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Complete University Physics Notes | Mechanics, E&M, Thermodynamics, Quantum, Relativity

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High-quality concise physics notes covering classical mechanics, waves, electrodynamics, thermodynamics, statistical mechanics, modern physics, quantum mechanics, astrophysics, transport phenomena, and practical physics. Includes Lagrangian mechanics, harmonic oscillator, Maxwell equations, EM waves, thermodynamic laws, Boltzmann statistics, black-body radiation, fluid dynamics, rigid body dynamics, quantum theory, hydrogen atom, relativity, nuclear physics, and experimental instruments. Perfect for university physics, JEE advanced preparation, and self-study.

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Seasonal Diary

Vivek Kalita



August 2024




March 21, 2025

, Contents


I Physics 5

1 Classical Mechanics 6
1.1 Lagrangian Formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.1 Some definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.2 Principle of Least Action . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.3 Noether’s theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2 The Harmonic Oscillator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1 General Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.2.2 Unforced Oscillation (Damped) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.3 Waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.1 Standing waves on a String . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.3.2 Dispersion, Phase and Group Velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3.3 Interference . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.3.4 Doppler effect and related phenomenon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.4 Gravitation (Two-body problem) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.4.1 Elliptical Orbits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.5 Fluid Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.1 Fundamental definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.2 Basic dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
1.5.3 Other properties of fluids . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.4 Acoustic Wave Equation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5.5 Surface Phenomenon . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.6 Rigid body Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6.1 The centre of mass and the moment of inertia . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.6.2 The moment of inertia tensor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.6.3 The Euler equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2 Classical Electromagnetic field theory 26
2.1 Potentials and fields . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.1.1 The potentials of electric field and the magnetic field . . . . . . . . . . . . 26
2.2 Electrostatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.2.1 The electrostatic multipole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
2.3 Laplace’s Equation and Boundary Value Problems . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.1 Laplace’s equations and its properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.3.2 Method of Images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4 Electrostatics in Matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.1 The Polarization Density . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.4.2 Field Due to Polarization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2.5 Fundamental principles of Magnetostatics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2

,Contents 3


2.5.1 The vector potential . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.5.2 Magnetic field due to a current distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6 Electromagnetic induction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
2.6.1 The displacement current . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2.6.2 Radiation theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

3 Electromagnetic waves 36
3.1 Electromagnetic Waves in Vacuum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.1.1 Plane waves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
3.2 Electromagnetic Waves in Linear Media . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.1 Reflection and Transmission at Normal Incidence . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.2 Reflection and Transmission at Oblique Incidence . . . . . . . . . . . . . . 38

4 Electrical circuits 40
4.1 Resistor circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1.1 Basic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
4.1.2 Nodal analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.1.3 Mesh Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.2 AC circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
4.2.1 Basic principles and laws . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

5 Thermodynamics and statistical mechanics 44
5.1 Thermodynamic processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.1.1 The fundamental processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.1.2 Heat engines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.2 Thermodynamic Potentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
5.3 General methodology in Boltzmann statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
5.4 Application of Boltzmann statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.4.1 Free non-interacting particles in a box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
5.4.2 Gases with only quadratic degrees of freedom . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.4.3 Ideal Mixtures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.4.4 Real gases (Van der Waals model) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.4.5 Ideal paramagnets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.5 Blackbody Radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.5.1 The Planck Distribution for a single photon . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.5.2 The Photon in a Box . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.6 Chemical and Electrochemical Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.6.1 Chemical Equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.6.2 Chemical Equilibrium (Ionic) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
5.6.3 Electrochemical solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

6 Transport theory and kinetics 63
6.1 Transport Properties in Electrochemical Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

7 Astrophysics 64
7.1 Hydrostatic equilibrium . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7.1.1 Gravity alone can’t hold a star . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
7.1.2 Introducing pressure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64




Seasonal Diary

, Contents 4


8 Modern Physics 67
8.1 Einstein’s theory of Special relativity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.1.1 The coordinate transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
8.1.2 Velocity, Momentum, and Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
8.2 The Primordial Quantum Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.2.1 Bohr’s quantization of the angular momentum . . . . . . . . . . . . . . . 72
8.2.2 The Sommerfeld Extension . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
8.2.3 Additional developments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8.3 A first step into modern quantum mechanics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
8.3.1 Wavefunctions and Operators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
8.4 The Hydrogen Atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
8.4.1 Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
8.5 A first stab at Quantum Field Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
8.5.1 Transformation rules for Scalars, Spinors, and Vectors . . . . . . . . . . . 81
8.5.2 Conservation and symmetries . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
8.5.3 Klein Gordon Field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
8.5.4 The Dirac field . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
8.6 Nuclear Phenomenology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.6.1 Nuclear Decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
8.6.2 The Liquid Drop Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

9 Practical physics 89
9.1 Measuring length . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
9.1.1 Vernier Calipers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
9.1.2 The micrometre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.2 Basic optical instruments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
9.2.1 Refraction by a Prism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
9.2.2 Lenses . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
9.3 Measuring Sound . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.3.1 SPL (Sound Pressure Level) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
9.3.2 SIL (Sound Intensity Level) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.4 Observational Astronomy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.4.1 Refracting Telescope . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.4.2 The Celestial Sphere . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
9.4.3 Magnitudes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
9.5 Resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
9.5.1 Common Resistors: Construction and Properties . . . . . . . . . . . . . . 98
9.5.2 Colour Coding of resistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
9.6 Applications of equilbrium: Buffers and salts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.6.1 Buffer solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.7 Electrode potentials and electrolysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
9.7.1 Measuring Electrode Potentials—The Standard Hydrogen Electrode . . . 100




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