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1सूत्र और विधियाँ
शुद्ध गतिकी
वेग
v = v0 + a·t
विस्थापन
s = v0·t + ½·a·t²
समय के बिना
v² = v0² + 2·a·s
इकाइयाँ
1 m/s = 3.6 km/h
विधि
जो ज्ञात है उसे सूचीबद्ध करें: v₀, v, a, t और s, इकाइयों सहित।
वह समीकरण चुनें जिसमें आपकी तीन ज्ञात राशियाँ और अज्ञात हो।
एक धनात्मक दिशा चुनें और विपरीत राशियों को ऋण चिह्न दें।
हल करें और जाँचें कि उत्तर भौतिक रूप से उचित है।
न्यूटन के नियम
द्वितीय नियम
ΣF = m·a
भार
W = m·g
गतिज घर्षण
Ff = μ·N
ढलान पर
ढलान के अनुदिश: m·g·sin θ, अभिलंब: m·g·cos θ
विधि
पिंड पर हर बल के साथ मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ।
गति के अनुदिश एक धनात्मक दिशा चुनें।
बलों को गति के अनुदिश और उसके लंबवत घटकों में विभाजित करें (ढलान पर: अनुदिश m·g·sin θ, ढलान में m·g·cos θ)।
गति के अनुदिश ΣF = m·a लगाएँ; घर्षण गति के विरुद्ध μ·N है।
प्रक्षेप्य गति
घटक
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
स्थिति
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
अधिकतम ऊँचाई
H = h + vy²/(2g)
परास (समतल भूमि)
R = v0²·sin 2θ/g
विधि
प्रक्षेपण वेग को घटकों में विभाजित करें: vx = v₀·cos θ और vy = v₀·sin θ।
क्षैतिज गति की चाल नियत होती है; ऊर्ध्वाधर गति का त्वरण −g होता है।
ऊर्ध्वाधर गति से उड़ान का समय ज्ञात करें।
परास ज्ञात करने के लिए उस समय का क्षैतिज गति में उपयोग करें।
वृत्तीय गति
अभिकेंद्र त्वरण
a = v²/r = ω²·r
अभिकेंद्र बल
F = m·v²/r
कोणीय चाल
ω = v/r = 2π/T
समतल मोड़, घर्षण
vmax = √(μ·g·r)
कार्य और ऊर्जा
गतिज ऊर्जा
Ek = ½mv²
स्थितिज ऊर्जा
Ep = mgh
ऊर्जा संतुलन
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
घर्षण का कार्य
W = μ·N·d
शक्ति
P = W/t
संवेग और टक्करें
संवेग
p = m·v
संरक्षण
Σm·v (before) = Σm·v (after)
पूर्णतः अप्रत्यास्थ
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
आवेग
J = F·Δt = m·Δv
विधि
एक धनात्मक दिशा चुनें और हर वेग को उसका चिह्न दें।
पहले का कुल संवेग लिखें: Σm·v।
पूर्णतः अप्रत्यास्थ टक्कर में पिंड बाद में साथ चलते हैं; प्रत्यास्थ टक्कर में गतिज ऊर्जा भी संरक्षित रहती है।
पहले के संवेग को बाद के संवेग के बराबर रखें और हल करें।
स्प्रिंग और लोलक
स्प्रिंग पर द्रव्यमान
T = 2π·√(m/k)
लोलक
T = 2π·√(L/g)
कोणीय आवृत्ति
ω = √(k/m) = 2π/T
अधिकतम चाल और त्वरण
vmax = A·ω, amax = A·ω²
ऊर्जा
E = ½·k·A²
तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी
तरंग चाल
v = fλ, T = 1/f
डोरी
v = √(T/μ), μ = m/L
ध्वनि स्तर
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
बिंदु स्रोत
I = P/(4πr²)
अप्रगामी तरंगें
डोरी या खुली नली fn = n·v/(2L); बंद नली fn = n·v/(4L), n विषम
डॉप्लर प्रभाव
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
अपवर्तनांक
n = c/v, λ = λ0/n
स्नेल का नियम
n1sin θ1 = n2sin θ2
क्रांतिक कोण
sin θc = n2/n1
प्रकाशिक तंतु
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
लेंस और दर्पण
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
द्वि-झिरी
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
झरझरी
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
एकल झिरी
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a
विधि
प्रश्न का प्रकार पहचानें: तरंग चाल, ध्वनि स्तर, अप्रगामी तरंग, डॉप्लर, अपवर्तन, लेंस या दर्पण, या व्यतिकरण।
पहले संबंध लिखें: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) या n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ।
इकाइयाँ बदलें: nm, mm और cm से m में, और जाँचें कि कोण अभिलंब से मापे गए हैं या नहीं।
चिह्न और औचित्य जाँचें: आभासी प्रतिबिंब का dᵢ < 0 होता है, पास आता स्रोत ऊँचा सुनाई देता है, बंद नली में केवल विषम संनादी होते हैं।
2अभ्यास प्रश्न
1.शुद्ध गतिकीमध्यम
स्थिर 29 m/s से तेज़ चल रही एक कार खड़ी पुलिस कार के पास से गुज़रती है। उसी क्षण पुलिस कार चल पड़ती है और 3.5 m/s² से एकसमान रूप से त्वरित होती है। पुलिस कार अपने प्रारंभिक बिंदु से कितनी दूर पकड़ती है? d ज्ञात कीजिए।
vcar = 29 m/sapolice = 3.5 m/s²v0,police = 0
d = m
2.शुद्ध गतिकीकठिन
ज़मीन से 25 m ऊँची छत के किनारे से एक गेंद 13 m/s से सीधे ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। फेंकने के कितनी देर बाद वह ज़मीन से टकराती है? t ज्ञात कीजिए।
v₀ = 13 m/sh₀ = 25 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.न्यूटन के नियममध्यम
7 kg का एक गुटका क्षैतिज से 35° पर झुकी ढलान पर नीचे फिसलता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.2 है। g = 9.81 m/s² लें। ढलान के अनुदिश गुटके का त्वरण a ज्ञात कीजिए।
m = 7 kgθ = 35°μ = 0.2g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.न्यूटन के नियमकठिन
क्षैतिज मेज़ पर रखा 10 kg का एक गुटका एक हल्की डोरी द्वारा, जो घर्षणरहित घिरनी के ऊपर से जाती है, 3 kg के लटकते द्रव्यमान से जुड़ा है। मेज़ घर्षणरहित है। g = 9.81 m/s² लें। डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।
m1 = 10 kgm2 = 3 kgμ = 0g = 9.81 m/s²
T = N
5.प्रक्षेप्य गतिमध्यम
समतल ज़मीन से एक गेंद क्षैतिज से 35° ऊपर प्रक्षेपित की जाती है और 85 m दूर गिरती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। प्रक्षेपण चाल v0 ज्ञात कीजिए।
θ = 35°R = 85 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.प्रक्षेप्य गतिकठिन
ज़मीन के स्तर से एक गेंद 33 m/s से क्षैतिज से 45° ऊपर फेंकी जाती है। यह नीचे आते समय 10 m ऊँची इमारत की समतल छत पर गिरती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। प्रक्षेपण बिंदु से गिरने के स्थान तक क्षैतिज दूरी x ज्ञात कीजिए।
v₀ = 33 m/sθ = 45°hroof = 10 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.वृत्तीय गतिमध्यम
1.7 m लंबी डोरी पर एक छोटी गेंद क्षैतिज वृत्त में इस तरह चलती है कि डोरी ऊर्ध्वाधर से स्थिर 15° का कोण बनाती है (शंक्वाकार लोलक)। g = 9.81 m/s² लें। एक चक्कर का समय T ज्ञात कीजिए।
L = 1.7 mθ = 15°g = 9.81 m/s²
T = s
8.वृत्तीय गतिकठिन
0.6 m लंबी हल्की डोरी पर एक 1.4 kg गेंद को ऊर्ध्वाधर वृत्त में घुमाया जाता है। निम्नतम बिंदु पर इसकी चाल 11.5 m/s है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। उच्चतम बिंदु पर डोरी में तनाव Ttop ज्ञात कीजिए।
एक गुटका क्षैतिज से 45° पर झुकी ढलान पर विराम से फिसलता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.1 है। ढलान के साथ 17 m फिसलने के बाद उसकी चाल v ज्ञात कीजिए।
θ = 45°μ = 0.1d = 17 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.कार्य और ऊर्जाकठिन
4 kg का एक गुटका चिकने रैम्प पर 2.5 m ऊँचाई से विराम से छोड़ा जाता है। नीचे वह 1 m लंबी खुरदरी क्षैतिज पट्टी (μ = 0.3) पार करता है और फिर चिकनी सतह पर एक स्प्रिंग (k = 2500 N/m) से टकराता है। स्प्रिंग का अधिकतम संपीडन x ज्ञात कीजिए।
m = 4 kgh = 2.5 mL = 1 mμ = 0.3k = 2500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
11.संवेग और टक्करेंमध्यम
23 m/s से चल रही एक 1500 kg कार खड़ी 1900 kg कार से टकराती है और दोनों आपस में जुड़ जाती हैं। टक्कर में कितनी गतिज ऊर्जा ΔK नष्ट होती है?
m1 = 1500 kgv1 = 23 m/sm2 = 1900 kgv2 = 0
ΔK = J
12.संवेग और टक्करेंकठिन
एक 900 kg कार एक खड़ी 1700 kg कार से टकराती है। मलबे आपस में जुड़ जाते हैं और रुकने से पहले 25 m फिसलते हैं। टायरों और सड़क के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.7 है। g = 9.81 m/s² लें। टक्कर से ठीक पहले पहली कार की चाल v1 ज्ञात कीजिए।
k = 60 N/m वाले स्प्रिंग पर एक 3.3 kg द्रव्यमान को धनात्मक दिशा में 6 cm खींचकर t = 0 पर विराम से छोड़ा जाता है। t = 1.5 s पर संतुलन से उसका विस्थापन x (चिह्न सहित) ज्ञात कीजिए।
m = 3.3 kgk = 60 N/mA = 6 cmt = 1.5 s
x = cm
14.स्प्रिंग और लोलककठिन
k = 30 N/m वाले स्प्रिंग पर एक द्रव्यमान घर्षणरहित सतह पर 8 cm आयाम से दोलन करता है। संतुलन से 4 cm पर होने पर उसकी गतिज ऊर्जा K ज्ञात कीजिए।
k = 30 N/mA = 8 cmx = 4 cm
K = J
15.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीमध्यम
800 Hz का एक स्रोत स्थिर प्रेक्षक से दूर 10 m/s से चलता है। ध्वनि की चाल 343 m/s है। प्रेक्षक को सुनाई देने वाली आवृत्ति f′ ज्ञात करें।
f = 800 Hzv = 343 m/svs = 10 m/s
f′ = Hz
16.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीकठिन
एक विवर्तन झरझरी में 500 रेखाएँ प्रति मिलीमीटर हैं। 532 nm तरंगदैर्ध्य का प्रकाश उस पर समकोण पर पड़ता है। देखी जा सकने वाली दीप्त उच्चिष्ठ की उच्चतम कोटि mmax क्या है?
N = 500 mm⁻¹λ = 532 nm
mmax =
3विलयन
1.शुद्ध गतिकी
उत्तर: d = 480.6 m
Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.
समान दूरियाँ
v·t = ½·a·t² → t = 2v/a = 2·29/3.5 = 16.57 s
दूरी
d = v·t = 29·16.57 = 480.6 m
उत्तर
d = 480.6 m
उस क्षण पुलिस कार 2v = 58 m/s से चलती है।
2.शुद्ध गतिकी
उत्तर: t = 3.943 s
नियत त्वरण वाली गति: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² और v² = v₀² + 2·a·s। वह समीकरण चुनें जिसमें आपकी तीन ज्ञात राशियाँ और एक वांछित राशि हो, और एक धनात्मक दिशा के अनुसार चिह्न एकसमान रखें।
गति का समीकरण
ऊपर धनात्मक है और ज़मीन प्रारंभिक बिंदु से h₀ नीचे है।
−25 = 13·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 13·t − 25 = 0
द्विघात समीकरण हल करें
केवल धनात्मक मूल ही भौतिक रूप से सार्थक है।
t = (13 + √(13² + 2·9.81·25))/9.81 = 3.943 s
उत्तर
t = 3.943 s
3.न्यूटन के नियम
उत्तर: a = 4.02 m/s²
न्यूटन का द्वितीय नियम: किसी पिंड पर नेट बल उसके द्रव्यमान और त्वरण के गुणनफल के बराबर होता है, ΣF = m·a। एक मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ, गति की दिशा में एक धनात्मक दिशा चुनें, और उस दिशा में सभी बल जोड़ें: लगाए गए बल, गति के विरुद्ध घर्षण μ·N, और गुरुत्व के घटक।
न्यूटन का द्वितीय नियम: किसी पिंड पर नेट बल उसके द्रव्यमान और त्वरण के गुणनफल के बराबर होता है, ΣF = m·a। एक मुक्त-पिंड आरेख बनाएँ, गति की दिशा में एक धनात्मक दिशा चुनें, और उस दिशा में सभी बल जोड़ें: लगाए गए बल, गति के विरुद्ध घर्षण μ·N, और गुरुत्व के घटक।
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
परास सूत्र को v₀ के लिए हल करें
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·85/sin 70°) = 29.79 m/s
उत्तर
v0 = 29.79 m/s
6.प्रक्षेप्य गति
उत्तर: x = 99.9 m
Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.
प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें
vx = 23.33 m/s, vy = 23.33 m/s
छत पर गिरने का समय
बड़ा मूल: गेंद नीचे आ रही है।
10 = 23.33·t − 4.905·t²
t = (23.33 + √(23.33² − 2·9.81·10))/9.81 = 4.281 s
क्षैतिज दूरी
x = vx·t = 23.33·4.281 = 99.9 m
उत्तर
x = 99.9 m
7.वृत्तीय गति
उत्तर: T = 2.571 s
Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.
वृत्त की त्रिज्या
r = L·sin θ = 1.7·sin 15° = 0.44 m
चाल
तनाव और गुरुत्व मिलकर अंदर की ओर बल देते हैं: tan θ = v²/(r·g)।
v = √(r·g·tan θ) = √(0.44·9.81·tan 15°) = 1.075 m/s
आवर्तकाल
T = 2π·r/v = 2π·0.44/1.075 = 2.571 s
उत्तर
T = 2.571 s
8.वृत्तीय गति
उत्तर: Ttop = 239.9 N
Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.
शीर्ष पर चाल
2r ऊँचाई पर गतिज ऊर्जा स्थितिज ऊर्जा में बदलती है।
vtop² = 11.5² − 4·9.81·0.6 = 108.7 m²/s²
शीर्ष पर बल
तनाव और गुरुत्व दोनों नीचे, केंद्र की ओर हैं।
T + m·g = m·vtop²/r
T = 1.4·108.7/0.6 − 1.4·9.81 = 239.9 N
उत्तर
Ttop = 239.9 N
9.कार्य और ऊर्जा
उत्तर: v = 14.57 m/s
कार्य–ऊर्जा सिद्धांत: गतिज ऊर्जा में परिवर्तन सभी बलों द्वारा किए गए कार्य के बराबर है। गुरुत्व और स्प्रिंग को स्थितिज ऊर्जा (mgh और ½kx²) के रूप में लिखने से यह एक संतुलन बन जाता है: प्रारंभिक ऊर्जा = अंतिम ऊर्जा + घर्षण में खोई ऊर्जा (μN·d)।
ढलान के साथ ऊर्जा संतुलन
गुटका d·sin θ ऊँचाई गिरता है जबकि घर्षण μmg·cos θ·d हटाता है। द्रव्यमान कट जाता है।
½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9.81·17·(0.7071 − 0.1·0.7071)) = 14.57 m/s
उत्तर
v = 14.57 m/s
10.कार्य और ऊर्जा
उत्तर: x = 26.28 cm
कार्य–ऊर्जा सिद्धांत: गतिज ऊर्जा में परिवर्तन सभी बलों द्वारा किए गए कार्य के बराबर है। गुरुत्व और स्प्रिंग को स्थितिज ऊर्जा (mgh और ½kx²) के रूप में लिखने से यह एक संतुलन बन जाता है: प्रारंभिक ऊर्जा = अंतिम ऊर्जा + घर्षण में खोई ऊर्जा (μN·d)।
खुरदरी पट्टी के बाद शेष ऊर्जा
रैम्प चिकना है, इसलिए केवल पट्टी ऊर्जा हटाती है।
mgh − μmgL = 39.24·(2.5 − 0.3·1) = 86.33 J
अधिकतम संपीडन
½kx² = 86.33 → x = √(2·86.33/2500) = 0.2628 m = 26.28 cm
उत्तर
x = 26.28 cm
11.संवेग और टक्करें
उत्तर: ΔK = 221713 J
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
उभयनिष्ठ वेग
v′ = m1·v1/(m1 + m2) = 1500·23/3400 = 10.15 m/s
पहले और बाद की गतिज ऊर्जा
Kbefore = ½·1500·23² = 396750 J
Kafter = ½·3400·10.15² = 175037 J
नष्ट ऊर्जा
ΔK = 396750 − 175037 = 221713 J
उत्तर
ΔK = 221713 J
नष्ट ऊर्जा विरूपण, ऊष्मा और ध्वनि में जाती है।
12.संवेग और टक्करें
उत्तर: v1 = 53.53 m/s
Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
कोणीय आवृत्ति
ω = √(60/3.3) = 4.264 rad/s
ω·t = 4.264·1.5 = 6.396 rad
विस्थापन
x = A·cos(ω·t) = 6·cos(6.396) = 5.962 cm
उत्तर
x = 5.962 cm
14.स्प्रिंग और लोलक
उत्तर: K = 0.072 J
Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².
कुल ऊर्जा
E = ½·k·A² = ½·30·0.08² = 0.096 J
x पर स्प्रिंग ऊर्जा
U = ½·k·x² = ½·30·0.04² = 0.024 J
गतिज ऊर्जा
K = 0.096 − 0.024 = 0.072 J
उत्तर
K = 0.072 J
15.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी
उत्तर: f′ = 777.3 Hz
अप्रगामी तरंगें और डॉप्लर प्रभाव: दोनों सिरों पर बँधी डोरी, या दोनों सिरों पर खुली नली, में पूरी अर्ध-तरंगदैर्ध्य समाती हैं: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … एक सिरे पर बंद नली में बंद सिरे पर निस्पंद और खुले सिरे पर प्रस्पंद होता है: L = nλ/4, केवल विषम n के साथ, fn = n·v/(4L)। जब स्रोत या प्रेक्षक उनके बीच की रेखा के अनुदिश चलते हैं, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): एक-दूसरे की ओर गति के लिए ऊपरी चिह्न उपयोग करें। लगभग समान आवृत्ति की दो तरंगें |f₁ − f₂| पर विस्पंद बनाती हैं।
व्यतिकरण और विवर्तन: दूरी d पर स्थित दो झिरियों से आया प्रकाश परदे के किसी बिंदु पर पथांतर d·sin θ के साथ पहुँचता है। दीप्त फ्रिंज वहाँ बनते हैं जहाँ d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …)। दूरी L ≫ d पर स्थित परदे के लिए m-वाँ दीप्त फ्रिंज y = mλL/d पर होता है और फ्रिंज अंतराल Δy = λL/d है। प्रति मिलीमीटर N रेखाओं वाली झरझरी का d = 1/N होता है और d·sin θ = mλ पर तीक्ष्ण उच्चिष्ठ होते हैं; चूँकि sin θ ≤ 1, उच्चतम कोटि सबसे बड़ा पूर्णांक m ≤ d/λ है। चौड़ाई a की एकल झिरी में a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, … पर अदीप्त फ्रिंज होते हैं।