भौतिकी 1: यांत्रिकी: क्रैम पैक

सूत्र-पत्रक, हर विषय के मुख्य विधि-चरण और 16 अभ्यास प्रश्न, पूरे हल पीछे दिए गए हैं।

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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: F_f = 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: v_x = v₀cos θ, v_y = v₀sin θ
स्थिति: x = v_xt, y = h + v_yt − ½gt²
अधिकतम ऊँचाई: H = h + v_y²/(2g)
परास (समतल भूमि): R = v₀²·sin 2θ/g

विधि

प्रक्षेपण वेग को घटकों में विभाजित करें: v_x = v₀·cos θ और v_y = 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: v_max = √(μ·g·r)

कार्य और ऊर्जा

गतिज ऊर्जा: E_k = ½mv²
स्थितिज ऊर्जा: E_p = mgh
ऊर्जा संतुलन: E_k1 + E_p1 + W = E_k2 + E_p2 + 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: v_max = A·ω, a_max = 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 f_n = n·v/(2L); बंद नली f_n = n·v/(4L), n विषम
डॉप्लर प्रभाव: f′ = f·(v ± v_o)/(v ∓ v_s)
अपवर्तनांक: n = c/v, λ = λ₀/n
स्नेल का नियम: n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂
क्रांतिक कोण: sin θ_c = n₂/n₁
प्रकाशिक तंतु: NA = sin θ_a = √(n₁² − n₂²)
लेंस और दर्पण: 1/f = 1/d_o + 1/d_i, m = −d_i/d_o, mirror f = R/2
द्वि-झिरी: d·sin θ = mλ, y_m = mλL/d
झरझरी: d = 1/N, d·sin θ = mλ, m_max ≤ 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 ± v_o)/(v ∓ v_s), 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

108 km/h से चल रही एक कार रुकने तक 8 m/s² के नियत मंदन से ब्रेक लगाती है। ब्रेक लगाने में कितना समय लगता है? t ज्ञात कीजिए।

v₀ = 108 km/ha = −8 m/s²v = 0

t = s

2.शुद्ध गतिकीकठिन

ज़मीन से 5 m ऊँची छत के किनारे से एक गेंद 18 m/s से सीधे ऊपर फेंकी जाती है। वायु प्रतिरोध नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। ज़मीन से अधिकतम ऊँचाई h_max ज्ञात कीजिए।

v₀ = 18 m/sh₀ = 5 mg = 9.81 m/s²

h_max = m

3.न्यूटन के नियममध्यम

एक 30 kg डिब्बे को ढलान के समांतर बल से क्षैतिज से 35° पर झुके रैंप पर स्थिर चाल से ऊपर धकेला जाता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.1 है। g = 9.81 m/s² लें। धकेलने वाला बल F ज्ञात कीजिए।

m = 30 kgθ = 35°μ = 0.1g = 9.81 m/s²

F = N

4.न्यूटन के नियमकठिन

समतल फ़र्श पर दो गुटके एक हल्की क्षैतिज डोरी से जुड़े हैं। 95 N का एक क्षैतिज बल आगे वाले 10 kg गुटके को खींचता है; 4 kg गुटका पीछे घसीटा जाता है। दोनों गुटकों के लिए गतिज घर्षण गुणांक 0.3 है। g = 9.81 m/s² लें। जोड़ने वाली डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।

m₁ = 4 kgm₂ = 10 kgF = 95 Nμ = 0.3g = 9.81 m/s²

T = N

5.प्रक्षेप्य गतिमध्यम

समतल ज़मीन से एक गेंद को 40 m/s से क्षैतिज से 70° ऊपर 73 m दूर एक दीवार की ओर किक मारी जाती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। गेंद किस ऊँचाई y पर दीवार से गुज़रती है?

v₀ = 40 m/sθ = 70°x = 73 mg = 9.81 m/s²

y = m

6.प्रक्षेप्य गतिकठिन

एक 5 m ऊँची चट्टान के शीर्ष से एक गेंद 21 m/s से क्षैतिज से 60° ऊपर प्रक्षेपित की जाती है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। वह चाल v ज्ञात कीजिए जिससे यह ज़मीन से टकराती है।

v₀ = 21 m/sθ = 60°h = 5 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

7.वृत्तीय गतिमध्यम

मेले के एक रोटर में सवार 3.9 m त्रिज्या वाले ऊर्ध्वाधर बेलन की दीवार से सटकर खड़े होते हैं। जब यह पर्याप्त तेज़ घूमता है तो फ़र्श नीचे हट जाता है और घर्षण उन्हें थामे रखता है। स्थैतिक घर्षण गुणांक 0.4 है। g = 9.81 m/s² लें। न्यूनतम कोणीय चाल ω rad/s में ज्ञात कीजिए।

r = 3.9 mμ_s = 0.4g = 9.81 m/s²

ω = rad/s

8.वृत्तीय गतिकठिन

150 m त्रिज्या का एक मोड़ 30° पर ढलवाँ है, और टायरों तथा सड़क के बीच स्थैतिक घर्षण गुणांक 0.25 है। g = 9.81 m/s² लें। वह अधिकतम चाल v_max ज्ञात कीजिए जिस पर कोई कार ऊपर और बाहर फिसले बिना मोड़ पार कर सकती है।

r = 150 mθ = 30°μ_s = 0.25g = 9.81 m/s²

v_max = m/s

9.कार्य और ऊर्जामध्यम

एक गुटका क्षैतिज से 25° पर झुकी ढलान पर विराम से फिसलता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.25 है। ढलान के साथ 5 m फिसलने के बाद उसकी चाल v ज्ञात कीजिए।

θ = 25°μ = 0.25d = 5 mg = 9.81 m/s²

v = m/s

10.कार्य और ऊर्जाकठिन

10 kg का एक गुटका चिकने रैम्प पर 5 m ऊँचाई से विराम से छोड़ा जाता है। नीचे वह 4.5 m लंबी खुरदरी क्षैतिज पट्टी (μ = 0.15) पार करता है और फिर चिकनी सतह पर एक स्प्रिंग (k = 1000 N/m) से टकराता है। स्प्रिंग का अधिकतम संपीडन x ज्ञात कीजिए।

m = 10 kgh = 5 mL = 4.5 mμ = 0.15k = 1000 N/mg = 9.81 m/s²

x = cm

11.संवेग और टक्करेंमध्यम

13 m/s से चल रही एक 900 kg कार खड़ी 700 kg कार से टकराती है और दोनों आपस में जुड़ जाती हैं। टक्कर में कितनी गतिज ऊर्जा ΔK नष्ट होती है?

m₁ = 900 kgv₁ = 13 m/sm₂ = 700 kgv₂ = 0

ΔK = J

12.संवेग और टक्करेंकठिन

एक चौराहे पर 16 m/s से पूर्व की ओर जा रही एक 1400 kg कार 22 m/s से उत्तर की ओर जा रही एक 900 kg कार से टकराती है। कारें आपस में जुड़ जाती हैं। टक्कर के ठीक बाद मलबे की दिशा θ, पूर्व से उत्तर की ओर मापकर, ज्ञात कीजिए।

m₁ = 1400 kgv₁ = 16 m/s (E)m₂ = 900 kgv₂ = 22 m/s (N)

θ = °

13.स्प्रिंग और लोलकमध्यम

किसी अन्य ग्रह पर एक अंतरिक्ष यात्री पाता है कि 1.2 m लंबे सरल लोलक का छोटे दोलनों के लिए आवर्तकाल 2.31 s है। उस ग्रह पर गुरुत्वीय त्वरण g ज्ञात कीजिए।

L = 1.2 mT = 2.31 s

g = m/s²

14.स्प्रिंग और लोलककठिन

k = 160 N/m वाले स्प्रिंग पर 3.7 kg का द्रव्यमान साम्यावस्था से 15 cm खींचकर छोड़ा जाता है। दोलन की कुल ऊर्जा E ज्ञात कीजिए।

m = 3.7 kgk = 160 N/mA = 15 cm

E = J

15.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीमध्यम

पारदर्शी ब्लॉक के भीतर प्रकाश हवा (n = 1.00) के साथ सीमा पर 38° से ऊपर हर आपतन कोण के लिए पूर्णतः परावर्तित होता है। ब्लॉक का अपवर्तनांक n₁ ज्ञात करें।

θ_c = 38°n₂ = 1.00

n₁ =

16.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीकठिन

स्थिर सेंसर 25 kHz की पराश्रव्य ध्वनि एक कार की ओर भेजता है जो 5 m/s से पास आ रही है और प्रतिध्वनि को उत्सर्जित संकेत से मिलाता है। विस्पंद आवृत्ति f_b ज्ञात करें (ध्वनि की चाल 343 m/s)।

f = 25 kHzu = 5 m/sv = 343 m/s

f_b = Hz

3विलयन

1.शुद्ध गतिकी

उत्तर: t = 3.75 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।

इकाइयाँ

v₀ = 108/3.6 = 30 m/s

ब्रेकिंग समय

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 30/8 = 3.75 s

उत्तर

t = 3.75 s

2.शुद्ध गतिकी

उत्तर: h_max = 21.51 m

छत के ऊपर उठान

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 18²/(2·9.81) = 16.51 m

ज़मीन से ऊँचाई

h_max = 5 + 16.51 = 21.51 m

उत्तर

h_max = 21.51 m

3.न्यूटन के नियम

उत्तर: F = 192.9 N

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

ढलान के अनुदिश बल

स्थिर चाल: बल संतुलित हैं।

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

धकेलने वाला बल

F = 168.8 + 24.11 = 192.9 N

उत्तर

F = 192.9 N

4.न्यूटन के नियम

उत्तर: T = 27.14 N

पूरा तंत्र

a = (F − μ·(m₁ + m₂)·g)/(m₁ + m₂) = (95 − 41.2)/14 = 3.843 m/s²

केवल पिछला गुटका

T = m₁·(a + μ·g) = 4·(3.843 + 2.943) = 27.14 N

उत्तर

T = 27.14 N

दोनों गुटकों पर समान μ होने से घर्षण हट जाता है: T = F·m₁/(m₁ + m₂)।

5.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: y = 60.91 m

Projectile motion: with no air resistance, x = v_xt and y = h + v_yt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

दीवार तक समय

v_x = 40·cos 70° = 13.68 m/s

t = x/v_x = 73/13.68 = 5.336 s

उस समय ऊँचाई

y = 37.59·5.336 − ½·9.81·5.336² = 60.91 m

उत्तर

y = 60.91 m

दीवार पर गेंद पहले से नीचे आ रही है।

6.प्रक्षेप्य गति

उत्तर: v = 23.22 m/s

Projectile motion: with no air resistance, x = v_xt and y = h + v_yt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

प्रक्षेपण वेग को विभाजित करें

v_x = 21·cos 60° = 10.5 m/s

v_y0 = 21·sin 60° = 18.19 m/s

टकराने पर ऊर्ध्वाधर चाल

ऊर्जा या ऊर्ध्वाधर दिशा में v² = v₀² + 2as।

v_y = √(18.19² + 2·9.81·5) = 20.71 m/s

टकराने की चाल

v = √(10.5² + 20.71²) = 23.22 m/s

उत्तर

v = 23.22 m/s

ऊर्जा से जाँचें: v² = v₀² + 2gh।

7.वृत्तीय गति

उत्तर: ω = 2.508 rad/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.

सवार पर बल

N = m·ω²·r

μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

कोणीय चाल

ω = √(g/(μ·r)) = √(9.81/(0.4·3.9)) = 2.508 rad/s

उत्तर

ω = 2.508 rad/s

8.वृत्तीय गति

उत्तर: v_max = 37.72 m/s

बल संतुलन

घर्षण ढलान के नीचे की ओर है।

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r

N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

चाल

v = √(150·9.81·0.7165/0.741) = 37.72 m/s

उत्तर

v_max = 37.72 m/s

(135.8 km/h)

9.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: v = 4.385 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 = √(2·9.81·5·(0.4226 − 0.25·0.9063)) = 4.385 m/s

उत्तर

v = 4.385 m/s

10.कार्य और ऊर्जा

उत्तर: x = 92.12 cm

खुरदरी पट्टी के बाद शेष ऊर्जा

रैम्प चिकना है, इसलिए केवल पट्टी ऊर्जा हटाती है।

mgh − μmgL = 98.1·(5 − 0.15·4.5) = 424.3 J

अधिकतम संपीडन

½kx² = 424.3 → x = √(2·424.3/1000) = 0.9212 m = 92.12 cm

उत्तर

x = 92.12 cm

11.संवेग और टक्करें

उत्तर: ΔK = 33272 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) = 900·13/1600 = 7.313 m/s

पहले और बाद की गतिज ऊर्जा

K_before = ½·900·13² = 76050 J

K_after = ½·1600·7.313² = 42778 J

नष्ट ऊर्जा

ΔK = 76050 − 42778 = 33272 J

उत्तर

ΔK = 33272 J

नष्ट ऊर्जा विरूपण, ऊष्मा और ध्वनि में जाती है।

12.संवेग और टक्करें

उत्तर: θ = 41.47 °

संवेग घटक

p_x = 1400·16 = 22400 kg·m/s

p_y = 900·22 = 19800 kg·m/s

दिशा

tan θ = p_y/p_x = 0.8839 → θ = 41.47°

उत्तर

θ = 41.47°

13.स्प्रिंग और लोलक

उत्तर: g = 8.878 m/s²

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.

g के लिए हल करें

g = 4π²·L/T² = 4π²·1.2/2.31² = 8.878 m/s²

उत्तर

g = 8.878 m/s²

14.स्प्रिंग और लोलक

उत्तर: E = 1.8 J

सरल आवर्त गति: k कठोरता वाले स्प्रिंग पर द्रव्यमान m कोणीय आवृत्ति ω = √(k/m) और आवर्तकाल T = 2π/ω = 2π·√(m/k) से दोलन करता है। L लंबाई वाले सरल लोलक के लिए T = 2π·√(L/g)। आयाम A के साथ अधिकतम चाल A·ω, अधिकतम त्वरण A·ω² और ऊर्जा ½·k·A² होती है।

कोणीय आवृत्ति

ω = √(160/3.7) = 6.576 rad/s

ऊर्जा

E = ½·k·A² = ½·160·0.15² = 1.8 J

उत्तर

E = 1.8 J

15.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: n₁ = 1.624

ज्यामितीय प्रकाशिकी: सीमा पर n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (स्नेल का नियम), जहाँ कोण अभिलंब से मापे जाते हैं और n = c/v। धीमे माध्यम में जाने पर किरण अभिलंब की ओर मुड़ती है। सघन माध्यम (n₁ > n₂) से क्रांतिक कोण θ_c = arcsin(n₂/n₁) से आगे सारा प्रकाश परावर्तित हो जाता है: पूर्ण आंतरिक परावर्तन। पतले लेंस और गोलीय दर्पण 1/f = 1/d_o + 1/d_i का पालन करते हैं, आवर्धन m = −d_i/d_o के साथ। चिह्न परिपाटी: अभिसारी लेंस और अवतल दर्पण के लिए f > 0 (f = R/2), अपसारी लेंस और उत्तल दर्पण के लिए f < 0; वास्तविक प्रतिबिंब के लिए d_i > 0, आभासी के लिए d_i < 0, और उल्टे प्रतिबिंब के लिए m < 0।

ब्लॉक का अपवर्तनांक

n₁ = n₂/sin θc = 1.00/0.6157 = 1.624

उत्तर

n₁ = 1.624

16.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी

उत्तर: f_b = 739.6 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, f_n = 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, f_n = n·v/(4L)। जब स्रोत या प्रेक्षक उनके बीच की रेखा के अनुदिश चलते हैं, f′ = f·(v ± v_o)/(v ∓ v_s): एक-दूसरे की ओर गति के लिए ऊपरी चिह्न उपयोग करें। लगभग समान आवृत्ति की दो तरंगें |f₁ − f₂| पर विस्पंद बनाती हैं।

कार पर आवृत्ति

f′ = 25000·(343 + 5)/343 = 25364 Hz

प्रतिध्वनि की आवृत्ति

f″ = f′·343/(343 − 5) = 25740 Hz

विस्पंद आवृत्ति

f_b = |f″ − f| = 739.6 Hz

उत्तर

f_b = 739.6 Hz

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