भौतिकी

1. अध्याय एक नज़र में

भौतिकी (Physics) अग्निवीर परीक्षाओं का बहुत महत्वपूर्ण भाग है। Air Force Group X में Physics के 25 प्रश्न (कक्षा 11–12 स्तर), Navy SSR में Science के लगभग 25 प्रश्न, Army Technical में Physics के लगभग 15 और Army GD में सामान्य विज्ञान के 5–8 प्रश्न आते हैं। प्रश्न दो प्रकार के होते हैं — अवधारणा (Concept), जैसे "बर्फ पानी पर क्यों तैरती है?", और संख्यात्मक (Numerical), जैसे "5 kg द्रव्यमान पर 10 N बल से त्वरण कितना होगा?"। इस अध्याय में हर विषय की अवधारणा, सूत्र और हल किए गए उदाहरण दिए गए हैं। तकनीकी शब्द English में रखे गए हैं ताकि प्रश्नपत्र पढ़ने में कठिनाई न हो।

2. मात्रक और विमा (Units and Dimensions)

SI पद्धति के 7 मूल मात्रक: मीटर (लंबाई), किलोग्राम (द्रव्यमान), सेकंड (समय), एम्पियर (विद्युत धारा), केल्विन (ताप), मोल (पदार्थ की मात्रा), कैंडेला (ज्योति तीव्रता)।

• अदिश राशि (Scalar) — केवल परिमाण: द्रव्यमान, चाल, दूरी, ऊर्जा, समय। सदिश राशि (Vector) — परिमाण और दिशा: विस्थापन, वेग, त्वरण, बल, संवेग।
• प्रकाश वर्ष, खगोलीय इकाई (AU) और पारसेक — तीनों दूरी के मात्रक हैं। 1 अश्व शक्ति (HP) = 746 वाट। 1 किलोवाट-घंटा (1 यूनिट) = 3.6 × 10⁶ जूल।

3. गति (Motion)

• चाल = दूरी/समय; वेग = विस्थापन/समय; त्वरण a = (v − u)/t। 1 km/h = 5/18 m/s।
• एकसमान त्वरण के गति समीकरण: v = u + at; s = ut + ½at²; v² = u² + 2as।
• मुक्त रूप से गिरती वस्तु (Free fall) में u = 0, a = g ≈ 9.8 m/s² (गणना में अक्सर 10)। वायु प्रतिरोध न हो तो भारी और हल्की वस्तुएँ एक साथ गिरती हैं।
• ऊपर फेंकी गई वस्तु की अधिकतम ऊँचाई h = u²/2g और ऊपर जाने में समय t = u/g।

4. न्यूटन के गति नियम, संवेग और बल

• पहला नियम (जड़त्व का नियम): कोई वस्तु तब तक विराम या एकसमान गति में रहती है जब तक बाहरी बल न लगे। उदाहरण: बस अचानक चलने पर यात्री पीछे झुकते हैं; कंबल झाड़ने पर धूल गिर जाती है।
• दूसरा नियम: F = ma = संवेग में परिवर्तन की दर। 1 न्यूटन = 1 kg × 1 m/s²।
• तीसरा नियम: हर क्रिया की बराबर और विपरीत प्रतिक्रिया होती है। उदाहरण: रॉकेट का चलना, बंदूक का पीछे धक्का (Recoil), तैरना, नाव से कूदने पर नाव का पीछे खिसकना।
• संवेग p = mv; बाहरी बल न हो तो कुल संवेग संरक्षित रहता है। आवेग (Impulse) = बल × समय = संवेग में परिवर्तन — इसी कारण क्रिकेटर गेंद पकड़ते समय हाथ पीछे खींचता है (समय बढ़ाकर बल घटाना)।
• घर्षण गति का विरोध करता है; बॉल बेयरिंग और स्नेहक (Lubricant) से घर्षण घटता है। लोटनिक (Rolling) घर्षण सबसे कम होता है।
• अभिकेंद्र बल (Centripetal) वृत्ताकार गति के लिए केंद्र की ओर लगता है: F = mv²/r। मोड़ पर सड़कों को ढलवाँ (Banking) बनाया जाता है।

5. कार्य, ऊर्जा और शक्ति

• कार्य W = F × s × cos θ। बल और विस्थापन लंबवत हों तो कार्य शून्य (समतल सड़क पर बोझ ले जाते कुली द्वारा गुरुत्व के विरुद्ध कार्य शून्य)।
• गतिज ऊर्जा KE = ½mv² — वेग दोगुना होने पर ऊर्जा चार गुनी। स्थितिज ऊर्जा PE = mgh।
• ऊर्जा संरक्षण: ऊर्जा न बनाई जा सकती है न नष्ट की जा सकती है, केवल रूप बदलती है। ऊँचाई से गिरती वस्तु की स्थितिज ऊर्जा गतिज ऊर्जा में बदलती है।
• शक्ति P = कार्य/समय। ऊर्जा रूपांतरण: डायनमो — यांत्रिक से विद्युत; मोटर — विद्युत से यांत्रिक; बल्ब — विद्युत से प्रकाश और ऊष्मा; बैटरी — रासायनिक से विद्युत।

6. गुरुत्वाकर्षण, दाब और तरल

• न्यूटन का गुरुत्वाकर्षण नियम: F = Gm₁m₂/r²। दूरी दोगुनी होने पर बल एक-चौथाई रह जाता है।
• g का मान ध्रुवों पर अधिकतम और भूमध्य रेखा पर न्यूनतम; ऊँचाई और गहराई बढ़ने पर घटता है; पृथ्वी के केंद्र पर शून्य। चंद्रमा पर g पृथ्वी का लगभग 1/6।
• द्रव्यमान हर जगह समान रहता है (kg); भार = mg बदलता है (N)। चंद्रमा पर 60 kg व्यक्ति का द्रव्यमान 60 kg ही रहेगा, पर भार लगभग 100 N होगा।
• पलायन वेग (पृथ्वी) ≈ 11.2 km/s। भू-स्थिर उपग्रह पृथ्वी की परिक्रमा 24 घंटे में करता है (ऊँचाई लगभग 36,000 km)।
• दाब = बल/क्षेत्रफल — नुकीली कील और धारदार चाकू कम क्षेत्रफल पर अधिक दाब डालते हैं; ऊँट के चौड़े पैर रेत में नहीं धँसते।
• द्रव का दाब = hρg — बाँध की दीवार नीचे मोटी बनाई जाती है। पास्कल का नियम — हाइड्रोलिक ब्रेक और लिफ्ट।
• आर्किमिडीज़ का सिद्धांत: द्रव में डूबी वस्तु के भार में आभासी कमी = विस्थापित द्रव का भार। जहाज़ तैरता है क्योंकि वह अपने भार के बराबर पानी हटाता है; समुद्र के खारे पानी में तैरना आसान है (घनत्व अधिक)।
• पृष्ठ तनाव से वर्षा की बूँदें गोल होती हैं; केशिकत्व से लालटेन की बत्ती में तेल चढ़ता है; बर्नूली सिद्धांत से हवाई जहाज़ को उत्थापन (Lift) मिलता है।

7. ऊष्मा और ताप

• ताप पैमाने: °F = 9/5 × °C + 32; K = °C + 273। −40° पर सेल्सियस और फ़ारेनहाइट बराबर। शरीर का सामान्य ताप 37°C = 98.6°F।
• ऊष्मा संचरण: चालन (ठोस में — धातु का चम्मच गर्म), संवहन (द्रव-गैस में — समुद्री समीर), विकिरण (माध्यम की आवश्यकता नहीं — सूर्य की गर्मी)।
• पानी का घनत्व 4°C पर अधिकतम होता है (असंगत प्रसार), इसलिए झीलें ऊपर से जमती हैं और जलीय जीव नीचे जीवित रहते हैं।
• दाब घटने पर क्वथनांक घटता है — पहाड़ों पर खाना देर से पकता है; प्रेशर कुकर में दाब बढ़ने से क्वथनांक बढ़ता है।
• 100°C की भाप से जलना उतने ही ताप के पानी से अधिक कष्टदायक है, क्योंकि भाप में गुप्त ऊष्मा (Latent heat) होती है।
• ऊष्मा Q = mcΔT; पानी की विशिष्ट ऊष्मा अधिक (4200 J/kg°C) होने से तटीय क्षेत्रों की जलवायु सम रहती है।

8. ध्वनि (Sound)

• ध्वनि यांत्रिक अनुदैर्ध्य तरंग है; निर्वात में नहीं चलती। चाल: ठोस > द्रव > गैस (वायु ≈ 340 m/s, जल ≈ 1500 m/s, स्टील ≈ 5000 m/s)।
• श्रव्य परास 20 Hz – 20,000 Hz; इससे कम अपश्रव्य (भूकंप, हाथी), अधिक पराश्रव्य (चमगादड़, SONAR, अल्ट्रासाउंड जाँच)।
• तारत्व (Pitch) आवृत्ति पर, प्रबलता (Loudness) आयाम पर निर्भर; प्रबलता का मात्रक डेसिबल (dB)।
• प्रतिध्वनि सुनने के लिए परावर्तक सतह कम से कम लगभग 17 m दूर होनी चाहिए। तरंग की चाल v = आवृत्ति × तरंगदैर्ध्य।
• नौसेना की पनडुब्बियाँ खोजने में SONAR (Sound Navigation and Ranging) का उपयोग होता है।

9. प्रकाश (Light)

• निर्वात में प्रकाश की चाल 3 × 10⁸ m/s। अपवर्तनांक n = c/v (काँच ≈ 1.5, जल ≈ 1.33)।
• परावर्तन: समतल दर्पण में प्रतिबिंब दर्पण के पीछे उतनी ही दूरी पर, सीधा और समान आकार का। अवतल दर्पण — टॉर्च, हेडलाइट, दाढ़ी बनाने का दर्पण; उत्तल दर्पण — वाहनों का पश्चदृश्य दर्पण (बड़ा दृश्य क्षेत्र)।
• अपवर्तन: पानी में डूबी छड़ मुड़ी दिखती है; तारे टिमटिमाते हैं (वायुमंडलीय अपवर्तन)।
• पूर्ण आंतरिक परावर्तन: हीरे की चमक, ऑप्टिकल फाइबर, मरीचिका।
• प्रकीर्णन: आकाश नीला दिखता है; सूर्योदय-सूर्यास्त के समय सूर्य लाल; खतरे के संकेत लाल रंग के होते हैं (लाल का प्रकीर्णन सबसे कम)।
• वर्ण विक्षेपण: प्रिज़्म से सफ़ेद प्रकाश सात रंगों (VIBGYOR) में बँटता है; इंद्रधनुष इसी से बनता है।
• लेंस: उत्तल (अभिसारी) और अवतल (अपसारी)। क्षमता P = 1/f (f मीटर में); उत्तल लेंस की क्षमता धनात्मक।
• दृष्टि दोष: निकट दृष्टि दोष (Myopia) — दूर की वस्तु नहीं दिखती, अवतल लेंस; दूर दृष्टि दोष (Hypermetropia) — पास की वस्तु नहीं दिखती, उत्तल लेंस; जरा-दूरदर्शिता — द्विफोकसी लेंस।

10. विद्युत और चुंबकत्व

• ओम का नियम: V = IR। प्रतिरोध R = ρL/A — लंबाई दोगुनी तो प्रतिरोध दोगुना; मोटाई (क्षेत्रफल) दोगुनी तो आधा।
• श्रेणी क्रम: R = R₁ + R₂ (धारा समान)। समांतर क्रम: 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ (विभवांतर समान)। घरों में उपकरण समांतर क्रम में जुड़े होते हैं।
• विद्युत शक्ति P = VI = I²R = V²/R। ऊर्जा (यूनिट) = kW × घंटे।
• जूल का तापन नियम H = I²Rt — हीटर, इस्त्री, फ्यूज़। फ्यूज़ तार कम गलनांक वाला होता है और श्रेणी क्रम में लगता है।
• भारत में घरेलू आपूर्ति 220–230 V, 50 Hz AC। ट्रांसफ़ॉर्मर केवल AC पर काम करता है।
• विद्युत धारा का चुंबकीय प्रभाव (ओर्स्टेड); विद्युत चुंबक में नरम लोहे का क्रोड। फ़ैराडे का विद्युत चुंबकीय प्रेरण — जनित्र (Generator) का सिद्धांत।
• चालक: चाँदी (सबसे अच्छा), तांबा, एल्युमिनियम; अर्धचालक: सिलिकॉन, जर्मेनियम; कुचालक: रबर, काँच, लकड़ी।

11. आधुनिक भौतिकी (संक्षेप में)

• विद्युत चुंबकीय स्पेक्ट्रम (बढ़ती आवृत्ति): रेडियो → माइक्रोवेव → अवरक्त → दृश्य प्रकाश → पराबैंगनी → X-किरणें → गामा किरणें।
• रेडियोधर्मिता की खोज हेनरी बेकरेल ने की; अल्फ़ा, बीटा, गामा किरणें — गामा की भेदन क्षमता सबसे अधिक।
• नाभिकीय विखंडन (Fission) — परमाणु रिएक्टर और परमाणु बम; नाभिकीय संलयन (Fusion) — सूर्य की ऊर्जा और हाइड्रोजन बम।
• RADAR रेडियो तरंगों से विमानों का पता लगाता है; रात में देखने वाले उपकरण (Night vision) अवरक्त किरणों का उपयोग करते हैं।

12. सरल मशीनें, उत्तोलक, बल आघूर्ण और गुरुत्व केंद्र

सरल मशीन (simple machine) ऐसा उपकरण है जिससे कम बल लगाकर अधिक भार उठाया जा सके या बल की दिशा बदली जा सके। जवान रोज़ इनका उपयोग करते हैं — जैक से गाड़ी उठाना, घिरनी से सामान चढ़ाना या ढलान से भारी सामान ट्रक में चढ़ाना। ध्यान रखें: मशीन कार्य कम नहीं करती; बल घटता है तो दूरी बढ़ जाती है।

13. मास्टर सूत्र सारणी

14. मास्टर सारांश सारणी

15. माइंड मैप

16. टिप्स एवं ट्रिक्स

17. महत्वपूर्ण वन-लाइनर

• बल का SI मात्रक न्यूटन और दाब का पास्कल है।
• प्रकाश वर्ष दूरी का मात्रक है।
• जड़त्व वस्तु के द्रव्यमान पर निर्भर करता है।
• रॉकेट न्यूटन के तीसरे नियम पर काम करता है।
• वेग दोगुना करने पर गतिज ऊर्जा चार गुनी हो जाती है।
• पृथ्वी के केंद्र पर g का मान शून्य होता है।
• बर्फ पानी पर तैरती है क्योंकि उसका घनत्व पानी से कम है।
• पानी का घनत्व 4°C पर अधिकतम होता है।
• ध्वनि निर्वात में नहीं चल सकती।
• चमगादड़ पराश्रव्य ध्वनि से रास्ता पहचानते हैं।
• आकाश का नीला रंग प्रकाश के प्रकीर्णन के कारण है।
• हीरे की चमक पूर्ण आंतरिक परावर्तन के कारण है।
• वाहनों में पीछे देखने के लिए उत्तल दर्पण लगाया जाता है।
• फ्यूज़ विद्युत धारा के तापन प्रभाव पर काम करता है।
• ट्रांसफ़ॉर्मर केवल प्रत्यावर्ती धारा (AC) पर काम करता है।
• सूर्य की ऊर्जा का स्रोत नाभिकीय संलयन है।

18. PYQ आधारित प्रश्न — विस्तृत उत्तर सहित

19. त्वरित पुनरावृत्ति सारांश