भौतिकी — द्रव्य, गति, ऊष्मा, ध्वनि, प्रकाश, विद्युत व सरल यंत्र

GAT सामान्य ज्ञान खंड 400 अंकों का है — पूरी NDA लिखित परीक्षा का सबसे बड़ा एकल खंड — और उसमें भौतिकी नियमित रूप से सर्वाधिक प्रश्न देती है। स्तर कक्षा 9–10 का है, कक्षा 12 का नहीं: आपसे पूछा जाता है कि परिघटना क्या है और आप उसे कहाँ देखते हैं, कुछ व्युत्पन्न करने को नहीं। इससे यह संख्यात्मक के बजाय स्मृति-व-बोध का प्रश्नपत्र बन जाता है, अतः उचित तैयारी है प्रत्येक नियम को एक ऐसे मूर्त उदाहरण से जोड़ना जो भूला न जा सके। यह अध्याय आरंभ से अंत तक यही करता है, और परीक्षक द्वारा पसंद किए जाने वाले रक्षा व दैनिक अनुप्रयोग जानबूझकर सम्मिलित करता है।

द्रव्य के गुण व न्यूटन के नियम

निरंतर भ्रमित की जाने वाली राशियाँ
राशियह क्या हैमात्रक
द्रव्यमानद्रव्य की मात्रा — सर्वत्र समान, अदिशकिलोग्राम (kg)
भारउस द्रव्यमान पर गुरुत्व बल = mg — स्थान से बदलता है, सदिशन्यूटन (N)
घनत्वप्रति एकांक आयतन द्रव्यमानkg/m³
दाबप्रति एकांक क्षेत्रफल बलपास्कल (Pa) = N/m²
🎯 चंद्रमा पर भार कम क्यों, परंतु आप दुबले नहीं होते
चंद्र गुरुत्व पृथ्वी का लगभग 1/6 है, अतः 60 किग्रा व्यक्ति का भार पृथ्वी पर 588 N व चंद्रमा पर लगभग 98 N होता है — परंतु द्रव्यमान 60 किग्रा ही रहता है। यह पूरे भौतिकी खंड का सर्वाधिक पूछा जाने वाला भेद है। संबंधित प्रिय प्रश्न: तुला द्रव्यमानों की तुलना करती है अतः चंद्रमा पर वही पढ़त देती है, जबकि कमानीदार तुला भार मापती है और छठा भाग दिखाती है।
  • प्रथम नियम (जड़त्व): कोई पिंड विरामावस्था या एकसमान गति में रहता है जब तक शुद्ध बाह्य बल न लगे। इसी कारण बस के ब्रेक लगाने पर आप आगे झुकते हैं — आपका शरीर गतिमान रहता है।
  • द्वितीय नियम: F = ma, या व्यापक रूप में बल = संवेग परिवर्तन की दर। कैच लेते समय खिलाड़ी हाथ पीछे खींचता है जिससे समय बढ़े और बल घटे।
  • तृतीय नियम: प्रत्येक क्रिया की समान व विपरीत प्रतिक्रिया होती है। इसी से रॉकेट व राइफल का प्रतिक्षेप चलते हैं — गैसें एक ओर जाती हैं, पिंड दूसरी ओर।

गुरुत्वाकर्षण। न्यूटन का नियम: प्रत्येक दो द्रव्यमान F = Gm₁m₂/r² से आकर्षित होते हैं। पृथ्वी पर गुरुत्वजनित त्वरण g ≈ 9.8 मी/से²; यह ध्रुवों पर अधिकतम व भूमध्य रेखा पर न्यूनतम है (पृथ्वी वहाँ उभरी है, अतः r अधिक), और ऊपर जाने पर तथा सतह से गहराई में जाने पर दोनों में घटता है — पृथ्वी के केंद्र पर g शून्य है। पृथ्वी से पलायन वेग लगभग 11.2 किमी/से है।

ऊष्मा स्थानांतरण व ध्वनि

ऊष्मा स्थानांतरण के तीन प्रकार
प्रकारकैसेउदाहरण
चालनठोस में, कण से कण, पदार्थ की गति नहींचाय में धातु का चम्मच गर्म होना
संवहनतरल स्वयं गति करता है, ऊष्मा ले जाता हैखौलता जल; समुद्री समीर; रूम हीटर
विकिरणविद्युतचुंबकीय तरंगें — माध्यम की आवश्यकता नहींनिर्वात से पृथ्वी तक सूर्य की ऊष्मा
🧠 ध्वनि को माध्यम चाहिए; प्रकाश को नहीं
ध्वनि यांत्रिक, अनुदैर्घ्य तरंग है, अतः निर्वात से नहीं जा सकती — निर्वात पात्र में घंटी मौन हो जाती है जबकि उसका प्रकाश दिखता रहता है। ध्वनि की चाल वायु में ≈ 332–340 मी/से, जल में ≈ 1,500 मी/से, इस्पात में ≈ 5,000 मी/से: ध्वनि ठोस में सर्वाधिक तेज़ चलती है क्योंकि कण निकटतम होते हैं। प्रकाश, विद्युतचुंबकीय होने से, विपरीत है — निर्वात में सर्वाधिक तेज़, 3 × 10⁸ मी/से, और घने माध्यम में मंद।
  • मनुष्य की श्रव्य परिसर 20 Hz से 20,000 Hz है। नीचे अवश्रव्य, ऊपर पराश्रव्य।
  • सोनार पनडुब्बियाँ खोजने व सागर-गहराई मापने हेतु पराश्रव्य स्पंद प्रयोग करता है — प्रत्यक्ष रक्षा अनुप्रयोग।
  • तारत्व आवृत्ति पर, प्रबलता आयाम पर, तथा गुणता तरंग-रूप पर निर्भर — तीन भिन्न गुण, प्रायः मिला दिए जाते हैं।
  • प्रतिध्वनि हेतु परावर्तक कम-से-कम ~17 मी दूर चाहिए, जिससे परावर्तित ध्वनि 0.1 से बाद पहुँचे।

प्रकाश, विद्युत व चुंबकत्व

प्रकाश। परावर्तन "आपतन कोण = परावर्तन कोण" का पालन करता है। अपवर्तन — नए माध्यम में प्रवेश पर मुड़ना — बताता है कि जल में छड़ी मुड़ी क्यों दिखती है और तारे क्यों टिमटिमाते हैं। प्रिज़्म से विक्षेपण श्वेत प्रकाश को सात रंगों में बाँटता है, VIBGYOR: बैंगनी सर्वाधिक मुड़ता है व लाल न्यूनतम, क्योंकि बैंगनी की तरंगदैर्घ्य सबसे छोटी है। इंद्रधनुष वर्षा-बूँदों में विक्षेपण व आंतरिक परावर्तन है।

दर्पण, लेंस व उनका प्रयोग
उपकरणप्रतिबिंबप्रयोग
समतल दर्पणआभासी, समान आकार, पार्श्व-उल्टासाधारण दर्पण; पेरिस्कोप
अवतल दर्पणवास्तविक या आभासी, आवर्धन संभवदाढ़ी दर्पण, हेडलाइट, सौर कुकर, दंत-दर्पण
उत्तल दर्पणसदैव आभासी, छोटा, विस्तृत क्षेत्रवाहन का पश्च-दृश्य दर्पण
उत्तल लेंसअभिसारीदूर-दृष्टि दोष का सुधार
अवतल लेंसअपसारीनिकट-दृष्टि दोष का सुधार
🧠 श्रेणी या समांतर — घर की वायरिंग से याद रखें
ओम का नियम V = IR है। श्रेणी में धारा सर्वत्र समान होती है और प्रतिरोध जुड़ते हैं (R = R₁ + R₂), अतः एक बल्ब टूटने पर पूरी लड़ी बंद — इसीलिए पुरानी झालरें एक साथ बंद हो जाती थीं। समांतर में प्रत्येक शाखा पर वोल्टता समान होती है और 1/R = 1/R₁ + 1/R₂, अतः प्रत्येक उपकरण स्वतंत्र चलता है — घर की वायरिंग ठीक ऐसी ही होती है। फ्यूज़ सदैव श्रेणी में होता है जिससे वह परिपथ तोड़ सके, और समांतर में कुल प्रतिरोध सदैव सबसे छोटे प्रतिरोध से भी कम होता है।
  • समान चुंबकीय ध्रुव प्रतिकर्षित, असमान आकर्षित करते हैं। स्वतंत्र लटका चुंबक उत्तर–दक्षिण दिखाता है — दिक्सूचक का आधार।
  • चुंबक के ध्रुव पृथक नहीं किए जा सकते: तोड़ने पर दो पूर्ण चुंबक मिलते हैं।
  • विद्युत धारा चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है (ऑस्टेड); गतिमान चुंबक धारा उत्पन्न करता है (फैराडे प्रेरण) — जनित्र व ट्रांसफार्मर का सिद्धांत।
  • विद्युत का बिल किलोवाट-घंटा में बनता है — यह ऊर्जा का मात्रक है, शक्ति का नहीं।

सरल यंत्र — उत्तोलक व घिरनी

यंत्र ऊर्जा उत्पन्न नहीं करता; वह केवल बल की दिशा या परिमाण बदलकर कार्य को सरल या सुविधाजनक बनाता है। यांत्रिक लाभ = भार ÷ आयास। चूँकि कुछ आयास सदैव घर्षण में जाता है, वास्तविक दक्षता कभी 100% नहीं होती।

उत्तोलक के तीन वर्ग
वर्गक्रमउदाहरण
प्रथमआलंब, आयास व भार के बीचकैंची, सीसॉ, सब्बल, तुला
द्वितीयभार, आलंब व आयास के बीचठेला, सरौता, बोतल-ओपनर
तृतीयआयास, आलंब व भार के बीचचिमटा, अग्रबाहु, बंसी, झाड़ू
🧠 F-L-E: मध्य अवयव का क्रम वर्ग बताता है
केवल एक प्रश्न पूछें — मध्य में क्या है? आलंब मध्य में → प्रथम वर्ग। भार मध्य में → द्वितीय वर्ग। आयास मध्य में → तृतीय वर्ग। केवल तृतीय वर्ग का यांत्रिक लाभ 1 से कम होता है, अर्थात् आप भार से अधिक बल लगाते हैं — यह गति या पहुँच पाने हेतु स्वीकार किया जाता है, इसीलिए आपकी अग्रबाहु व बंसी ऐसी बनी हैं।

घिरनी। एकल स्थिर घिरनी का यांत्रिक लाभ 1 होता है — वह केवल आपके खींचने की दिशा बदलती है, इसीलिए भूमि पर खड़े रहकर ध्वज चढ़ाना सरल है। एकल चल घिरनी का लाभ 2 होता है। भार को सँभालने वाले n रस्सी-खंडों वाला ब्लॉक-टैकल लगभग n का लाभ देता है, इसी से क्रेन खींचने वाले से बहुत भारी बोझ उठाती है।

मुख्य बिंदु

  • द्रव्यमान सर्वत्र अचर; भार = mg और स्थान से बदलता है। चंद्रमा पर भार 1/6।
  • g ध्रुवों पर अधिकतम, भूमध्य रेखा पर न्यूनतम, व पृथ्वी के केंद्र पर शून्य।
  • रॉकेट नोदन व राइफल प्रतिक्षेप, दोनों न्यूटन के तृतीय नियम के उदाहरण हैं।
  • विकिरण को माध्यम नहीं चाहिए; ध्वनि को चाहिए, अतः निर्वात में मौन।
  • ध्वनि ठोस में सर्वाधिक तेज़ (इस्पात ≈ 5,000 मी/से); प्रकाश निर्वात में।
  • पश्च-दृश्य हेतु उत्तल दर्पण; हेडलाइट हेतु अवतल; निकट-दृष्टि हेतु अवतल लेंस।
  • घर की वायरिंग समांतर होती है जिससे उपकरण स्वतंत्र चलें; फ्यूज़ श्रेणी में होता है।
  • उत्तोलक वर्ग = मध्य में क्या है: आलंब प्रथम, भार द्वितीय, आयास तृतीय।

अभ्यास प्रश्न (8)

उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।

  1. 60 किग्रा का अंतरिक्ष यात्री चंद्रमा पर जाता है। चंद्र सतह पर:

    1. उसका द्रव्यमान व भार दोनों छठा भाग हो जाते हैं
    2. द्रव्यमान 60 किग्रा रहता है परंतु भार छठा भाग हो जाता है
    3. भार वही रहता है परंतु द्रव्यमान छठा भाग हो जाता है
    4. कोई नहीं बदलता
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — द्रव्यमान 60 किग्रा रहता है परंतु भार छठा भाग हो जाता है

    द्रव्यमान द्रव्य की मात्रा है और स्थान पर निर्भर नहीं। भार mg है, और चंद्र g पृथ्वी का लगभग छठा भाग है, अतः केवल भार घटता है।

  2. राइफल चलाने पर उसका प्रतिक्षेप उदाहरण है:

    1. न्यूटन के प्रथम नियम का
    2. न्यूटन के द्वितीय नियम का
    3. न्यूटन के तृतीय नियम का
    4. गुरुत्वाकर्षण नियम का
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — न्यूटन के तृतीय नियम का

    गोली आगे धकेली जाती है और राइफल समान व विपरीत बल से पीछे — क्रिया व प्रतिक्रिया, तृतीय नियम। रॉकेट नोदन भी इसी प्रकार कार्य करता है।

  3. सूर्य से ऊष्मा पृथ्वी तक मुख्यतः पहुँचती है:

    1. चालन द्वारा
    2. संवहन द्वारा
    3. विकिरण द्वारा
    4. वाष्पन द्वारा
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — विकिरण द्वारा

    अंतरिक्ष निर्वात है, और केवल विकिरण उसे पार कर सकता है क्योंकि उसे माध्यम की आवश्यकता नहीं। चालन व संवहन दोनों को ऊष्मा ढोने हेतु द्रव्य चाहिए।

  4. ध्वनि सर्वाधिक तेज़ चलती है:

    1. निर्वात में
    2. वायु में
    3. जल में
    4. इस्पात में
    उत्तर देखें

    उत्तर: D — इस्पात में

    ध्वनि को कंपन आगे बढ़ाने हेतु कण चाहिए, अतः वह वहाँ सर्वाधिक तेज़ है जहाँ कण निकटतम हों — ठोस में (इस्पात ≈ 5,000 मी/से बनाम जल ≈ 1,500 व वायु ≈ 340)। निर्वात में वह चलती ही नहीं।

  5. वाहनों में पश्च-दृश्य दर्पण के रूप में प्रयुक्त दर्पण है:

    1. समतल
    2. अवतल
    3. उत्तल
    4. बेलनाकार
    उत्तर देखें

    उत्तर: C — उत्तल

    उत्तल दर्पण सदैव छोटा, सीधा, आभासी प्रतिबिंब बनाता है और विस्तृत दृष्टि-क्षेत्र देता है — चालक को ठीक यही चाहिए। अवतल दर्पण के स्थान पर हेडलाइट व दाढ़ी दर्पण में प्रयुक्त होता है।

  6. घरेलू उपकरण समांतर क्रम में जोड़े जाते हैं क्योंकि:

    1. इससे विद्युत की बचत होती है
    2. प्रत्येक उपकरण को पूरी वोल्टता मिलती है व वह स्वतंत्र चलता है
    3. कुल प्रतिरोध बढ़ जाता है
    4. प्रत्येक से समान धारा जाती है
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — प्रत्येक उपकरण को पूरी वोल्टता मिलती है व वह स्वतंत्र चलता है

    समांतर में प्रत्येक शाखा पर वोल्टता समान होती है और एक शाखा टूटने से अन्य प्रभावित नहीं होतीं, अतः बल्ब बंद होने पर भी पंखा चलता रहता है। कुल प्रतिरोध वस्तुतः घटता है, और प्रत्येक से समान धारा श्रेणी क्रम की विशेषता है।

  7. कैंची किस वर्ग के उत्तोलक का उदाहरण है?

    1. प्रथम वर्ग
    2. द्वितीय वर्ग
    3. तृतीय वर्ग
    4. उत्तोलक ही नहीं
    उत्तर देखें

    उत्तर: A — प्रथम वर्ग

    कीलक (आलंब) उन हत्थों के बीच है जहाँ आयास लगता है और उन फलकों के बीच जहाँ भार है, अतः यह प्रथम वर्ग है — सीसॉ या सब्बल की तरह। ठेला द्वितीय वर्ग और चिमटा तृतीय।

  8. पनडुब्बियाँ पहचानने हेतु प्रयुक्त सोनार कार्य करता है:

    1. अवश्रव्य तरंगों पर
    2. पराश्रव्य तरंगों पर
    3. रेडियो तरंगों पर
    4. एक्स-किरणों पर
    उत्तर देखें

    उत्तर: B — पराश्रव्य तरंगों पर

    सोनार पराश्रव्य स्पंद (20,000 Hz से ऊपर) भेजता है और उनकी प्रतिध्वनि का समय मापता है। रेडियो तरंगें व एक्स-किरणें विद्युतचुंबकीय हैं और जल द्वारा अत्यंत शीघ्र अवशोषित हो जाती हैं, इसीलिए जल के भीतर रेडियो के बजाय ध्वनि प्रयुक्त होती है।