सामान्य भौतिकी — विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी नोट्स

1. क्लासिकल मैकेनिक्स: आधार

क्लासिकल मैकेनिक्स उन वस्तुओं की गति से संबंधित है जिन्हें हम देख सकते हैं। इसे Statics (विराम अवस्था), Kinematics (बिना कारणों के गति), और Dynamics (बलों के साथ गति) में विभाजित किया गया है।

2. न्यूटन का प्रथम नियम: जड़त्व का नियम

प्रत्येक वस्तु अपनी विराम अवस्था या सरल रेखा में एकसमान गति की अवस्था में बनी रहती है, जब तक कि उस पर कोई बाहरी असंतुलित बल न लगाया जाए।

जड़त्व (Inertia): यह वस्तु का वह गुण है जो अपनी स्थिति में किसी भी परिवर्तन का विरोध करता है। द्रव्यमान (Mass) जड़त्व की माप है।

3. न्यूटन का द्वितीय नियम: बल और त्वरण

संवेग परिवर्तन की दर लगाए गए बल के समानुपाती होती है। सरल शब्दों में, बल = द्रव्यमान × त्वरण (F = ma)।

महत्व: यह बताता है कि भारी वस्तुओं को हिलाने के लिए अधिक बल की आवश्यकता क्यों होती है और तेज गति वाली वस्तुओं को रोकने में अधिक बल क्यों लगता है।

4. न्यूटन का तृतीय नियम: क्रिया और प्रतिक्रिया

प्रत्येक क्रिया की एक समान और विपरीत प्रतिक्रिया होती है। बल हमेशा जोड़ों में मौजूद होते हैं।

ध्यान दें: क्रिया और प्रतिक्रिया बल अलग-अलग वस्तुओं पर कार्य करते हैं, इसलिए वे एक-दूसरे को शून्य नहीं करते।

5. मूलभूत बल: गुरुत्वाकर्षण और घर्षण

A. गुरुत्वाकर्षण का सार्वत्रिक नियम

ब्रह्मांड की प्रत्येक वस्तु दूसरी वस्तु को आकर्षित करती है। यह बल द्रव्यमान के गुणनफल के समानुपाती और उनके बीच की दूरी के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होता है।

B. घर्षण (Friction)

घर्षण वह बल है जो दो सतहों के बीच होने वाली सापेक्ष गति का विरोध करता है। यह सतह की प्रकृति पर निर्भर करता है।

6. वृत्तीय गति

1. अभिकेंद्र बल (Centripetal Force): केंद्र की ओर लगने वाला बल जो वस्तु को वृत्ताकार पथ पर रखता है।

2. अपकेंद्र बल (Centrifugal Force): एक आभासी बल जो घूमती हुई वस्तु में बाहर की ओर महसूस होता है।

1. कार्य (Work)

जब किसी वस्तु पर लगाया गया बल उसमें विस्थापन (स्थिति में परिवर्तन) उत्पन्न करता है, तो उसे 'कार्य' कहा जाता है। यदि विस्थापन शून्य है, तो कार्य भी शून्य होगा।

मात्रक: जूल (J)। 1 जूल = 1 न्यूटन x 1 मीटर।

2. शक्ति (Power)

कार्य करने की दर को शक्ति कहते हैं। यह बताता है कि कोई कार्य कितनी जल्दी किया गया है।

मात्रक: वाट (Watt)। 1 वाट = 1 जूल/सेकंड। अन्य मात्रक 'हॉर्स पावर' (hp) भी है।

3. ऊर्जा (Energy)

कार्य करने की क्षमता को ऊर्जा कहते हैं।

1. गतिज ऊर्जा (Kinetic Energy): गति के कारण उत्पन्न ऊर्जा (1/2 mv2)।

2. स्थितिज ऊर्जा (Potential Energy): स्थिति या आकार में परिवर्तन के कारण ऊर्जा (mgh)।

3. यांत्रिक ऊर्जा: गतिज और स्थितिज ऊर्जा का योग।

4. ऊर्जा संरक्षण का नियम

ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है; इसे केवल एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित किया जा सकता है।

ऊर्जा रूपांतरण:

विद्युत बल्ब: विद्युत ऊर्जा से प्रकाश ऊर्जा।

सेल/बैटरी: रासायनिक ऊर्जा से विद्युत ऊर्जा।

माइक्रोफोन: ध्वनि ऊर्जा से विद्युत ऊर्जा।

5. अन्य संरक्षण नियम

1. द्रव्यमान का संरक्षण: पदार्थ को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है।

2. संवेग संरक्षण: यदि कोई बाहरी बल न लगे, तो तंत्र का कुल संवेग स्थिर रहता है।

1. ध्वनि तरंगों की प्रकृति

ध्वनि ऊर्जा का एक रूप है जो यांत्रिक तरंग के रूप में चलती है। इसे संचरण के लिए माध्यम की आवश्यकता होती है।

A. अनुदैर्ध्य बनाम अनुप्रस्थ तरंगें

1. अनुदैर्ध्य तरंगें (Longitudinal Waves): ध्वनि तरंगें इसी श्रेणी में आती हैं। इसमें माध्यम के कण तरंग की दिशा के समांतर कंपन करते हैं, जिससे संपीड़न (Compression) और विरलन (Rarefaction) बनते हैं।

2. अनुप्रस्थ तरंगें (Transverse Waves): इसमें कण तरंग की दिशा के लंबवत (ऊपर-नीचे) गति करते हैं, जैसे प्रकाश की तरंगें।

2. ध्वनि के प्रमुख गुण

आयाम (Amplitude): यह ध्वनि की प्रबलता (Loudness) निर्धारित करता है। अधिक आयाम यानी तेज आवाज।

आवृत्ति (Frequency): इसे हर्ट्ज़ (Hz) में मापा जाता है। यह ध्वनि का तारत्व (Pitch) निर्धारित करती है। उच्च आवृत्ति यानी तीखी आवाज।

तरंगदैर्घ्य (Wavelength): दो क्रमिक संपीड़नों या विरलनों के बीच की दूरी।

3. ध्वनि की चाल

1. माध्यम: ध्वनि की चाल ठोसों में सबसे अधिक, द्रवों में कम और गैसों में सबसे कम होती है।

2. तापमान: तापमान बढ़ने पर ध्वनि की चाल बढ़ जाती है।

4. प्रतिध्वनि (Echo)

जब ध्वनि किसी परावर्तक सतह से टकराकर वापस आती है, तो उसे प्रतिध्वनि कहते हैं। स्पष्ट प्रतिध्वनि सुनने के लिए बाधा की न्यूनतम दूरी 17.2 मीटर होनी चाहिए।

5. डॉप्लर प्रभाव (Doppler Effect)

जब स्रोत और श्रोता के बीच सापेक्ष गति होती है, तो ध्वनि की आवृत्ति बदली हुई प्रतीत होती है। इसे डॉप्लर प्रभाव कहते हैं (जैसे पास आती ट्रेन की सीटी का तीखा होना)।

1. प्रकाश की प्रकृति और गति

प्रकाश ऊर्जा का एक रूप है जो हमें वस्तुओं को देखने में मदद करता है। यह निर्वात (खाली जगह) में भी यात्रा कर सकता है। इसकी गति 3 लाख किलोमीटर प्रति सेकंड है।

2. प्रकाश का परावर्तन (Reflection)

जब प्रकाश किसी चमकदार सतह से टकराकर वापस लौटता है, तो उसे परावर्तन कहते हैं।

नियम: आपतन कोण हमेशा परावर्तन कोण के बराबर होता है।

3. प्रकाश का अपवर्तन (Refraction)

जब प्रकाश एक माध्यम (जैसे हवा) से दूसरे माध्यम (जैसे पानी) में जाता है, तो उसकी गति बदल जाती है और वह मुड़ जाता है।

तारे क्यों टिमटिमाते हैं? हवा की अलग-अलग परतों के कारण होने वाले अपवर्तन के कारण तारे टिमटिमाते हुए दिखाई देते हैं।

4. पूर्ण आंतरिक परावर्तन (TIR)

जब प्रकाश सघन (Dense) से विरल (Rare) माध्यम में जाता है और एक निश्चित कोण से अधिक पर मुड़ता है, तो वह बाहर निकलने के बजाय वापस अंदर ही परावर्तित हो जाता है।

उदाहरण: हीरा इसी कारण चमकता है और ऑप्टिकल फाइबर इसी पर काम करते हैं।

5. विक्षेपण (Dispersion)

सफेद प्रकाश का सात रंगों में टूटना विक्षेपण कहलाता है। लाल रंग सबसे कम मुड़ता है और बैंगनी रंग सबसे ज्यादा मुड़ता है।

1. प्रकाश का व्यतिकरण (Interference)

जब समान आवृत्ति की दो प्रकाश तरंगें एक साथ चलती हैं और एक-दूसरे पर अध्यारोपित (overlap) होती हैं, तो प्रकाश की तीव्रता कहीं बहुत अधिक और कहीं बहुत कम हो जाती है। इसे व्यतिकरण कहते हैं।

उदाहरण: साबुन के बुलबुले का रंगीन दिखना।

2. प्रकाश का प्रकीर्णन (Scattering) और टिंडल प्रभाव

जब प्रकाश हवा के अणुओं या धूल के कणों से टकराता है, तो वह चारों दिशाओं में फैल जाता है। इसे प्रकीर्णन कहते हैं।

टिंडल प्रभाव (Tyndall Effect): धूल भरे कमरे में खिड़की से आती रोशनी का रास्ता दिखना।

आकाश का रंग: प्रकीर्णन के कारण ही हमें आकाश नीला और सूर्यास्त के समय सूर्य लाल दिखाई देता है।

3. कॉम्पटन प्रकीर्णन (Compton Scattering)

यह घटना यह सिद्ध करती है कि प्रकाश कणों (Photons) से बना है। जब एक फोटॉन किसी इलेक्ट्रॉन से टकराता है, तो उसकी ऊर्जा कम हो जाती है।

4. पृष्ठ तनाव (Surface Tension)

तरल का वह गुण जिसके कारण उसकी सतह एक खिंची हुई झिल्ली की तरह व्यवहार करती है और अपना क्षेत्रफल कम से कम रखने की कोशिश करती है।

वर्षा की बूंदें: पृष्ठ तनाव के कारण ही बूंदें गोल होती हैं।

पानी पर तैरते कीड़े: पानी की सतह एक लचीली चादर की तरह काम करती है जिससे हल्के कीड़े डूबते नहीं हैं।

1. न्यूटन का गुरुत्वाकर्षण का सार्वत्रिक नियम

ब्रह्मांड में किन्हीं दो पिंडों के बीच आकर्षण बल उनके द्रव्यमानों के गुणनफल के समानुपाती और उनके बीच की दूरी के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होता है।

2. पृथ्वी का गुरुत्वाकर्षण और 'g' का मान

पृथ्वी द्वारा लगाया गया आकर्षण बल गुरुत्व कहलाता है। इसके कारण उत्पन्न त्वरण को 'g' कहते हैं।

ध्रुवों (Poles) पर: 'g' का मान अधिकतम होता है।

भूमध्य रेखा (Equator) पर: 'g' का मान न्यूनतम होता है।

ऊंचाई और गहराई: पृथ्वी की सतह से ऊपर जाने या नीचे जाने पर 'g' का मान घटता है।

केंद्र पर: पृथ्वी के केंद्र पर 'g' शून्य होता है।

3. सापेक्षता का विशेष सिद्धांत (STR)

यह सिद्धांत बताता है कि प्रकाश की गति ब्रह्मांड में स्थिर है और कुछ भी इससे तेज नहीं चल सकता।

समीकरण: E = mc2 (ऊर्जा = द्रव्यमान x प्रकाश की गति का वर्ग)।

4. सापेक्षता का सामान्य सिद्धांत (GTR)

आइंस्टीन ने बताया कि गुरुत्वाकर्षण कोई बल नहीं है, बल्कि यह भारी वस्तुओं के कारण अंतरिक्ष-समय (Spacetime) में आया एक झुकाव है।

1. ऊष्मागतिकी (Thermodynamics)

यह ऊष्मा, तापमान और कार्य के बीच संबंधों का अध्ययन है।

समतापी (Isothermal): जब तापमान स्थिर रहे।

समदाबी (Isobaric): जब दबाव स्थिर रहे।

रुद्धोष्म (Adiabatic): जब कोई ऊष्मा अंदर या बाहर न आए।

2. ऊष्मागतिकी के नियम

शून्यवाँ नियम: तापमान मापने का आधार।

प्रथम नियम: ऊर्जा संरक्षण का नियम।

द्वितीय नियम: ब्रह्मांड की एंट्रॉपी (अव्यवस्था) हमेशा बढ़ती है।

3. चुंबकत्व (Magnetism)

चुंबक के हमेशा दो ध्रुव होते हैं—उत्तर और दक्षिण।

समान ध्रुव एक-दूसरे को विकर्षित (repel) करते हैं और विपरीत ध्रुव आकर्षित करते हैं।

चुंबकीय प्रेरण (Induction): किसी चुंबक की उपस्थिति में किसी लोहे के टुकड़े का चुंबक की तरह व्यवहार करना।

4. विद्युत (Electricity)

स्थिर विद्युत (Static Electricity): रगड़ने से उत्पन्न आवेश जो प्रवाहित नहीं होता।

विद्युत धारा (Current): आवेश या इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह। इसके लिए विभवांतर (Voltage) आवश्यक है।

1. बादल और बिजली (Lightning)

बादलों में घर्षण (Friction) के कारण विद्युत आवेश उत्पन्न होता है।

आवेश का वितरण: बादल की ऊपरी परत धनात्मक (Positive) और निचली परत ऋणात्मक (Negative) हो जाती है।

गर्जन (Thunder): बिजली की अत्यधिक गर्मी के कारण हवा अचानक फैलती है, जिससे तेज आवाज उत्पन्न होती है जिसे हम बिजली कड़कना कहते हैं।

2. अर्थिंग (Earthing)

बिजली के झटकों और इमारतों को बिजली गिरने से बचाने के लिए अतिरिक्त विद्युत आवेश को सीधे पृथ्वी में भेजने की प्रक्रिया अर्थिंग कहलाती है।

नमक और कोयला: मिट्टी की चालकता (Conductivity) बढ़ाने के लिए अर्थिंग पिट में नमक और चारकोल की परतें डाली जाती हैं।

3. विद्युत चुंबकत्व (Electromagnetism)

जब किसी तार से विद्युत धारा प्रवाहित होती है, तो वह एक चुंबक की तरह व्यवहार करता है।

फैराडे का नियम: यदि किसी चालक के पास चुंबकीय क्षेत्र को बदला जाए, तो उसमें विद्युत धारा उत्पन्न होती है। इसी सिद्धांत पर जनरेटर काम करते हैं।