخل میں چوٹی چوٹی سے ملتی ہے، اس لیے ایمپلیٹیوڈ بڑھ جاتا ہے۔
7.8. If the amplitude of the wave is tripled, then the amount of energy is increased by:
Answer: (c) 9 times — intensity (and energy) goes as the square of amplitude, I ∝ A², so 3² = 9. توانائی ایمپلیٹیوڈ کے مربع کے متناسب ہے، اس لیے 3 گنا ایمپلیٹیوڈ پر توانائی 3² = 9 گنا ہو جاتی ہے۔
7.9. What type of waves do headphones use to produce sound?
Answer: (b) Mechanical waves — ⚠️ flagged: this question as printed is ambiguous, so read the reasoning. Headphone sound is a sound wave, and the chapter classifies sound as a mechanical wave (it needs a medium), which is why (b) is keyed here. But sound is also, more specifically, a longitudinal pressure wave — so (c) and (d) also describe the same sound truthfully, and (a) is the only option that is plainly wrong (electromagnetic waves carry the signal to the headphone, they are not the sound itself). If an examiner insists on one word, "mechanical" is the chapter's classification; the question does not cleanly separate (b), (c) and (d). ہیڈفون کی آواز مکینیکل لہر ہے کیونکہ اسے واسطہ چاہیے؛ البتہ یہ طولی دباؤ کی لہر بھی ہے، اس لیے یہ سوال پوری طرح صاف نہیں ہے۔
7.10. The typical frequency range of microwaves is:
Answer: (d) 10⁸ – 10¹¹ Hz — ⚠️ flagged as derived, not directly printed: the chapter says only that microwave wavelengths are typically millimetres to centimetres. Using f = c/λ, λ = 10 cm gives 3 × 10⁹ Hz and λ = 1 mm gives 3 × 10¹¹ Hz, which sits inside option (d) — the only option reaching the gigahertz region. Standard tables run a little wider (up to ~10¹² Hz), but (d) is the only plausible key among the four. کتاب صرف یہ بتاتی ہے کہ مائیکروویو کی ویولینتھ ملی میٹر سے سینٹی میٹر تک ہوتی ہے؛ f = c/λ سے یہ گیگاہرٹز کا علاقہ بنتا ہے، جو صرف آپشن (d) میں ہے۔
7.11. The bending of waves around an obstacle is called as:
Answer: (c) diffraction — bending around edges and spreading beyond a barrier; reflection is bouncing back, refraction is bending on entering a new medium, interference is waves adding. رکاوٹ کے گرد مڑنا اور پھیلنا انعطاف کہلاتا ہے؛ پلٹنا انعکاس اور نئے واسطے میں مڑنا انکسار ہے۔
7.12. The Doppler Effect used in astronomy is for:
Answer: (b) determining velocity of galaxies — the red or blue shift of a galaxy's spectral lines gives its speed of approach or recession, as in worked example 7.12. کہکشاں کی سپیکٹرل لائنوں کی ریڈ یا بلیو شفٹ سے اس کی رفتار معلوم ہوتی ہے۔
Two waves must (i) have the same frequency, (ii) travel in the same direction, and (iii) come from coherent sources — sources vibrating in step, like the two speakers driven by one generator in the book's experiment. Then their path difference decides the result: nλ gives constructive interference, (2n + 1)λ/2 gives destructive. Without the same frequency the pattern keeps shifting and no steady bright/dark (or loud/quiet) pattern forms. تداخل کے لیے دونوں لہروں کی فریکوئنسی برابر ہو، سمت ایک ہو، اور ماخذ کوہیرنٹ ہوں یعنی ایک ساتھ ہلیں؛ پھر راستے کے فرق سے تعمیری یا تخریبی تداخل طے ہوتا ہے۔
In constructive interference the waves meet in phase — compression with compression, crest with crest — their displacements add, amplitude grows, and (for sound) the CRO shows a large wave and the ear hears loud sound; the condition is path difference ΔS = nλ. In destructive interference they meet out of phase — compression with rarefaction — their displacements cancel, amplitude falls to zero, the CRO line goes flat and the sound dies away; the condition is ΔS = (2n + 1)λ/2. Same two waves, opposite meetings, opposite results. تعمیری تداخل میں لہریں ہم مرحلہ ملتی ہیں، ہٹاؤ جمع ہوتا ہے اور آواز بلند ہوتی ہے (ΔS = nλ)؛ تخریبی میں مخالف مرحلہ ملتی ہیں، ہٹاؤ ختم ہوتا ہے اور آواز دب جاتی ہے (ΔS = (2n + 1)λ/2)۔
Coherent sources are sources that vibrate in step, with a constant phase difference between them, so the interference pattern they make stays steady instead of flickering. The waves they emit are coherent waves. The book's example is the pair of loudspeakers S₁ and S₂ driven by the same audio generator — because one generator drives both, they cannot drift out of step. Two separate singers, by contrast, are not coherent: their phase difference wanders, so no stable pattern forms. کوہیرنٹ ماخذ وہ ہیں جو ایک ساتھ اور مستقل فیز کے فرق سے ہلیں، تاکہ تداخل کا نمونہ مستحکم رہے۔ کتاب کی مثال ایک ہی جنریٹر سے چلنے والے دو لاؤڈ اسپیکر ہیں؛ دو الگ گلوکار کوہیرنٹ نہیں ہوتے۔
In a transverse wave the particles vibrate at right angles to the direction of energy travel — a rope wave with crests and troughs, or a water wave. In a longitudinal wave the particles vibrate along the direction of travel, forming compressions (crowded, high-pressure regions) and rarefactions (spread-out, low-pressure regions) — sound in air is the standard example. Transverse waves need a medium that can hold a sideways shape (solids, or a surface); longitudinal waves travel through solids, liquids and gases alike. عرضی لہر میں ذرات سفر کی سمت کے عموداً ہلتے ہیں اور چوٹیاں و گڑھے بنتے ہیں؛ طولی لہر میں ذرات سفر کی سمت میں ہلتے ہیں اور کمپریشن و ریئرفیکشن بنتے ہیں، جیسے ہوا میں آواز۔
No — not on their own. Two identical waves going the same way simply add into a bigger travelling wave (interference), because a stationary wave needs two waves of equal frequency travelling in opposite directions. But there is a way it happens in practice, and it is worth stating: if one of those waves reflects off a fixed end of the string, the reflected wave travels back in the opposite direction, and then the original and reflected waves superpose into a stationary wave with nodes at the fixed ends. So the answer is: same direction alone, no; with reflection supplying the opposite wave, yes — and that is exactly how a plucked string works. ایک سمت میں جانے والی دو ایک جیسی لہریں صرف بڑی سفری لہر بناتی ہیں، ساکن لہر نہیں؛ ساکن لہر کے لیے مخالف سمت کی لہر چاہیے۔ عملی طور پر ایک لہر بند سرے سے پلٹ کر مخالف سمت میں آتی ہے اور اصل لہر سے مل کر ساکن لہر بنا دیتی ہے — چھیڑی ہوئی تار اسی طرح کام کرتی ہے۔
Use Doppler ultrasound / Doppler echocardiography: ultrasound waves are sent into the chest and reflected off moving blood. Blood flowing towards the probe returns a higher frequency and blood flowing away a lower one, and the shift gives the blood's speed and direction. From that a doctor reads cardiac output, spots a narrowed valve (stenosis, where blood speeds up through the narrowing), a leaking valve (regurgitation, blood flowing the wrong way), or a blocked vessel, and uses the readings to set a pacemaker. It is the same Doppler shift as the train whistle, used on blood instead of a train. ڈاپلر الٹراساؤنڈ / ایکوکارڈیوگرافی سے خون کی رفتار اور سمت ناپی جاتی ہے: آتا ہوا خون فریکوئنسی بڑھاتا ہے، جاتا ہوا گھٹاتا ہے۔ اس سے والو کی تنگی، رساؤ، رگ کی بندش اور کارڈیک آؤٹ پٹ کا پتہ چلتا ہے اور پیس میکر سیٹ کیا جاتا ہے۔
Diffraction is the bending of waves around sharp edges or corners and their spreading beyond a barrier, when the obstacle or opening is comparable in size to the wavelength; longer wavelength means more spreading. The ripple tank is used to demonstrate wave properties — reflection, diffraction and refraction — and in particular to show the qualitative effect of gap width on diffraction: a small gap gives strong spreading into a semicircular pattern, a large gap gives weak spreading. انعطاف لہروں کا رکاوٹ کے گرد مڑنا اور آگے پھیلنا ہے، جب رکاوٹ یا شگاف ویولینتھ کے برابر ہو۔ رپل ٹینک لہروں کی خصوصیات دکھانے کے لیے استعمال ہوتا ہے، خاص طور پر یہ کہ شگاف کی چوڑائی انعطاف پر کیا اثر ڈالتی ہے۔
Amplitude. Intensity is proportional to the square of the amplitude, I = kA², so amplitude decides intensity more directly than any other single measurement: double the amplitude and intensity quadruples. Frequency matters for the energy of individual photons in light, but for a wave's intensity as defined in this chapter, amplitude is the controlling measurement. ایمپلیٹیوڈ سب سے اہم ہے، کیونکہ شدت I = kA² کے حساب سے ایمپلیٹیوڈ کے مربع کے متناسب ہے؛ ایمپلیٹیوڈ دگنا ہو تو شدت چار گنا ہو جاتی ہے۔
Yes. Light is a wave, so relative motion between source and observer shifts its frequency and wavelength too. A star moving away stretches its light to longer wavelengths — a red shift; a star moving towards us compresses it to shorter wavelengths — a blue shift. Astronomers compare a star's spectral lines with laboratory lines, measure the shift, and from it calculate the star's speed (worked example 7.12 does exactly this for a galaxy). The book applies its sound-style formula with c in place of v for this calculation. جی ہاں، روشنی بھی لہر ہے، اس لیے ماخذ کی حرکت اس کی فریکوئنسی بدل دیتی ہے: دور جانے والا ستارہ ریڈ شفٹ اور قریب آنے والا بلیو شفٹ دکھاتا ہے، اور اسی شفٹ سے ستارے یا کہکشاں کی رفتار نکالی جاتی ہے۔
⚠️ Derived comparison — the book does not print this comparison as a passage, so this is reasoning from its definitions. The comparison is real but only partial. A compression is the "high" side of a longitudinal wave — particles crowded together, pressure and density highest — and a rarefaction is the "low" side — particles spread out, pressure lowest. A crest is the "high" side of a transverse wave — maximum displacement in one direction — and a trough is the "low" side — maximum displacement the other way. So crest plays the role of compression and trough the role of rarefaction in the sense that both pairs are the two extremes of the oscillation, one wavelength apart in the pattern. But they are not the same quantity: crest and trough are displacements, while compression and rarefaction are density/pressure variations — in fact, in a sound wave the maximum compression occurs where the particles are passing through equilibrium, not at maximum displacement. Treat the analogy as a map of "high versus low", not as an identity. یہ موازنہ جزوی ہے: کمپریشن طولی لہر کا "اونچا" رخ ہے (ذرات گنجان، دباؤ زیادہ) اور ریئرفیکشن "نیچا" رخ (ذرات پھیلے، دباؤ کم)؛ چوٹی اور گڑھا عرضی لہر کے اونچے نیچے رخ ہیں۔ مگر فرق یہ ہے کہ چوٹی/گڑھا ہٹاؤ ہیں جبکہ کمپریشن/ریئرفیکشن کثافت و دباؤ کی تبدیلی ہیں۔
⚠️ Derived — no dedicated book passage; this follows from the Doppler formulas. The frequency stays unchanged when there is no motion along the line joining source and observer, i.e. no radial component of velocity — because the Doppler shift comes only from the source closing or opening the distance. Two examples: (1) the source moves in a circle centred on the observer, so its distance from the observer never changes; (2) the source and observer move together with the same velocity in the same direction, so there is no relative motion at all. (A source moving exactly sideways past the observer also gives no shift at the instant of closest approach, for the same reason.) فریکوئنسی اس وقت نہیں بدلتی جب ماخذ اور مشاہدہ کار کے درمیان فاصلہ نہ بدلے، یعنی حرکت کی شعاعی سمت نہ ہو۔ دو مثالیں: (۱) ماخذ مشاہدہ کار کے گرد دائرے میں گھومے، فاصلہ ایک جیسا رہے؛ (۲) ماخذ اور مشاہدہ کار ایک ہی رفتار سے ایک سمت میں چلیں، نسبتی حرکت صفر ہو۔
Beats are recognised as a slow swelling and fading of loudness, and the ear needs time to hear each swell and fade separately. When the frequency difference is small — say 32 Hz and 30 Hz, giving 2 beats per second — the loud and faint phases last a quarter of a second each and are easy to pick out. When the difference exceeds about 10 Hz, the beats follow each other faster than the ear can separate them: at, say, 20 beats per second the loud-faint alternation blurs into a rough, harsh sensation rather than distinct beats, and at still higher differences the ear simply hears two separate tones. That is why the book gives 10 Hz as the practical limit for recognising beats. بیٹس اس وقت پہچانی جاتی ہیں جب بلندی کی کمی بیشی آہستہ ہو؛ 32 اور 30 ہرٹز پر 2 بیٹس فی سیکنڈ آسانی سے سنائی دیتی ہیں۔ فرق 10 ہرٹز سے زیادہ ہو تو بیٹس اتنی تیز ہو جاتی ہیں کہ کان انہیں الگ الگ نہیں سن سکتا، بلکہ کھردری آواز یا دو الگ سر سنائی دیتے ہیں۔
Principle: when a particle of a medium is acted on by two or more waves at once, its resultant displacement is the algebraic sum of the individual displacements: y = y₁ + y₂ + … + yₙ, or y(x, t) = y₁(x, t) + y₂(x, t) + … . In phase, the waves add (equal amplitudes give 2y₁); exactly out of phase, they subtract (equal amplitudes give zero). The principle holds for linear, small-amplitude waves, and it produces interference, beats and stationary waves. Headphones: (1) a microphone captures ambient noise; (2) an amplifier and processor receive it; (3) the processor generates anti-noise — same amplitude, opposite phase; (4) anti-noise is played with the music; (5) anti-noise and real noise cancel by destructive interference at the ear, leaving the music. Real headphones use several microphones and complex algorithms, and work best on steady low-frequency noise, but the physics is the out-of-phase case of superposition.
۱۔ اصول: جب کسی ذرے پر ایک ساتھ دو یا زیادہ لہریں اثر کریں تو اس کا نتیجہ خیز ہٹاؤ انفرادی ہٹاؤ کا الجبری مجموعہ ہوتا ہے: y = y₁ + y₂ + … + yₙ۔ ہم مرحلہ لہریں جمع ہوتی ہیں، مخالف مرحلہ ختم ہو جاتی ہیں۔ یہ اصول خطی، چھوٹے ایمپلیٹیوڈ والی لہروں پر لاگو ہوتا ہے، اور اسی سے تداخل، بیٹس اور ساکن لہریں بنتی ہیں۔ ۲۔ ہیڈفون: مائیکروفون شور پکڑتا ہے، پروسیسر اس کا الٹ (اینٹی نائز) بناتا ہے، وہ موسیقی کے ساتھ بجتا ہے اور کان پر اصل شور سے مل کر تخریبی تداخل سے ختم ہو جاتا ہے، صرف موسیقی رہ جاتی ہے۔
Standing waves are waves that oscillate in a fixed position without travelling, formed when two waves of the same frequency and amplitude travel in opposite directions and superpose. The pattern has nodes (zero displacement, λ/2 apart) and antinodes (maximum displacement, midway between nodes), and energy stays trapped between nodes, alternating between potential and kinetic form. Experiment with a stretched string: clamp one end of a string to a vibrator (or a tuning fork) and pass the other end over a pulley with a hanging weight to set a known tension F; the string's length ℓ and mass per unit length m are measured. Set the vibrator going and adjust tension or length until the string settles into clear loops. With one loop you have the fundamental (nodes at the ends, λ₁ = 2ℓ, f₁ = v/2ℓ with v = √(F/m)); with two loops the second harmonic (f₂ = 2f₁); with n loops fₙ = nf₁ and λₙ = 2ℓ/n. Counting loops, measuring ℓ and F, and checking f against the vibrator's frequency verifies the whole theory — only the harmonic frequencies survive, others are damped out. ⚠️ Note: the book's own detailed experiment section (7.7) uses microwaves, not strings; this string experiment is assembled from the book's section 7.5 theory, which is why it is described as an illustration of that theory rather than quoted from an experiment page.
۱۔ ساکن لہریں: برابر فریکوئنسی اور ایمپلیٹیوڈ کی دو لہریں مخالف سمتوں میں چلیں تو جو نمونہ بنتا ہے وہ اپنی جگہ کھڑا ہو کر ہلتا ہے؛ اس میں نوڈز (صفر ہٹاؤ) اور اینٹی نوڈز (زیادہ سے زیادہ ہٹاؤ) ہوتے ہیں۔ ۲۔ تجربہ: تار کا ایک سرا وائبریٹر سے اور دوسرا گھرنی سے گزر کر وزن سے باندھیں تاکہ تناؤ F معلوم ہو؛ وائبریٹر چلائیں اور تناؤ یا لمبائی بدلیں یہاں تک کہ تار واضح لوپس میں ہلنے لگے۔ ایک لوپ بنیادی (f₁)، دو لوپس دوسرا ہارمونک (f₂ = 2f₁) — لوپس گن کر، ℓ اور F ناپ کر، fₙ = nf₁ کی تصدیق ہو جاتی ہے۔
Open at both ends: both ends are antinodes (air free to move). Fundamental: one node in the middle, ℓ = λ₁/2, so f₁ = v/(2ℓ). Higher modes add node-gaps in halves of wavelengths, giving fₙ = n(v/2ℓ) = nf₁ and λₙ = 2ℓ/n for n = 1, 2, 3, … — all harmonics present. Example from the book (ℓ = 0.5 m, v = 350 m s⁻¹): 350 Hz, 700 Hz, 1050 Hz, … Closed at one end: the closed end is a node, the open end an antinode. Fundamental: ℓ = λ₁/4, so f₁ = v/(4ℓ) — half the open pipe's fundamental for the same length. Higher modes give fₙ = n(v/4ℓ) = nf₁ and λₙ = 4ℓ/n, but only for n = 1, 3, 5, … — only odd harmonics. Example (same pipe): 175 Hz, 525 Hz, 875 Hz, … The open pipe is therefore richer in harmonics. (End corrections are neglected, as the book states.)
۱۔ دونوں سروں سے کھلا پائپ: دونوں سرے اینٹی نوڈز، بنیادی f₁ = v/(2ℓ)، اور عام fₙ = nf₁، n = 1, 2, 3, … — تمام ہارمونکس موجود۔ مثال: 0.5 میٹر پائپ پر 350، 700، 1050 ہرٹز۔ ۲۔ ایک سرے سے بند پائپ: بند سرا نوڈ، کھلا سرا اینٹی نوڈ، بنیادی f₁ = v/(4ℓ) — اتنی ہی لمبائی پر کھلے پائپ سے آدھی۔ عام fₙ = nf₁ مگر صرف n = 1, 3, 5, … — صرف طاق ہارمونکس۔ مثال: 175، 525، 875 ہرٹز۔ اس لیے کھلا پائپ ہارمونکس میں زیادہ مالا مال ہے۔
Definition: diffraction is the bending of waves around sharp edges or corners, and their spreading beyond a barrier, when the wave meets an obstacle or opening comparable in size to its wavelength; longer wavelength gives greater spreading. Examples: sound heard around a corner or through a doorway; X-rays diffracted by the regular atomic rows of a crystal; water waves spreading past a harbour wall. Ripple tank experiment: the tank holds water with a vibrator making straight or circular waves, obstacles (rectangular blocks, semicircular barriers) and gaps of different widths. Put an obstacle in to make a gap of chosen width, run the vibrator, and observe the pattern on the screen below. With a small gap (compared with λ) the waves bend strongly around the obstacle and spread into a semicircular pattern; widen the gap step by step and the spreading weakens, the waves passing through with less bending. Repeating with different gap widths shows the qualitative rule cleanly: narrow gap, strong diffraction; wide gap, weak diffraction.
۱۔ تعریف: انعطاف لہروں کا رکاوٹ کے گرد مڑنا اور آگے پھیلنا ہے، جب رکاوٹ یا شگاف ویولینتھ کے برابر ہو؛ ویولینتھ بڑی ہو تو پھیلاؤ زیادہ۔ ۲۔ مثالیں: کونے کے گرد آواز، کرسٹل سے ایکس رے کا انعطاف، بندرگاہ کی دیوار سے پانی کی لہروں کا پھیلنا۔ ۳۔ رپل ٹینک تجربہ: ٹینک میں پانی، وائبریٹر، رکاوٹیں اور مختلف چوڑائیوں کے شگاف ہوتے ہیں۔ چھوٹا شگاف رکھیں تو لہریں نیم دائرے میں زور سے پھیلتی ہیں، شگاف چوڑا کریں تو پھیلاؤ کم ہو جاتا ہے — یہی شگاف کی چوڑائی کا اثر ہے۔
Beats are the periodic variation of sound loudness between maximum and minimum when two waves of slightly different frequencies, travelling in the same direction, overlap. Proof by the book's example: take forks A (32 Hz) and B (30 Hz). At an instant X the two waves displace the air in the same direction, so the resultant is large and a loud sound is heard. After 1/4 s the displacement due to one fork is opposite to that due to the other, the resultant is minimum at Y, and a faint sound (or none) is heard. After another 1/4 s they agree again at Z and a loud sound returns. So in one second there are two loud and two faint sounds: the number of beats per second is 2, and 32 − 30 = 2. In general, the beats repeat as often as one wave gains one whole cycle on the other, which happens |f₁ − f₂| times per second — hence beat frequency f_beat = |f₁ − f₂|. If the difference exceeds about 10 Hz the beats come too fast to recognise.
۱۔ بیٹس: تھوڑی مختلف فریکوئنسی کی دو لہریں ایک سمت میں ملیں تو آواز کی بلندی میں متواتر کمی بیشی ہوتی ہے — یہی بیٹس ہیں۔ ۲۔ ثبوت: A = 32 ہرٹز اور B = 30 ہرٹز لیں۔ لمحہ X پر دونوں لہریں ہوا کو ایک سمت میں ہٹاتی ہیں تو آواز بلند؛ چوتھائی سیکنڈ بعد مخالف سمت میں ہٹاتی ہیں تو آواز مدھم؛ مزید چوتھائی سیکنڈ بعد پھر بلند۔ ایک سیکنڈ میں دو بلند اور دو مدھم آوازیں، یعنی 2 بیٹس، اور 32 − 30 = 2۔ عام طور پر بیٹ فریکوئنسی = دونوں فریکوئنسیوں کا فرق۔
Progressive waves (travelling waves) move steadily in one direction, transferring energy from one point to another — unlike stationary waves, whose pattern stands still. Water waves, sound waves and light waves are progressive waves. Intensity (I) is the energy transmitted per unit area per unit time in the direction of propagation, in W m⁻². From the definition, I = E/(A × t) = P/A, where P is power. For a source radiating evenly, A = 4πr², so intensity falls with the square of distance. And because a mechanical wave's energy is stored in the motion of the medium's particles, intensity depends on amplitude squared: I ∝ A², i.e. I = kA² (7.14), where k depends on the wave and the medium. Consequences: doubling amplitude quadruples intensity; a 50 W speaker gives I = 50/314 ≈ 0.159 W m⁻² at 5 m; and frequency and amplitude are independent, so volume can change without pitch changing.
۱۔ ترقی پذیر لہریں: وہ لہریں جو ایک سمت میں مسلسل آگے بڑھیں اور توانائی ایک جگہ سے دوسری جگہ لے جائیں — پانی، آواز اور روشنی کی لہریں اس کی مثالیں ہیں۔ ساکن لہر اس کی ضد ہے۔ ۲۔ شدت: پھیلاؤ کی سمت میں فی یونٹ رقبہ فی یونٹ وقت منتقل ہونے والی توانائی، I = P/A، اکائی واٹ فی مربع میٹر۔ یکساں پھیلنے والے ماخذ کے لیے A = 4πr²، اس لیے شدت فاصلے کے مربع سے گھٹتی ہے۔ اور I ∝ A²، یعنی I = kA² — ایمپلیٹیوڈ دگنا ہو تو شدت چار گنا۔
(a) Source moving away from a stationary observer: each wave is emitted from a little farther away than the last, so the waves are stretched: the wavelength received grows by Δλ = uₛ/f to λ_B = (v + uₛ)/f, and the apparent frequency falls to f_B = [v/(v + uₛ)]f. Since v/(v + uₛ) < 1, f_B < f — the pitch drops, as a receding train's whistle sounds lower. (b) Source moving towards a stationary observer: each wave is emitted from a little closer than the last, so the waves are compressed: the wavelength shrinks by Δλ = uₛ/f to λ_A = (v − uₛ)/f, and the apparent frequency rises to f_A = [v/(v − uₛ)]f. Since v/(v − uₛ) > 1, f_A > f — the pitch rises, as an approaching train's whistle sounds higher. In both cases the source's own frequency never changes; only the spacing of the waves at the observer changes, and Δλ is the Doppler shift.
۱۔ (الف) ماخذ دور جائے: ہر لہر ذرا دور سے نکلتی ہے، لہریں کھنچ جاتی ہیں، ویولینتھ λ_B = (v + uₛ)/f بڑھ جاتی ہے اور ظاہری فریکوئنسی f_B = [v/(v + uₛ)]f گھٹ جاتی ہے — سر نیچا، جیسے جاتی ٹرین کی سیٹی۔ ۲۔ (ب) ماخذ قریب آئے: ہر لہر ذرا قریب سے نکلتی ہے، لہریں سکڑ جاتی ہیں، λ_A = (v − uₛ)/f چھوٹی ہو جاتی ہے اور f_A = [v/(v − uₛ)]f بڑھ جاتی ہے — سر اونچا، جیسے آتی ٹرین کی سیٹی۔ ماخذ کی اپنی فریکوئنسی کبھی نہیں بدلتی، صرف مشاہدہ کار تک لہروں کا فاصلہ بدلتا ہے۔
Step 1 — what is asked: the fundamental (first-harmonic) resonance of a string fixed at both ends. Step 2 — formula: f₁ = v/(2ℓ). Step 3 — substitute: f₁ = 24/(2 × 6.0) = 24/12 = 2 Hz. Matches the book's printed answer. دونوں سروں سے بندھی تار کی بنیادی فریکوئنسی f₁ = v/(2ℓ) = 24/12 = 2 ہرٹز۔
Step 1 — "lowest resonance frequency" means the fundamental, f₁ = 400 Hz, and ℓ = 0.75 m. Step 2 — rearrange f₁ = v/(2ℓ) to v = 2ℓf₁. Step 3 — substitute: v = 2 × 0.75 × 400 = 1.5 × 400 = 600 m s⁻¹. Matches the book's printed answer. v = 2ℓf₁ = 2 × 0.75 × 400 = 600 میٹر فی سیکنڈ۔
Step 1 — before loading, beats = |320 − f_B| = 4, so f_B was 324 Hz or 316 Hz. Step 2 — loading with wax lowers a fork's frequency. Step 3 — test both candidates: if B had been 324 Hz, loading would move it towards 320 Hz and beats would decrease — but the beats increased to 6, so 324 Hz is ruled out. B must have been 316 Hz, below A, so loading moves it further away from 320 Hz. Step 4 — after loading, beats = 6 = 320 − f_B(loaded), so f_B(loaded) = 320 − 6 = 314 Hz. Matches the book's printed answer. لوڈنگ سے پہلے B کی فریکوئنسی 324 یا 316 ہرٹز ہو سکتی تھی؛ موم سے فریکوئنسی گھٹتی ہے اور بیٹس بڑھ کر 6 ہوئیں، اس لیے B پہلے 316 تھی اور لوڈ ہونے کے بعد 320 − 6 = 314 ہرٹز رہ گئی۔
Step 1 — tension F = weight = 80 N; length ℓ = 1.5 m. Step 2 — radius r = diameter/2 = 0.25 mm = 2.5 × 10⁻⁴ m. Cross-sectional area A = πr² = 3.14 × (2.5 × 10⁻⁴)² = 3.14 × 6.25 × 10⁻⁸ = 1.96 × 10⁻⁷ m². Step 3 — mass per unit length m = density × area = (7.8 × 10³) × (1.96 × 10⁻⁷) = 1.53 × 10⁻³ kg m⁻¹. Step 4 — wave speed v = √(F/m) = √(80 / 1.53 × 10⁻³) = √(52,300) ≈ 228.6 m s⁻¹. Step 5 — fundamental f₁ = v/(2ℓ) = 228.6/(2 × 1.5) = 228.6/3.0 = 76.2 Hz. Matches the book's printed answer. تناؤ 80 نیوٹن، رداس 0.25 ملی میٹر، رقبہ 1.96 × 10⁻⁷ مربع میٹر، فی یونٹ لمبائی کمیت 1.53 × 10⁻³ کلوگرام فی میٹر، رفتار √(F/m) ≈ 228.6 میٹر فی سیکنڈ، اور f₁ = v/(2ℓ) = 76.2 ہرٹز۔
Step 1 — intensity I = 500 W m⁻², area A = 0.50 m², time t = 4 hours = 4 × 3600 = 14,400 s. Step 2 — power received P = I × A = 500 × 0.50 = 250 W. Step 3 — energy E = P × t = 250 × 14,400 = 3,600,000 J = 3.6 × 10⁶ J. Matches the book's printed answer. (The trap here is the hours-to-seconds conversion — forget it and the answer is off by a factor of 3600.) طاقت P = I × A = 250 واٹ، وقت 4 گھنٹے = 14400 سیکنڈ، توانائی E = P × t = 3.6 × 10⁶ جول۔
(a) Step 1 — I = kA², so k = I/A². Step 2 — k = 16/(2)² = 16/4 = 4 W m⁻⁴. (b) Step 1 — A² = I/k = 25/5 = 5. Step 2 — A = √5 = 2.24 m. Both match the book's printed answers (k's unit follows from I = kA²: W m⁻² divided by m²). (الف) k = I/A² = 16/4 = 4؛ (ب) A² = I/k = 25/5 = 5، اس لیے A = √5 = 2.24 میٹر۔
(a) I = P/A = 200/150 = 1.33 W m⁻². (b) I = P/A = 100/400 = 0.25 W m⁻². Same formula both times — only the area changes (a flat crowd area versus a sphere's surface). Both match the book's printed answers. (الف) I = 200/150 = 1.33 واٹ فی مربع میٹر؛ (ب) I = 100/400 = 0.25 واٹ فی مربع میٹر۔
Step 1 — distance r = 10 km = 10,000 m. Step 2 — the power spreads over a sphere of area A = 4πr² = 4 × 3.14 × (10,000)² = 4 × 3.14 × 10⁸ = 1.256 × 10⁹ m². Step 3 — I = P/A = 500/(1.256 × 10⁹) = 3.98 × 10⁻⁷ ≈ 4 × 10⁻⁷ W m⁻². Matches the book's printed answer. فاصلہ 10 کلومیٹر = 10000 میٹر، کرے کا رقبہ 4πr² = 1.256 × 10⁹ مربع میٹر، شدت I = 500/1.256 × 10⁹ ≈ 4 × 10⁻⁷ واٹ فی مربع میٹر۔
(a) Open at both ends: f₁ = v/(2ℓ) = 340/(2 × 1) = 170 Hz; all harmonics follow, f₂ = 2 × 170 = 340 Hz, f₃ = 3 × 170 = 510 Hz. (b) Closed at one end: f₁ = v/(4ℓ) = 340/(4 × 1) = 85 Hz; only odd harmonics follow, so the "first two harmonics" after the fundamental are the 3rd and 5th: f₃ = 3 × 85 = 255 Hz, f₅ = 5 × 85 = 425 Hz. Both sets match the book's printed answers — note again that the closed pipe's list skips 170 Hz (the missing 2nd harmonic). (الف) دونوں سروں سے کھلا: f₁ = 170، f₂ = 340، f₃ = 510 ہرٹز۔ (ب) ایک سرے سے بند: f₁ = 85، پھر طاق ہارمونکس f₃ = 255 اور f₅ = 425 ہرٹز — دوسرا ہارمونک غائب ہے۔
Step 1 — convert speed: 90 km h⁻¹ = 90 × 1000/3600 = 25 m s⁻¹. Step 2 — approaching: f′ = [v/(v − uₛ)]f = [340/(340 − 25)] × 1000 = (340/315) × 1000 = 1079.4 Hz — higher, as expected. Step 3 — receding: f′ = [v/(v + uₛ)]f = [340/(340 + 25)] × 1000 = (340/365) × 1000 = 931.5 Hz — lower, as expected. Both match the book's printed answers. رفتار 90 کلومیٹر فی گھنٹہ = 25 میٹر فی سیکنڈ۔ قریب آنے پر f′ = [340/315] × 1000 = 1079.4 ہرٹز، دور جانے پر f′ = [340/365] × 1000 = 931.5 ہرٹز۔
This chapter is one idea used four ways. A wave carries energy without carrying matter (v = fλ), and when waves meet they add — superposition. Add same-frequency waves travelling together and you get interference (ΔS = nλ loud, ΔS = (2n + 1)λ/2 quiet). Add equal waves travelling oppositely and you get a standing wave with nodes and antinodes, whose allowed frequencies are quantised into harmonics. Let a wave bend around an obstacle and you get diffraction; let two nearly equal frequencies overlap and you get beats (f_beat = |f₁ − f₂|); let a source move and you get the Doppler shift (minus in the denominator approaching, plus receding). Intensity ties the travelling wave back to energy: I = P/A and I ∝ A².
Topics covered, with links:
Revision guidance: learn the chapter as three formula pairs — interference (nλ vs (2n + 1)λ/2), pipes (open v/2ℓ all n vs closed v/4ℓ odd n only), Doppler (minus approaching vs plus receding) — and everything else hangs off them. Practise the two trap questions until they are automatic: the closed pipe's "next" harmonic is the third, and a loaded tuning fork's candidate frequency is settled by whether the beats grew or shrank. For numericals, always convert units first (km h⁻¹ to m s⁻¹, hours to seconds, mm to m) — most lost marks in this chapter are unit marks, not physics marks.
یہ باب ایک ہی خیال کے چار استعمال ہے۔ لہر مادے کو لے جائے بغیر توانائی لے جاتی ہے (v = fλ)، اور لہریں ملنے پر جمع ہو جاتی ہیں — سپرپوزیشن۔ ایک سمت میں ایک جیسی فریکوئنسی کی لہریں ملیں تو تداخل، مخالف سمتوں میں ملیں تو ساکن لہر جس کی فریکوئنسیاں ہارمونکس میں بندھی ہوتی ہیں۔ رکاوٹ کے گرد مڑیں تو انعطاف، تقریباً برابر فریکوئنسیاں ملیں تو بیٹس، اور ماخذ حرکت کرے تو ڈاپلر شفٹ۔ شدت سفر کرنے والی لہر کو توانائی سے جوڑتی ہے: I = P/A اور I ∝ A²۔
نظرثانی کی رہنمائی: باب کو تین فارمولا جوڑوں کے طور پر یاد کریں — تداخل (nλ بمقابلہ (2n+1)λ/2)، پائپ (کھلا v/2ℓ تمام n بمقابلہ بند v/4ℓ صرف طاق n)، ڈاپلر (قریب آنے پر منفی بمقابلہ دور جانے پر جمع)۔ دو چال والے سوالات کی مشق کریں: بند پائپ کا "اگلا" ہارمونک تیسرا ہوتا ہے، اور لوڈ شدہ فورک کا امیدوار بیٹس کے بڑھنے یا گھٹنے سے طے ہوتا ہے۔ عددی سوالات میں پہلے اکائیاں بدلیں — اس باب میں زیادہ نمبر اکائیوں کی غلطی سے جاتے ہیں، طبیعیات کی غلطی سے نہیں۔
Chapter-wise tests, fresh random papers اور instant score کے لیے PunjabTest.com کا میں test section دیکھو:
PunjabTest.com — Complete Guide Book • FSc Part 1 Physics, Chapter 7 (New Book, Session 2026–27) • English + Urdu