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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
90 km/h से चल रही एक कार रुकने तक 6 m/s² के नियत मंदन से ब्रेक लगाती है। ब्रेकिंग दूरी s ज्ञात कीजिए।
v₀ = 90 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.शुद्ध गतिकीकठिन
ज़मीन से 35 m ऊँची छत के किनारे से एक गेंद 11 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 = 11 m/sh₀ = 35 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.न्यूटन के नियममध्यम
15 kg का एक गुटका क्षैतिज से 35° पर झुकी ढलान पर नीचे फिसलता है। गतिज घर्षण गुणांक 0.15 है। g = 9.81 m/s² लें। ढलान के अनुदिश गुटके का त्वरण a ज्ञात कीजिए।
m = 15 kgθ = 35°μ = 0.15g = 9.81 m/s²
a = m/s²
4.न्यूटन के नियमकठिन
क्षैतिज मेज़ पर रखा 9.5 kg का एक गुटका एक हल्की डोरी द्वारा, जो घर्षणरहित घिरनी के ऊपर से जाती है, 3 kg के लटकते द्रव्यमान से जुड़ा है। गुटके और मेज़ के बीच गतिज घर्षण गुणांक 0.2 है। g = 9.81 m/s² लें। डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।
m1 = 9.5 kgm2 = 3 kgμ = 0.2g = 9.81 m/s²
T = N
5.प्रक्षेप्य गतिमध्यम
समतल ज़मीन से एक गेंद 20 m/s से प्रक्षेपित की जाती है और उसे 15 m दूर गिरना है। वायु प्रतिरोध को नगण्य मानें और g = 9.81 m/s² लें। दो संभव प्रक्षेपण कोणों में से छोटा θ ज्ञात कीजिए।
v₀ = 20 m/sR = 15 mg = 9.81 m/s²
θ = °
6.प्रक्षेप्य गतिकठिन
ज़मीन के स्तर से एक गेंद 26 m/s से क्षैतिज से 60° ऊपर फेंकी जाती है। यह नीचे आते समय 5 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 = 26 m/sθ = 60°hroof = 5 mg = 9.81 m/s²
x = m
7.वृत्तीय गतिमध्यम
एक 1800 kg कार 12 m/s से सड़क के एक उभार के शीर्ष पर से गुज़रती है। उभार का शीर्ष 110 m त्रिज्या का वृत्तीय चाप है। g = 9.81 m/s² लें। शीर्ष पर सड़क द्वारा कार पर अभिलंब बल N ज्ञात कीजिए।
m = 1800 kgv = 12 m/sr = 110 mg = 9.81 m/s²
N = N
8.वृत्तीय गतिकठिन
1.2 m लंबी डोरी से बँधी 1.7 kg की एक गेंद ऊर्ध्वाधर वृत्त में घुमाई जाती है। निम्नतम बिंदु पर वह 5 m/s से चलती है। g = 9.81 m/s² लें। निम्नतम बिंदु पर डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।
m = 1.7 kgr = 1.2 mv = 5 m/sg = 9.81 m/s²
T = N
9.कार्य और ऊर्जामध्यम
एक 5 kg गेंद 1.5 m लंबी हल्की डोरी पर लटकी है। उसे तब तक एक ओर खींचा जाता है जब तक डोरी ऊर्ध्वाधर से 90° न बना ले, और विराम से छोड़ा जाता है। जब गेंद निम्नतम बिंदु से गुज़रती है तब डोरी में तनाव T ज्ञात कीजिए।
m = 5 kgL = 1.5 mθ = 90°g = 9.81 m/s²
T = N
10.कार्य और ऊर्जाकठिन
एक 2 kg गाड़ी 9.6 m की ऊँचाई पर विराम से एक चिकने ट्रैक पर छोड़ी जाती है जो 3 m त्रिज्या वाले ऊर्ध्वाधर वृत्ताकार लूप में जाता है। लूप के शीर्ष पर गाड़ी की चाल v ज्ञात कीजिए।
m = 2 kgh = 9.6 mR = 3 mg = 9.81 m/s²
v = m/s
11.संवेग और टक्करेंमध्यम
8 m/s से चल रही एक 600 kg कार खड़ी 1000 kg कार से टकराती है और दोनों आपस में जुड़ जाती हैं। टक्कर में कितनी गतिज ऊर्जा ΔK नष्ट होती है?
m1 = 600 kgv1 = 8 m/sm2 = 1000 kgv2 = 0
ΔK = J
12.संवेग और टक्करेंकठिन
0.5 kg की एक गेंद 19 m/s से दीवार से टकराती है और 7 m/s से सीधे वापस लौटती है। संपर्क 10 ms तक रहता है। दीवार द्वारा गेंद को दिए गए आवेग का परिमाण J ज्ञात कीजिए।
m = 0.5 kgvin = 19 m/svout = 7 m/sΔt = 10 ms
J = N·s
13.स्प्रिंग और लोलकमध्यम
k = 150 N/m वाले स्प्रिंग पर एक 0.5 kg द्रव्यमान घर्षणरहित सतह पर 11 cm आयाम से दोलन करता है। संतुलन से 10 cm पर होने पर उसकी चाल v ज्ञात कीजिए।
m = 0.5 kgk = 150 N/mA = 11 cmx = 10 cm
v = m/s
14.स्प्रिंग और लोलककठिन
k = 400 N/m वाले स्प्रिंग पर 0.9 kg का द्रव्यमान साम्यावस्था से 4 cm खींचकर छोड़ा जाता है। दोलन की कुल ऊर्जा E ज्ञात कीजिए।
m = 0.9 kgk = 400 N/mA = 4 cm
E = J
15.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीमध्यम
300 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 = 300 Hzv = 343 m/svs = 10 m/s
f′ = Hz
16.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकीकठिन
एक वस्तु 30 cm वक्रता त्रिज्या वाले उत्तल दर्पण के सामने 6 cm पर है। प्रतिबिंब दूरी di ज्ञात करें, दर्पण के सामने (वास्तविक) प्रतिबिंब के लिए धनात्मक और पीछे (आभासी) के लिए ऋणात्मक।
do = 6 cmR = 30 cm
di = cm
3विलयन
1.शुद्ध गतिकी
उत्तर: s = 52.08 m
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 = 90/3.6 = 25 m/s
ब्रेकिंग दूरी
0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 25²/(2·6) = 52.08 m
उत्तर
s = 52.08 m
2.शुद्ध गतिकी
उत्तर: t = 4.018 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।
−35 = 11·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 11·t − 35 = 0
द्विघात समीकरण हल करें
केवल धनात्मक मूल ही भौतिक रूप से सार्थक है।
t = (11 + √(11² + 2·9.81·35))/9.81 = 4.018 s
उत्तर
t = 4.018 s
3.न्यूटन के नियम
उत्तर: a = 4.421 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
R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9.81·15/20² = 0.3679
कोण
2θ = 21.58° → θ = 10.79°
उत्तर
θ = 10.79°
दूसरा हल 90° − θ = 79.21° है।
6.प्रक्षेप्य गति
उत्तर: x = 56.64 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 = 13 m/s, vy = 22.52 m/s
छत पर गिरने का समय
बड़ा मूल: गेंद नीचे आ रही है।
5 = 22.52·t − 4.905·t²
t = (22.52 + √(22.52² − 2·9.81·5))/9.81 = 4.357 s
क्षैतिज दूरी
x = vx·t = 13·4.357 = 56.64 m
उत्तर
x = 56.64 m
7.वृत्तीय गति
उत्तर: N = 15302 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 बल
केंद्र की ओर (नीचे) धनात्मक है।
m·g − N = m·v²/r
N = 1800·9.81 − 1800·12²/110 = 17658 − 2356 = 15302 N
उत्तर
N = 15302 N
कार हल्की महसूस होती है: सड़क उसके भार से कम ऊपर धकेलती है।
8.वृत्तीय गति
उत्तर: T = 52.09 N
एकसमान वृत्तीय गति: r त्रिज्या के वृत्त पर v चाल से चलती वस्तु केंद्र की ओर a = v²/r से त्वरित होती है, इसलिए उसे भीतर की ओर नेट बल F = m·v²/r चाहिए। यह बल किसी वास्तविक स्रोत से आता है: घर्षण, तनाव, गुरुत्व या अभिलंब बल।
निम्नतम बिंदु पर बल
केंद्र की ओर (ऊपर) धनात्मक है।
T − m·g = m·v²/r
T = 1.7·9.81 + 1.7·5²/1.2 = 16.68 + 35.42 = 52.09 N
उत्तर
T = 52.09 N
9.कार्य और ऊर्जा
उत्तर: T = 147.1 N
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)। वृत्तीय पथ पर केंद्र की ओर नेट बल mv²/r के बराबर होना चाहिए।
तल पर चाल
v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·1.5·(1 − cos 90°) = 29.43 m²/s²
तल पर बल
m·g = 5·9.81 = 49.05 N
T = mg + mv²/L = 49.05 + 5·29.43/1.5 = 147.1 N
उत्तर
T = 147.1 N
जाँच: T = mg(3 − 2cos θ) = 147.2 N।
10.कार्य और ऊर्जा
उत्तर: v = 8.404 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)। वृत्तीय पथ पर केंद्र की ओर नेट बल mv²/r के बराबर होना चाहिए।
शीर्ष पर चाल
v² = 2g(h − 2R) = 2·9.81·(9.6 − 6) = 70.63 m²/s²
v = 8.404 m/s
उत्तर
v = 8.404 m/s
गाड़ी ठीक तब लूप पूरा करती है जब h = 2.5R; तब शीर्ष पर N = 0।
11.संवेग और टक्करें
उत्तर: ΔK = 12000 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) = 600·8/1600 = 3 m/s
पहले और बाद की गतिज ऊर्जा
Kbefore = ½·600·8² = 19200 J
Kafter = ½·1600·3² = 7200 J
नष्ट ऊर्जा
ΔK = 19200 − 7200 = 12000 J
उत्तर
ΔK = 12000 J
नष्ट ऊर्जा विरूपण, ऊष्मा और ध्वनि में जाती है।
12.संवेग और टक्करें
उत्तर: J = 13 N·s
संवेग संरक्षण: जब टक्कर के दौरान कोई बाह्य बल कार्य नहीं करता, तो पहले का कुल संवेग Σm·v बाद के कुल संवेग के बराबर होता है। वेगों की दिशा होती है, इसलिए एक धनात्मक दिशा चुनें और विपरीत दिशा के वेगों को ऋण चिह्न दें। प्रत्यास्थ टक्कर में गतिज ऊर्जा भी संरक्षित रहती है; पूर्णतः अप्रत्यास्थ टक्कर में पिंड आपस में चिपक जाते हैं।
संवेग में परिवर्तन
J = m·Δv = 0.5·(7 + 19) = 13 N·s
उत्तर
J = 13 N·s
13.स्प्रिंग और लोलक
उत्तर: v = 0.7937 m/s
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 = √(150/0.5) = 17.32 rad/s
x पर चाल
v = ω·√(A² − x²) = 17.32·√(0.11² − 0.1²) = 0.7937 m/s
उत्तर
v = 0.7937 m/s
14.स्प्रिंग और लोलक
उत्तर: E = 0.32 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 = √(400/0.9) = 21.08 rad/s
ऊर्जा
E = ½·k·A² = ½·400·0.04² = 0.32 J
उत्तर
E = 0.32 J
15.तरंगें, ध्वनि और प्रकाशिकी
उत्तर: f′ = 291.5 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।
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 θc = arcsin(n₂/n₁) से आगे सारा प्रकाश परावर्तित हो जाता है: पूर्ण आंतरिक परावर्तन। पतले लेंस और गोलीय दर्पण 1/f = 1/do + 1/di का पालन करते हैं, आवर्धन m = −di/do 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 di > 0, आभासी के लिए di < 0, और उल्टे प्रतिबिंब के लिए m < 0।