Name: fret as a molecular ruler in cells
Uploaded: 2023-04-30T06:31:47.000Z
Duration: 6 min 39 s
Channel: JoVE

K12 Standards

new-york-state-science-learning-standards

New York State Science Learning Standards

High School

Physical Science

HS. Waves and Electromagnetic Radiation

HS-PS4-5.

F&#246;rster Resonance Energy Transfer (FRET)

Förster resonantie-energieoverdracht (FRET) is een fenomeen dat wordt gebruikt om biochemische interacties op korte afstand te onderzoeken. Bij FRET kan een donorfotoluminescent molecuul niet-radiatief energie overdragen naar een acceptormolecuul als hun respectieve emissie- en absorptiespectra elkaar overlappen. De hoeveelheid overgedragen energie - en bijgevolg de totale emissie van het monster - hangt af van de nabijheid van een acceptor-donorpaar van fotoluminescente moleculen. FRET-analyse wordt gecombineerd met andere biochemische technieken om gedetailleerde informatie over biomoleculaire structuren en interacties te verkrijgen van deze'spectroscopische liniaal'.
Deze video behandelt de principes en concepten van FRET-analyse. De procedure richt zich op het voorbereiden van monsters voor FRET en manieren om gegevens te presenteren en te interpreteren. Ten slotte omvatten de toepassingen het bewaken van conformationele en cellulaire processen door delen van een cel of eiwit te labelen, het bewaken van enzymreacties die eiwitstructuren veranderen, en het gebruik van FRET om de aggregatie van monomeren die door cellen worden geproduceerd te bewaken.

förster-resonantie-energieoverdracht (fret)

Förster resonantie energieoverdracht (FRET) is een fenomeen dat wordt gebruikt om biochemische interacties op korte afstand te onderzoeken. Bij FRET kan een donorfotoluminescent molecuul niet-radiatief energie overdragen aan een acceptormolecuul als hun respectieve emissie- en absorptiespectra elkaar overlappen. De hoeveelheid overgedragen energie - en dus de algehele emissie van het monster - hangt af van de nabijheid van een acceptor-donorgespan van fotoluminescente moleculen. FRET-analyse wordt gecombineerd met andere biochemische technieken om gedetailleerde informatie over biomoleculaire structuren en interacties te verkrijgen van deze'spectroscopische liniaal'.
Deze video behandelt de principes en concepten van FRET-analyse. De procedure richt zich op het voorbereiden van monsters voor FRET en manieren om gegevens te presenteren en te interpreteren. Ten slotte omvatten de toepassingen het monitoren van conformationele en cellulaire processen door delen van een cel of eiwit te labelen, het monitoren van enzymreacties die eiwitstructuren veranderen, en het gebruik van FRET om de aggregatie van monomeren die door cellen worden tot expressie gebracht, te monitoren.
<div class="chapter_text" id="script_0">
Förster resonantie energieoverdracht, of FRET, is een niet-radiatieve overdracht van energie tussen lichtemitterende moleculen, en wordt vaak gebruikt om biochemische interacties op korte afstand te onderzoeken. FRET treedt alleen op wanneer fluorescente moleculen binnen 10 nm van elkaar zijn geplaatst. FRET-analyse kan worden gecombineerd met andere technieken om gedetailleerde structurele informatie te verkrijgen. Deze video introduceert de onderliggende principes van FRET, vat een protocol en gegevenspresentatie samen en bespreekt enkele biochemische toepassingen.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_1">
Een fotoluminescent molecuul zoals een fluorofoor wordt opgewonden door elektromagnetische straling te absorberen op een golflengte in zijn absorptiespectrum. Terwijl het zich ontspant, zendt het licht uit op een golflengte binnen zijn emissiespectrum. Voor meer informatie over fluorescentie, zie JoVE's video over fluorescentiemicroscopie. Verschillende fluoroforen absorberen en zenden licht uit op verschillende golflengten, die vaak overlappen. Als het emissiespectrum van een fluorofoor aanzienlijk overlapt met het absorptiespectrum van een andere fluorofoor, zal de 'donor' een virtueel foton vrijgeven, dat wordt geabsorbeerd door de 'acceptor'. Wanneer een opgewonden donor zich binnen 10 nm van een acceptor bevindt, wordt energie overgedragen van donor naar acceptor door dipool-dipool-interacties. De energieafgifte door lichtemissie van de donor neemt dienovereenkomstig af. Ondertussen zendt de opgewekte acceptor licht uit op zijn emissiegolflengte. De FRET-respons wordt geëvalueerd in termen van efficiëntie, of het percentage energie dat door FRET van de donor wordt vrijgegeven in plaats van door fluorescentie of andere stralingsprocessen. De efficiëntie hangt sterk af van de afstand tussen de donor en de acceptor, waardoor FRET kan fungeren als een 'moleculair' of 'spectroscopisch' liniaal.
In de biochemie wordt FRET vaak kwalitatief gebruikt om conformationele veranderingen in moleculen te observeren door fluoroforen te monitoren terwijl ze in en uit het FRET-bereik van elkaar bewegen. Evenzo kunnen cellulaire functies worden bestudeerd met moleculen die een FRET-paar bevatten. Als het gelabelde molecuul wordt gekliefd door enzymactiviteit, stopt FRET en verandert de waargenomen fluorescentiegolflengte.
Nu u de principes achter FRET begrijpt, laten we een overzicht van een protocol en een paar manieren om de gegevens te presenteren en te interpreteren bekijken.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_2">
Voorafgaand aan het experiment worden de interessante biomoleculen, meestal DNA of eiwitten, geconstrueerd met fluorescente tags, met behulp van moleculaire biologietechnieken. Veelvoorkomende manieren om het gemodificeerde genetische materiaal in de cellen te introduceren, zijn transfectie en elektroporatie.
Vervolgens worden de cellen voorbereid voor FRET-visualisatie op een fluorescentiemicroscoop. De moleculen kunnen bijvoorbeeld worden geïmmobiliseerd op een schuifje voor FRET met één molecuul, of monsters worden geladen in putjes voor grootschalige screening.
Vervolgens worden de excitatielasers, de microscoop en het bijbehorende apparatuur voorbereid. (A) FRET-experimenten omvatten vaak krachtige lasers; (B) dus moeten passende lichaamsbescherming en veiligheidsprocedures worden gebruikt. Het monster wordt vervolgens in het instrument geplaatst en belicht met de excitatielaser.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_3">
Voor experimenten die celgedrag monitoren, worden kleurplaatjes gebruikt die verschillen of veranderingen in emissie-intensiteit laten zien. De emissie-intensiteiten van donor en acceptor worden samen geplot om de FRET-respons in de tijd te volgen.
FRET-gegevens kunnen ook worden aangepast aan verschillende functies voor meer complexe analyses. Afhankelijk van het experiment kunnen gegevens op meerdere manieren worden gepresenteerd om de resultaten het beste te vertegenwoordigen, waardoor FRET een flexibel experimenteel hulpmiddel wordt.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_4">
Nu u bekend bent met de basisprincipes van het uitvoeren en analyseren van een FRET-experiment, laten we enkele toepassingen van FRET in biochemisch onderzoek bekijken.
FRET kan worden gebruikt om conformationele veranderingen of cellulaire processen te bestuderen door delen van het eiwit of de cel die naar verwachting binnen 10 nm van elkaar bewegen, te labelen met een FRET-paar. Bijvoorbeeld, eiwitsensoren worden bereid door receptoren te labelen met een paar fluoroforen. De FRET-respons wordt live gemonitord door confocale microscopie. Variatie in emissiegolflengte en intensiteit geeft conformationele veranderingen aan.
FRET kan ook worden gebruikt door moleculen met een actief FRET-paar voor te bereiden en veranderingen in de respons te observeren. Wanneer het substraat wordt gekliefd, wordt FRET onderbroken, wat leidt tot een toename van de donoremissie en een afname van de acceptoremissie. De emissieën worden geanalyseerd om bijdragen door donor, acceptor en FRET te bepalen. Zodra de directe emissiefactoren zijn berekend voor de cyaan en gele fluorescente eiwitten, kunnen de concentratie en kinetische parameters van het substraat worden bepaald.
Cellen die

Förster-resonantie-energieoverdracht (FRET)

F&#246;rster resonance energy transfer (FRET) is a phenomenon used to investigate close-range biochemical interactions. In FRET, a donor photoluminescent ...

F?rster Resonance Energy Transfer, of FRET, is een niet-radiatieve overdracht van energie tussen lichtemitterende moleculen, en wordt vaak gebruikt om biochemische interacties op korte afstand te onderzoeken. FRET treedt alleen op wanneer fluorescerende moleculen zich binnen 10 nm van elkaar bevinden. FRET-analyse kan worden gecombineerd met andere technieken om gedetailleerde structurele informatie te verkrijgen. Deze video zal de onderliggende principes van FRET introduceren, een protocol en gegevenspresentatie samenvatten, en enkele biochemische toepassingen bespreken.Een fotoluminescent molecuul zoals een fluorfoor wordt opgewonden door elektromagnetische straling te absorberen op een golflengte in zijn absorptiespectrum. Terwijl het zich ontspant, zendt het licht uit op een golflengte binnen zijn emissiespectrum. Voor meer informatie over fluorescentie, zie JoVE's video over fluorescentiemicroscopie. Verschillende fluorfoors absorberen en zenden licht uit op verschillende golflengten, die vaak overlappen. Als het emissiespectrum van een fluorfoor significant overlapt met het absorptiespectrum van een andere fluorfoor, zal de 'donor' een virtueel foton afgeven, dat wordt geabsorbeerd door de 'acceptor'. Wanneer een opgewonden donor zich binnen 10 nm van een acceptor bevindt, wordt energie overgedragen van donor naar acceptor door dipool-dipool interacties. De afgifte van energie door emissie van licht van de donor neemt overeenkomstig af. Ondertussen zendt de opgewonden acceptor licht uit op zijn emissiegolflengte. De FRET-respons wordt geëvalueerd in termen van efficiëntie, of het percentage van energie vrijgegeven van de donor door FRET in plaats van door fluorescentie of andere stralingsprocessen. De efficiëntie hangt sterk af van de afstand tussen de donor en acceptor, wat FRET toestaat om als een'moleculaire' of'spectroscopische' liniaal te fungeren.In de biochemie wordt FRET vaak kwalitatief gebruikt om conformationele veranderingen in moleculen waar te nemen door fluorfoors te monitoren terwijl ze in en uit het FRET-bereik van elkaar bewegen. Evenzo kunnen cellulaire functies worden bestudeerd met moleculen die een FRET-paar bevatten. Als het gelabelde molecuul wordt afgebroken door enzymactiviteit, stopt FRET en verandert de waargenomen fluorescentiegolflengte.Nu u de principes achter FRET begrijpt, laten we een overzicht bekijken van een protocol en een paar manieren om de gegevens te presenteren en te interpreteren.Voorafgaand aan het experiment worden de belangrijke biomoleculen, meestal DNA of eiwitten, gemodificeerd met fluorescerende tags, met behulp van moleculaire biologietechnieken.?Gangbare manieren om het gemodificeerde genetische materiaal in de cellen te introduceren omvatten transfectie en elektroporatie.Vervolgens worden de cellen voorbereid voor FRET-visualisatie op een fluorescentiemicroscoop.?De moleculen kunnen bijvoorbeeld worden geïmmobiliseerd op een glijbaan voor single-molecuul FRET, of monsters worden geladen in putjes voor grootschalige screening.Vervolgens worden de excitatielasers, microscoop en bijbehorende apparatuur voorbereid. (A) FRET-experimenten omvatten vaak krachtige lasers; (B) dus gepaste PPE en veiligheidsprocedures moeten worden gebruikt.?Het monster wordt vervolgens in het instrument geplaatst en belicht met de excitatielaser.Voor experimenten die celgedrag monitoren, worden kleurbeelden gebruikt die verschillen of veranderingen in emissie-intensiteit tonen. Donor- en acceptoremissie-intensiteiten worden samen geplot om de FRET-respons in de tijd te volgen.FRET-gegevens kunnen ook worden aangepast aan verschillende functies voor meer complexe analyses. Afhankelijk van het experiment, kunnen gegevens op meerdere manieren worden gepresenteerd om de resultaten het beste te vertegenwoordigen, waardoor FRET een flexibel experimenteel hulpmiddel is.Nu u bekend bent met de basisprincipes van het uitvoeren en analyseren van een FRET-experiment, laten we een paar toepassingen van FRET in biochemisch onderzoek bekijken.FRET kan worden gebruikt om conformationele veranderingen of cellulaire processen te bestuderen door delen van het eiwit of de cel die binnen 10 nm van elkaar worden voorspeld te bewegen met een FRET-paar te labelen. Bijvoorbeeld, eiwitsensoren worden bereid door receptoren te labelen met een paar fluorfoors. De FRET-respons wordt live gemonitord door confocale microscopie. Variatie van emissiegolflengte en intensiteit geven conformationele veranderingen aan.FRET kan ook worden gebruikt door moleculen met een actief FRET-paar te bereiden en veranderingen in de respons waar te nemen. Wanneer het substraat wordt afgebroken, wordt FRET verbroken, wat een toename van donor-emissie en een afname van acceptoremissie veroorzaakt. De emissies worden geanalyseerd om bijdragen door donor, acceptor en FRET te bepalen. Zodra de directe emissiefactoren voor de cyaan en gele fluorescerende eiwitten zijn berekend, kunnen de concentratie en kinetische parameters van het substraat worden bepaald.Cellen die zijn ontworpen om monomeren te produceren die een van een FRET-paar bevatten, functioneren als 'sensoren' voor interacties tussen die monomeren. Als aggregatie van die monomeren wordt geïnduceerd, wordt een FRET-respons waargenomen. Dit kan worden gebruikt om eiwitaggregatie te onderzoeken die wordt veroorzaakt door 'seeding' van verkeerd gevouwen eiwitten. Hier werden cellen getransduceerd met aggregaten van het eiwit van belang, geïncubeerd en geanalyseerd met flowcytometrie.Je hebt zojuist JoVE's video over F?rster Resonance Energy Transfer, of FRET, bekeken. Deze video bevatte de onderliggende principes van FRET, voorbereiding en analyse van een FRET-experiment, en een paar biochemische toepassingen.Bedankt voor het kijken!

Education

JoVE Science Education

Chemistry

Scheikunde

Biochemistry

Biochemie

fret as a molecular ruler in cells

Föster resonance energy transfer, or FRET, is a way to study close-range biochemical interactions using light-emitting molecules. A donor fluorophore can pass energy to an acceptor fluorophore when their emission and absorption spectra overlap. This transfer happens only when the pair is very close together, usually within 10 nm.

Because FRET depends on distance, it is often called a molecular or spectroscopic ruler. The strength of the signal is measured as FRET efficiency, which describes how much donor energy is transferred instead of being released as fluorescence. Researchers use this relationship to learn about biomolecular structure and interactions.

FRET is often used to follow conformational changes in proteins and other cell molecules. It can also help monitor cellular processes when fluorophores move in and out of FRET range. If an enzyme cuts a labeled molecule, FRET stops, and the emission pattern changes.

To run a FRET experiment, the biomolecules of interest, usually DNA or proteins, are engineered with fluorescent tags. Modified genetic material is commonly introduced into cells by transfection or electroporation. The samples are then prepared for visualization on a fluorescence microscope, either by immobilizing molecules on a slide for single-molecule FRET or by loading them into wells for high-throughput screening.

The microscope, lasers, and related equipment are prepared before the sample is illuminated. FRET experiments often use powerful lasers, so proper PPE and safety procedures are important. The sample is then analyzed as donor and acceptor signals are recorded.

FRET data can be shown in different ways depending on the experiment. Color images may show changes in emission intensity in live-cell studies. Donor and acceptor intensities can also be plotted over time, and the results may be fitted to functions for more complex analysis.

FRET has several biochemical applications. Protein sensors can be built by labeling receptors with a FRET pair and tracking changes with confocal microscopy. FRET can also be used to study enzyme reactions that alter protein structure, and the emissions can be analyzed to separate donor, acceptor, and FRET contributions.

Another use is monitoring monomer aggregation in cells. Cells can be designed to express monomers that contain one part of a FRET pair, and aggregation produces a measurable FRET response. This approach can help study protein aggregation triggered by seeding with misfolded proteins, using transduced cells followed by incubation and flow cytometry.

FRET as a Molecular Ruler in Cells

dialysis: diffusion based separation

Dialysis for Buffer Exchange in Biochemistry

Dialysis is a common biochemistry technique for buffer exchange and desalting. It separates molecules by diffusion through a semipermeable membrane, which lets small molecules pass while holding larger biomolecules inside the sample. The membrane is the key part of the setup. Its pores create a molecular weight cutoff, so a membrane such as a 10 kDa membrane usually keeps molecules larger than 10 kilodaltons inside. This cutoff is not exact, because membranes have a range of pore sizes.

enzyme assays and kinetics

Measuring Enzyme Reaction Rates

Enzyme reaction rates can be measured with assays that track how substrate or product levels change over time. Enzymes are proteins, or sometimes RNAs, that speed up chemical reactions by lowering the activation energy needed to start them. They act on a specific substrate and help form a product that supports life processes. Enzymatic reactions are often described in three steps. First, the substrate binds to the enzyme active site and forms an enzyme-substrate complex. That complex can fall...

maldi-tof mass spectrometry

How MALDI-TOF Reads Biomolecules

MALDI-TOF mass spectrometry reads biomolecules by using a laser, a matrix, and a time-of-flight analyzer. MALDI, or matrix-assisted laser desorption ionization, helps fragile molecules keep their structure while they are moved into the mass analyzer. The analyzer then separates compounds based on size and charge. In MALDI, the sample is mixed into a matrix, usually an organic compound with aromatic and conjugated double bonds. A laser pulse strikes the spot, and the matrix absorbs most of the...

tandem mass spectrometry

Tandem Mass Spectrometry for Biomolecule Analysis

Tandem mass spectrometry is used to isolate a biomolecule and break it into smaller pieces so its makeup can be studied. Because biomolecules often have large, complex structures, it can be hard to identify their molecular composition and sequence from a single measurement. By linking mass spectrometers in series, the technique first selects one ion and then analyzes the fragments it produces. The process starts with an ion source that converts the sample into ions. A mass analyzer then...

protein crystallization

Protein Crystals for Structure Analysis

Protein crystals help scientists study protein structure and function. A crystal is a solid lattice made from purified protein molecules. These crystals are useful in structural biology because they reveal details that methods like mass spectrometry and SDS-PAGE cannot show on their own. Protein crystallization is paired with recombinant protein expression and x-ray diffraction to support this work. The process starts with a large amount of very pure protein. Researchers often make that...

chromatography-based biomolecule purification methods

chromatography-based-biomolecule-purification-methods

Protein Purification with SEC and IMAC

Protein purification with size-exclusion chromatography and affinity chromatography helps isolate biomolecules from complex mixtures. These methods are common in biochemistry because purified samples are needed before a biomolecule’s properties and activity can be studied. The video focuses on the principles behind size-exclusion chromatography, affinity chromatography, and immobilized metal affinity chromatography, or IMAC. Size-exclusion chromatography, or SEC, separates molecules by size. A...

two-dimensional gel electrophoresis

Protein Mapping with 2D Gel Electrophoresis

Protein mapping with 2D gel electrophoresis separates complex protein mixtures across two steps. The method combines isoelectric focusing, or IEF, with sodium dodecyl sulfate polyacrylamide gel electrophoresis, or SDS-PAGE. Together, these methods can resolve thousands of biomolecules from a single sample by their isoelectric point and molecular weight. The first dimension is IEF. Each protein has an isoelectric point, or pI, which is the pH where its net charge is zero. Proteins are loaded...

metabolic labeling

Tracking Cell Chemistry with Metabolic Labels

Metabolic labeling tracks cell chemistry by using chemical analogs that cells take up and build into biomolecules. These labels help scientists follow biochemical changes and modifications inside cells. The labeled products can then be studied with tools such as SDS-PAGE and NMR to learn more about metabolic pathways. Several labeling strategies are shown here. Isotopic labeling uses analogs that match the natural molecule but contain uncommon isotopes, such as carbon-13 and nitrogen-15 in an...

electrophoretic mobility shift assay (emsa)

electrophoretic-mobility-shift-assay-emsa

Detecting Protein-DNA Binding by EMSA

Electrophoretic mobility shift assay, or EMSA, is a biochemical method used to detect binding between proteins and nucleic acids. It is also called a gel shift assay. The test compares how a labeled nucleic acid moves through a gel before and after it binds a protein. EMSA is used to see whether a specific protein binds to a specific nucleic acid. First, the nucleic acid is labeled to make a probe. The transcript describes radioactive phosphorus-32 as a common label. The probe is then mixed...

photometric protein determination

Measuring Protein Concentration with Absorbance

Measuring protein concentration with absorbance is a key step in many biochemical assays. Photometric methods use the fact that samples with more light-absorbing material transmit less light. Because concentration and absorption are directly related, this makes it possible to measure an unknown sample. The core idea comes from the Beer-Lambert Law. This law states that the concentration of a light-absorbing species is proportional to its absorbance. The video also introduces the Bradford assay...

density gradient ultracentrifugation

Sucrose Gradient Separation in an Ultracentrifuge

Sucrose gradient separation in an ultracentrifuge is a lab method for isolating cell parts and biomolecules. It uses differences in density to make particles sink or rise in a liquid. A high-speed ultracentrifuge speeds up this process so components can be separated without destroying them. The basic idea starts with a suspension, which is particles mixed in a liquid solvent. Particles that are denser than the solvent sediment, while less dense particles float. A rotor inside the...

co-immunoprecipitation and pull-down assays

co-immunoprecipitation-and-pull-down-assays

Protein Interaction Capture Methods in Cells

Co-immunoprecipitation and pull-down assays are laboratory methods used to capture stable protein-protein interactions. Protein-protein interactions help control many biological functions, but many of them have not yet been identified. These assays are related to immunoprecipitation, which isolates a target protein from a mixed sample using an antibody. In co-immunoprecipitation, or CoIP, an antibody binds the target protein, and that protein is already attached to another protein that the...

reconstitution of membrane proteins

Membrane Proteins in Liposome Models

Membrane proteins can be moved into liposome models so their function can be studied outside a cell. Reconstitution means restoring an isolated biomolecule to a working form. For membrane proteins, that usually means placing a purified protein into an artificial lipid membrane. Cell membranes are made mainly of phospholipids and membrane proteins. The phospholipids form a bilayer with hydrophilic phosphate heads facing water and hydrophobic fatty acid tails facing inward. Some membrane...

f&#246;rster resonance energy transfer (fret)

Föster resonance energy transfer, or FRET, is a way to study close-range biochemical interactions using light-emitting molecules. A donor fluorophore can pass energy to an acceptor fluorophore when their emission and absorption spectra overlap. This transfer happens only when the pair is very close together, usually within 10 nm. Because FRET depends on distance, it is often called a molecular or spectroscopic ruler. The strength of the signal is measured as FRET efficiency, which describes...

surface plasmon resonance (spr)

SPR Biosensors for Tracking Binding Kinetics

Surface plasmon resonance, or SPR, is a way to track biomolecular binding on a label-free biosensor. It is used to measure molecular affinity, kinetics, specificity, and concentration. The method works with a thin metal layer on a prism, where changes in reflected light reveal interactions in real time. SPR sensors use a thin layer of a noble metal on the face of a prism. Light is reflected from the prism-metal interface into a photodetector. At one specific angle, called the surface plasmon...

biochemistry

This collection presents commonly used purification methods, such as affinity chromatography, as well as analytical methods, like MALDI-TOF. In addition, the videos showcase methods for assessing biomolecule interaction and function, such as co-immunoprecipitation and metabolic labeling.

Learn how FRET uses donor and acceptor fluorophores to measure distance, track protein changes, and study enzyme activity in cells.

FRET as a Molecular Ruler in Cells | JoVE K12

Life Science

Structure and Function

HS-LS1-1.

matter-and-energy-in-organisms-and-ecosystems

Matter and Energy in Organisms and Ecosystems

HS-LS1-6.

Inheritance and Variation of Traits

HS-LS3-1.

Overview

Principles of FRET

Performing the FRET Experiment

Data Presentation and Analysis

Applications

Summary

Travelling Waves

A wave is a disturbance that propagates from its source, repeating itself periodically, and is typically associated with simple harmonic motion. ...

Wave Parameters

The simplest mechanical waves are associated with simple harmonic motion and repeat themselves for several cycles. These simple harmonic waves can be ...

Equations of Wave Motion

Mathematically, the motion of a wave can be studied using a wavefunction. Consider a string oscillating up and down in simple harmonic motion, having a ...

Graphing the Wave Function

Consider the wave equation for a sinusoidal wave moving in the positive x-direction. The wave equation is a function of both position and time. From the ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14721.jpg

Velocity and Acceleration of a Wave

A wave propagates through a medium with a constant speed, known as a wave velocity. It is different from the speed of the particles of the medium, which ...

Speed of a Transverse Wave

The speed of a wave depends on the characteristics of the medium. For example, in the case of a guitar, the strings vibrate to produce the sound. The ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14722.jpg

problem-solving-tuning-of-a-guitar-string

Problem-Solving: Tuning of a Guitar String

In the case of stringed instruments like the guitar, the elastic property that determines the speed of the sound produced is its linear mass density or ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14744.jpg

Kinetic and Potential Energy of a Wave

All forms of waves carry energy; this is directly visualized in nature. For instance, the waves of earthquakes are so intense that they can shake huge ...

Energy and Power of a Wave

The total energy associated with a wavelength is the sum of the potential energy and the kinetic energy. The average rate of energy transfer associated ...

Interference and Superposition of Waves

When two waves of the same nature occur in the same region simultaneously, they result in interference. Interference of waves implies that the net effect ...

Reflection of Waves

When a wave travels from one medium to another, it gets reflected at the boundary of the second medium. A common example of this is when a person yells at ...

Propagation of Waves

When a wave propagates from one medium to another, part of it may get reflected in the first medium, and part of it may get transmitted to the second ...

Standing Waves

Sometimes waves do not seem to move; rather, they just vibrate in place. Unmoving waves can be seen on the surface of a glass of milk kept in a ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/12783.jpg

Modes of Standing Waves - I

A close look at earthquakes provides evidence for the conditions appropriate for resonance, standing waves, and constructive and destructive interference. ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/12784.jpg

Modes of Standing Waves: II

The starting point for expressing the modes of standing waves is understanding the boundary conditions that the waves must follow. The boundary conditions ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14723.jpg

Sound Waves

Sound waves can be thought of as fluctuations in the pressure of a medium through which they propagate. Since the pressure also makes the medium&#39;s ...

Sound as Pressure Waves

Sound waves, which are longitudinal waves, can be modeled as the displacement amplitude varying as a function of the spatial and temporal coordinates. As ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14724.jpg

Perception of Sound Waves

The human ear is not equally sensitive to all frequencies in the audible range. It may perceive sound waves with the same pressure but different ...

Speed of Sound in Solids and Liquids

Most solids and liquids are incompressible&#8212;their densities remain constant throughout. In the presence of an external force, the molecules tend to ...

Speed of Sound in Gases

The speed of sound in a gaseous medium depends on various factors. Since gases constitute molecules that are free to move, they are highly compressible. ...

Shock Waves

While deriving the Doppler formula for the observed frequency of a sound wave, it is assumed that the speed of sound in the medium is greater than the ...

Echo

The human ear cannot distinguish between two sources of sound if they happen to reach within a specific time interval, typically 0.1 seconds apart. More ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14729.jpg

Use mathematical representations to support a claim regarding relationships among the period, frequency, wavelength, and speed of waves traveling and transferring energy (amplitude, frequency) in various media.

HS-PS4-1.

Using GIS to Investigate Urban Forestry

Source: Laboratories of Margaret Workman and Kimberly Frye - Depaul University
Urban forests broadly include urban parks, street trees, landscaped ...

Evaluate questions about the advantages of using a digital transmission and storage of information.

HS-PS4-2.

concept-of-resonance-and-its-characteristics

Concept of Resonance and its Characteristics

If a driven oscillator needs to resonate at a specific frequency, then very light damping is required. An example of light damping includes playing piano ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/12772.jpg

Sound Waves: Resonance

Resonance is produced depending on the boundary conditions imposed on a wave. Resonance can be produced in a string under tension with symmetrical ...

Sound Waves: Interference

Sound waves can be modeled either as longitudinal waves, wherein the molecules of the medium oscillate around an equilibrium position, or as pressure ...

Interference: Path Lengths

Consider two sources of sound, that may or may not be in phase, emitting waves at a single frequency, and consider the frequencies to be the same.
Two ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14727.jpg

The Wave Nature of Light

The nature of light has been a subject of inquiry since antiquity. In the seventeenth century, Isaac Newton performed experiments with lenses and prisms ...

The Electromagnetic Spectrum

The electromagnetic spectrum consists of all the types of electromagnetic radiation arranged according to their frequency and wavelength. Each of the ...

The Quantum-Mechanical Model of an Atom

Shortly after de Broglie published his ideas that the electron in a hydrogen atom could be better thought of as being a circular standing wave instead of ...

Quantum Numbers

It is said that the energy of an electron in an atom is quantized; that is, it can be equal only to certain specific values and can jump from one energy ...

Interference and Diffraction

Source: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Interference and diffraction ...

Photoelectric Effect

Source: Yong P. Chen, PhD, Department of Physics &#38;&#38; Astronomy, College of Science, Purdue University, West Lafayette, IN
Photoelectric effect ...

Reflection and Refraction

Source: Derek Wilson,&#160;Asantha Cooray, PhD, Department of Physics &#38; Astronomy, School of Physical Sciences, University of California, Irvine, CA
...

Evaluate the claims, evidence, and reasoning behind the idea that electromagnetic radiation can be described either by a wave model or a particle model (quantum theory), and that for some situations one model is more useful than the other.

HS-PS4-3.

Electric Charge in a Magnetic Field

Source: Andrew Duffy, PhD, Department of Physics, Boston University, Boston, MA
This experiment duplicates J.J. Thomson's famous experiment at the end of ...

Electromagnetic Fields

Electric fields generated by static charges, often referred to as electrostatic fields, are characteristically different from electric fields created by ...

Electromagnetic Waves

James Clerk Maxwell formulated a single theory combining all the electric and magnetic effects scientists knew during that time, calling the phenomena his ...

Electromagnetic waves are categorized according to their wavelengths and frequencies, giving the electromagnetic spectrum. These waves are classified as ...

Plane Electromagnetic Waves I

The existence of combined electric and magnetic fields that propagate through space as electromagnetic (EM) waves is the most significant prediction of ...

Plane Electromagnetic Waves II

Consider a plane wavefront traveling in position x-direction with a constant speed. This wavefront can be utilized to obtain the relationship between ...

propagation-speed-of-electromagnetic-waves

Propagation Speed of Electromagnetic Waves

Electromagnetic waves are consistent with Ampere&#39;s law. Assuming there is no conduction current Ampere&#39;s law is given as:


Consider a plane ...

Electromagnetic Waves in Matter

Electromagnetic waves can travel in the vacuum as well as in matter. For example light, which is an electromagnetic wave, can travel through air, water, ...

Energy Carried By Electromagnetic Waves

Anyone who has used a microwave oven knows there is energy in electromagnetic waves. Sometimes, this energy is obvious, such as in the summer sun&#39;s ...

Intensity Of Electromagnetic Waves

The energy transport per unit area per unit time, or the Poynting vector, gives the energy flux of an electromagnetic wave at any specific time. For a ...

Momentum And Radiation Pressure

An object absorbing an electromagnetic wave would experience a force in the direction of propagation of the wave. This force occurs because ...

Cardiac Magnetic Resonance Imaging

Source: Frederick W. Damen and Craig J. Goergen, Weldon School of Biomedical Engineering, Purdue University, West Lafayette, Indiana
In this video, high ...

an-introduction-to-drosophila-melanogaster

An Introduction to Drosophila melanogaster

Drosophila melanogaster, also known as the fruit fly, is a powerful model organism widely used in biological research that has made significant ...

Evaluate the validity and reliability of claims in published materials of the effects that different frequencies of electromagnetic radiation have when absorbed by matter.

HS-PS4-4.

FRET as a Molecular Ruler in Cells

Description

Transcript

Tags

More videos by Standards