एनसीईआरटी सारांश: भौतिकी-3 का सारांश | UPSC CSE (हिंदी) के लिए पुरानी और नई एनसीईआरटी अवश्य पढ़ें PDF Download

ध्वनि

• ध्वनि एक प्रकार की ऊर्जा है जिसे हम अपनी श्रवण भावना के माध्यम से अनुभव करते हैं।
• यह तब उत्पन्न होती है जब वस्तुएं कंपन करती हैं, जिससे एक माध्यम में व्यवधान उत्पन्न होता है, जो ठोस, तरल या गैस हो सकता है।
• ध्वनि एक निर्वात में यात्रा नहीं कर सकती क्योंकि वहाँ इसके चलने के लिए कोई माध्यम नहीं होता।
• माध्यम ध्वनि के प्रसार के लिए आवश्यक है।
• एक लंबवत तरंग में, जैसे ध्वनि, माध्यम के कण उसी दिशा में चलते हैं जिस दिशा में तरंग यात्रा कर रही है।
• वे स्थानांतरित नहीं होते; बल्कि, वे अपनी विश्राम स्थिति के चारों ओर आगे-पीछे कंपन करते हैं।
• यह आंदोलन ही ध्वनि तरंगों को माध्यम के माध्यम से यात्रा करने में मदद करता है।
• ध्वनि संकुचन और विराम के रूप में यात्रा करती है।
• संकुचन वे क्षेत्र होते हैं जहाँ कण एक-दूसरे के करीब होते हैं, जबकि विराम वे क्षेत्र होते हैं जहाँ कण एक-दूसरे से दूर होते हैं।
• यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि यह ध्वनि की ऊर्जा है जो माध्यम के माध्यम से चलती है, स्वयं कण नहीं।
• तरंगों के विभिन्न प्रकार होते हैं, जैसे आड़ा तरंगें, जहाँ कण ऊपर और नीचे चलते हैं, तरंग की दिशा के प्रति लंबवत।
• आड़ा तरंग का एक उदाहरण प्रकाश है, लेकिन ध्वनि के विपरीत, प्रकाश को यात्रा करने के लिए माध्यम के कणों के कंपन की आवश्यकता नहीं होती।
• कंपन, जिसे ओस्सिलेटरी गति के रूप में भी जाना जाता है, एक वस्तु का आगे-पीछे का आंदोलन है, और यह ध्वनि उत्पादन का आधार है।
• ध्वनि की अम्पलीट्यूड और आवृत्ति महत्वपूर्ण गुण हैं।
• अम्पलीट्यूड कणों के विश्राम स्थिति से अधिकतम विस्थापन को संदर्भित करता है और यह ध्वनि की तीव्रता को निर्धारित करता है। बड़ी अम्पलीट्यूड का अर्थ है तेज ध्वनि।
• तरंगदैर्ध्य (λ) दो लगातार संकुचन या विराम के बीच की दूरी है।
• समय अवधि (T) घनत्व या दबाव के एक पूर्ण ओस्सिलेशन के लिए लिया गया समय है, और आवृत्ति (f) प्रति इकाई समय में पूर्ण ओस्सिलेशन की संख्या है, जिसे हर्ट्ज (Hz) में मापा जाता है।
• आवृत्ति को f = 1/T के रूप में गणना किया जा सकता है।
• ध्वनि की आवृत्ति भी उसकी स्वर को प्रभावित करती है। उच्च आवृत्ति उच्च स्वर और तेज ध्वनि उत्पन्न करती है, जबकि निम्न आवृत्ति निम्न स्वर उत्पन्न करती है।

ध्वनि और इसके गुण

ध्वनि, जो एकल आवृत्ति के साथ होती है, को स्वर कहा जाता है, जबकि कई आवृत्तियों वाली ध्वनि को नोट कहा जाता है। एक नोट में सबसे कम आवृत्ति को मूल स्वर कहा जाता है। नोट में मौजूद अन्य आवृत्तियों को ओवरटोन कहा जाता है। इनमें से, जो ओवरटोन मूल आवृत्ति के सरल गुणांक होते हैं, उन्हें हर्मोनिक्स कहा जाता है। यह ध्यान रखना महत्वपूर्ण है कि सभी हर्मोनिक्स ओवरटोन होते हैं, लेकिन सभी ओवरटोन को हर्मोनिक्स नहीं माना जाता।

ध्वनि एक माध्यम के माध्यम से एक विशेष गति से यात्रा करती है, जो माध्यम के तापमान और दबाव से प्रभावित होती है। ठोस से गैस की ओर ध्वनि की गति घटती है, क्योंकि गैसों की घनत्व और लोच कम होती है।

किसी भी माध्यम में, तापमान बढ़ाने पर ध्वनि की गति बढ़ती है। उदाहरण के लिए, 0°C पर वायु में ध्वनि की गति लगभग 332 मीटर प्रति सेकंड होती है। गैस में ध्वनि की गति गैस की घनत्व के वर्गमूल के विपरीत होती है।

परावर्तन का नियम बताता है कि ध्वनि जिस कोण पर किसी सतह पर गिरती है और जिस कोण पर वह परावर्तित होती है, वे समान होते हैं और सभी एक ही स्तर पर होते हैं। जब हम किसी उपयुक्त परावर्तक सतह के निकट शोर करते हैं या ताली बजाते हैं, जैसे कि ऊँची इमारत या पहाड़, तो हम थोड़ी देर बाद ध्वनि सुनते हैं, जिसे गूंज कहा जाता है।

ध्वनि की अनुभूति हमारे मस्तिष्क में लगभग 0.1 सेकंड तक रहती है। स्पष्ट गूंज का अनुभव करने के लिए, मूल ध्वनि और परावर्तित ध्वनि के बीच कम से कम 0.1 सेकंड का अंतर होना चाहिए।

यदि ध्वनि की गति 344 मीटर/सेकंड मानी जाए, जैसे कि 22°C पर वायु में, तो ध्वनि को परावर्तक सतह तक यात्रा करनी होती है और फिर गूंज के रूप में सुनाई देने के लिए वापस लौटना होता है, जो 0.1 सेकंड के भीतर होता है। इस प्रकार, कुल यात्रा की दूरी कम से कम 34.4 मीटर होनी चाहिए। इसलिए, स्पष्ट गूंज सुनने के लिए न्यूनतम दूरी 17.2 मीटर होनी चाहिए, जो वायु के तापमान के साथ बदलती है।

कई परावर्तनों के कारण गूंज को कई बार सुना जा सकता है। गूंजन का अर्थ है ध्वनि का लंबे समय तक बने रहना, जो पास की वस्तुओं से अनुक्रमिक परावर्तन के कारण होता है।

एक स्टेथोस्कोप एक चिकित्सा उपकरण है जिसका उपयोग शरीर के अंदर से ध्वनियों को सुनने के लिए किया जाता है, मुख्य रूप से दिल या फेफड़ों की। स्टेथोस्कोप में, रोगी की धड़कन डॉक्टर के कानों तक कई ध्वनि परावर्तनों के माध्यम से पहुँचती है।

मनुष्यों की सुनने की सीमा लगभग 20 हर्ट्ज से 20,000 हर्ट्ज तक होती है (जहाँ 1 हर्ट्ज एक सेकंड में एक चक्र के बराबर होता है)। पाँच वर्ष से कम उम्र के बच्चे और कुछ जानवर, जैसे कुत्ते, 25 किलाहर्ट्ज तक की आवृत्तियाँ सुन सकते हैं (जहाँ 1 किलाहर्ट्ज 1000 हर्ट्ज के बराबर होता है)।

20 हर्ट्ज से नीचे की आवृत्तियों को इनफ्रासोनिक ध्वनियाँ कहा जाता है। उदाहरण के लिए, गैंडों के पास 5 हर्ट्ज तक की इनफ्रासोनिक ध्वनियाँ होती हैं। व्हेल और हाथी भी इस सीमा में ध्वनियाँ उत्पन्न करते हैं। कुछ जानवर impending भूकंप का आभास कर सकते हैं, क्योंकि वे मुख्य झटके की तरंगों से पहले निम्न आवृत्ति की इनफ्रासाउंड का पता लगा सकते हैं, जो उन्हें सचेत कर सकती हैं।

20 किलाहर्ट्ज से ऊपर की आवृत्तियों को अल्ट्रासोनिक ध्वनियाँ या अल्ट्रासाउंड कहा जाता है। डॉल्फ़िन, चमगादड़ और पोर्पोइज़ अल्ट्रासाउंड उत्पन्न करते हैं। अल्ट्रासाउंड का उपयोग धातु ब्लॉकों में दरारों और दोषों की पहचान के लिए किया जा सकता है। ये छिपे हुए दोष भवनों और पुलों जैसी संरचनाओं को कमजोर कर सकते हैं।

अल्ट्रासोनिक तरंगें धातु ब्लॉकों के माध्यम से भेजी जाती हैं, और डिटेक्टर परावर्तित तरंगों की पहचान करते हैं। कोई भी छोटा दोष अल्ट्रासाउंड को वापस परावर्तित करता है, जो एक दोष का संकेत देता है।

चिकित्सा इमेजिंग में, अल्ट्रासोनिक तरंगें दिल के विभिन्न हिस्सों से परावर्तित होती हैं ताकि एक चित्र बनाया जा सके, जिसे इकोकार्डियोग्राफी कहा जाता है। एक अल्ट्रासाउंड स्कैनर आंतरिक अंगों की छवियाँ कैप्चर करने के लिए अल्ट्रासोनिक तरंगों का उपयोग करता है। इससे डॉक्टरों को पित्त की पथरी या ट्यूमर जैसी समस्याओं की पहचान करने में मदद मिलती है।

अल्ट्रासोनिक तरंगें शरीर के ऊतकों के माध्यम से यात्रा करती हैं और विभिन्न घनत्व वाले क्षेत्रों से परावर्तित होती हैं। ये परावर्तन विद्युत संकेतों में परिवर्तित होते हैं ताकि अंगों की छवियाँ बनाई जा सकें, जिन्हें मॉनिटर पर दर्शाया जाता है या फिल्म पर प्रिंट किया जाता है, इस प्रक्रिया को अल्ट्रासोनोग्राफी कहा जाता है।

SONAR का अर्थ है ध्वनि नेविगेशन और रेंजिंग। यह एक उपकरण है जो पानी के नीचे की वस्तुओं की दूरी, दिशा और गति को मापने के लिए अल्ट्रासोनिक तरंगों का उपयोग करता है। SONAR में एक ट्रांसमीटर और एक डिटेक्टर होता है, जो आमतौर पर नावों या जहाजों पर स्थापित होते हैं। ट्रांसमीटर अल्ट्रासोनिक तरंगें उत्सर्जित करता है जो पानी के माध्यम से यात्रा करती हैं, समुद्र की सतह पर मौजूद वस्तुओं से परावर्तित होती हैं और डिटेक्टर पर लौटती हैं।

डिटेक्टर परावर्तित अल्ट्रासोनिक तरंगों को विद्युत संकेतों में परिवर्तित करता है। वस्तु की दूरी की गणना पानी में ध्वनि की गति और अल्ट्रासाउंड के प्रसारण और प्राप्ति के समय के आधार पर की जाती है।

दूरी को समय अंतराल को मापकर निर्धारित करने की विधि को इको रेंजिंग कहा जाता है। यह तकनीक पानी के नीचे की विशेषताओं को खोजने के लिए महत्वपूर्ण है, जैसे पहाड़, घाटियाँ, पनडुब्बियाँ, हिमनद और मलबे के जहाज।

यदि कोई वस्तु, विशेष रूप से एक विमान, हवा में ध्वनि की गति से तेज़ चलती है, तो इसे सुपरसोनिक गति कहा जाता है। किसी वस्तु की गति और हवा में ध्वनि की गति के अनुपात को माच संख्या कहा जाता है। माच संख्या 1 से अधिक होने पर यह संकेत करता है कि वस्तु सुपरसोनिक गति से चल रही है।

इकाइयाँ और माप

भौतिकी एक मात्रात्मक विज्ञान है जो भौतिक मात्राओं को मापने पर निर्भर करता है। कुछ भौतिक मात्राएँ मूल या आधार मात्राओं के रूप में नामित की जाती हैं, जिसमें लंबाई, द्रव्यमान, समय, विद्युत धारा, थर्मोडायनामिक तापमान, पदार्थ की मात्रा, और प्रकाशीय तीव्रता शामिल हैं।

SI इकाइयाँ और आधार मात्राएँ

एक इकाई एक विशिष्ट मानक है जिसका उपयोग प्रत्येक आधार मात्रा को परिभाषित करने के लिए किया जाता है। कुछ उदाहरणों में मीटर, किलोग्राम, सेकंड, एंपियर, केल्विन, मोल, और कैन्डेला शामिल हैं। इन इकाइयों से मापी गई मात्राओं को मूल इकाइयाँ कहा जाता है।

व्युत्पन्न इकाइयों का उपयोग अन्य भौतिक मात्राओं को व्यक्त करने के लिए किया जाता है, जो मूल मात्राओं से आती हैं। ये व्युत्पन्न इकाइयाँ मूल इकाइयों के संयोजन होती हैं। मूल और व्युत्पन्न इकाइयों के साथ मिलकर इकाइयों का एक प्रणाली बनती है।

सबसे व्यापक रूप से उपयोग की जाने वाली प्रणाली अंतर्राष्ट्रीय इकाइयों का प्रणाली (SI) है, जो सात आधार इकाइयों पर आधारित है। SI इकाइयाँ सभी भौतिक मापों के लिए उपयोग की जाती हैं, जिसमें मूल और व्युत्पन्न मात्राएँ शामिल हैं। कुछ व्युत्पन्न इकाइयाँ, जैसे जूल, न्यूटन, और वाट, के विशेष नाम होते हैं।

SI इकाइयों के विशिष्ट प्रतीक होते हैं, जैसे मीटर के लिए m, किलोग्राम के लिए kg, सेकंड के लिए s, और एंपियर के लिए A। माप अक्सर वैज्ञानिक नोटेशन में 10 की शक्तियों का उपयोग करके व्यक्त की जाती हैं, जिससे संख्याओं को प्रदर्शित और गणना करना आसान होता है, जबकि उनकी सटीकता भी दर्शाई जा सकती है।

• लंबाई की इकाई: SI की लंबाई की इकाई मीटर है (m)। लंबाई मापने के लिए अन्य मेट्रिक इकाइयाँ मीटर के गुणांक या उपगुणांक पर आधारित हैं:
• 1 किलोमीटर = 1000 (या 10³) मीटर
• 1 सेंटीमीटर = 1/100 (या 10^-2) मीटर
• 1 मिलीमीटर = 1/1000 (या 10^-3) मीटर
• बहुत छोटी दूरियाँ: माइक्रोमीटर या माइक्रॉन्स (μm): 1 मीटर = 10⁶ μm
• नैनोमीटर (nm): 1 मीटर = 10⁹ nm
• एंग्स्ट्रॉम (Å): 1 मीटर = 10¹⁰ Å
• फेम्टोमीटर (fm): 1 मीटर = 10¹⁵ fm
• बड़ी दूरियाँ: प्रकाश वर्ष: 1 प्रकाश वर्ष = 9.46 × 10¹⁵ मीटर (जो प्रकाश एक वर्ष में यात्रा करता है)

• द्रव्यमान की इकाई: SI की द्रव्यमान की इकाई किलोग्राम है (kg)। द्रव्यमान मापने के लिए अन्य मेट्रिक इकाइयाँ किलोग्राम के गुणांक या उपगुणांक पर आधारित हैं:
• 1 टन (t) = 1000 (या 10³) kg
• 1 ग्राम (g) = 1/1000 (या 10^-3) kg
• 1 मिलीग्राम (mg) = 10^-6 kg
• समय की इकाई: SI की समय की इकाई सेकंड है (s)।
• महत्वपूर्ण माप इकाइयाँ: समुद्री मील। एक समुद्री मील 1852 मीटर (या 6080 फीट) के बराबर है। यह इकाई पृथ्वी के एक बड़े वृत्त के चारों ओर एक मिनट के आर्क के विचार पर आधारित थी, जो पृथ्वी के परिधि का 1/60 होता है।

हर साठ समुद्री मील पृथ्वी के किसी भी स्थान पर एक डिग्री अक्षांश के बराबर है, और यह भी भूमध्यरेखा पर एक डिग्री देशांतर के बराबर है। इसलिए इसे समुद्री मील कहा जाता है, क्योंकि यह समुद्र में नेविगेशन के लिए विशेष रूप से उपयोगी है।

समुद्री मील अभी भी शिपिंग, विमानन, और एयरोस्पेस जैसे क्षेत्रों में सामान्यतः उपयोग किया जाता है। इसके विपरीत, सामान्य मील, जिसे स्टैच्यूट माइल कहा जाता है, कानूनी रूप से परिभाषित किया गया है।

निकट बाहरी अंतरिक्ष में दूरियों के बारे में चर्चा करते समय, माप कभी-कभी पृथ्वी के त्रिज्या के संदर्भ में किए जाते हैं, जो लगभग 6.4 × 10⁶ मीटर है। उदाहरण के लिए:

• पृथ्वी के त्रिज्या का आधा त्रिज्या ग्रह मंगल है।
• पृथ्वी के चारों ओर एक भू-समकालिक कक्षा पृथ्वी के त्रिज्या का लगभग 6.5 गुना है।
• पृथ्वी से चाँद की दूरी लगभग 60 गुना पृथ्वी के त्रिज्या के बराबर है।

खगोलिक इकाई (AU): पृथ्वी से सूर्य की औसत दूरी को खगोलिक इकाई कहा जाता है, जो लगभग 1.5 × 10¹¹ मीटर है। सौर प्रणाली के भीतर की दूरियों को अक्सर खगोलिक इकाइयों में व्यक्त किया जाता है। उदाहरण के लिए:

• सूर्य से मंगल की दूरी लगभग 1.5 AU है।
• सूर्य से बृहस्पति की दूरी लगभग 5.2 AU है।
• सूर्य से प्लूटो की दूरी लगभग 40 AU है।
• सूर्य के निकटतम तारे, प्रॉक्सिमा सेंटॉरी, पृथ्वी से लगभग 270,000 AU दूर है।

तरंगें

यांत्रिक तरंगें यात्रा करने के लिए एक माध्यम की आवश्यकता होती है। इन तरंगों को आगे वर्गीकृत किया जा सकता है:

• अनुदैर्ध्य तरंगें: इन तरंगों में माध्यम तरंग की दिशा के समानांतर चलता है। एक उदाहरण ध्वनि तरंग है, जहाँ वायु कण तरंग की दिशा में आगे-पीछे कंपन करते हैं।
• तिर्यक तरंगें: इन तरंगों में माध्यम तरंग की दिशा के प्रति लंबवत चलता है। उदाहरण के लिए, जब आप तालाब में एक पत्थर गिराते हैं, तब जो तरंगें बनती हैं, वे तिर्यक तरंगें होती हैं।
• सतही तरंगें: ये तरंगें तिर्यक और अनुदैर्ध्य तरंगों का संयोजन होती हैं। उदाहरण के लिए, महासागर की सतह पर दिखने वाली तरंगें हैं, जहाँ पानी ऊपर-नीचे और आगे-पीछे दोनों दिशा में चलता है।
• विद्युत्-चुंबकीय तरंगें: यांत्रिक तरंगों के विपरीत, विद्युत्-चुंबकीय तरंगों को यात्रा करने के लिए किसी माध्यम की आवश्यकता नहीं होती। उदाहरणों में प्रकाश तरंगें, रेडियो तरंगें, और माइक्रोवेव शामिल हैं। ये तरंगें एक वैक्यूम, जैसे अंतरिक्ष में यात्रा कर सकती हैं।
• पदार्थ तरंगें: ये तरंगें पदार्थ के कणों, जैसे इलेक्ट्रॉनों और परमाणुओं से संबंधित होती हैं। पदार्थ तरंगें क्वांटम यांत्रिकी में एक मौलिक अवधारणा हैं, जहाँ कण तरंग जैसी व्यवहार करते हैं। उदाहरण के लिए, एक परमाणु में एक इलेक्ट्रॉन को एक पदार्थ तरंग के रूप में वर्णित किया जा सकता है, जिसके पास विशिष्ट तरंगदैर्ध्य और आवृत्ति होती है।

क्रीस्ट और ट्रॉफ: एक तरंग में, क्रीस्ट अधिकतम सकारात्मक विस्थापन का बिंदु होता है, जबकि ट्रॉफ अधिकतम नकारात्मक विस्थापन का बिंदु होता है। दो लगातार क्रीस्ट या ट्रॉफ के बीच की दूरी को तरंगदैर्ध्य कहा जाता है।