GUJCET 2021 Physics Question Paper with Answer and Solution in Hindi

27 QuestionsHindiWith Solutions

PhysicsQ127 of 27 questions

Page 1 of 1 · Hindi

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$L=2 \ H, C=18 \ \mu F$ और $R=10 \ \Omega$ वाले श्रेणी $LCR$ परिपथ के लिए,इस परिपथ का $Q$ कारक (गुणवत्ता कारक) क्या है?
A
$55.55$
B
$44.44$
C
$22.22$
D
$33.33$

Solution

(D) श्रेणी $LCR$ परिपथ के लिए $Q$ कारक का सूत्र इस प्रकार है:
$Q = \frac{1}{R} \sqrt{\frac{L}{C}}$
दिए गए मान $L = 2 \ H$,$C = 18 \ \mu F = 18 \times 10^{-6} \ F$ और $R = 10 \ \Omega$ हैं।
इन मानों को सूत्र में रखने पर:
$Q = \frac{1}{10} \sqrt{\frac{2}{18 \times 10^{-6}}}$
$Q = \frac{1}{10} \sqrt{\frac{1}{9 \times 10^{-6}}}$
$Q = \frac{1}{10} \times \frac{1}{3 \times 10^{-3}}$
$Q = \frac{1}{10} \times \frac{1000}{3}$
$Q = \frac{100}{3} \approx 33.33$
अतः,सही विकल्प $D$ है।
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एक $LCR$ श्रेणी $AC$ परिपथ के लिए $L = 25 \, mH$, $R = 3 \, \Omega$ और $C = 62.5 \, \mu F$ है। स्रोत की वह आवृत्ति क्या है जिस पर अनुनाद (resonance) होता है ($Hz$ में)?
A
$35.40$
B
$100$
C
$127.39$
D
$21$

Solution

(C) $LCR$ श्रेणी परिपथ के लिए अनुनाद आवृत्ति $v_{0}$ का सूत्र इस प्रकार है:
$v_{0} = \frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}$
दिए गए मान $L = 25 \times 10^{-3} \, H$, $C = 62.5 \times 10^{-6} \, F$ हैं।
सूत्र में इन मानों को रखने पर:
$v_{0} = \frac{1}{2 \times 3.14159 \times \sqrt{25 \times 10^{-3} \times 62.5 \times 10^{-6}}}$
$v_{0} = \frac{1}{2 \times 3.14159 \times \sqrt{1562.5 \times 10^{-9}}}$
$v_{0} = \frac{1}{2 \times 3.14159 \times \sqrt{1.5625 \times 10^{-6}}}$
$v_{0} = \frac{1}{2 \times 3.14159 \times 1.25 \times 10^{-3}}$
$v_{0} = \frac{1}{7.85398 \times 10^{-3}}$
$v_{0} \approx 127.39 \, Hz$
अतः, सही विकल्प $C$ है।
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एक $50 \mu F$ संधारित्र को $110 V, 60 Hz$ की $AC$ आपूर्ति से जोड़ा गया है। परिपथ में धारा का rms मान ज्ञात कीजिए। ($A$ में)
A
$2.5$
B
$3.8$
C
$5.2$
D
$2.1$

Solution

(D) दिया गया है: धारिता $C = 50 \mu F = 50 \times 10^{-6} F$,वोल्टेज $V_{rms} = 110 V$,आवृत्ति $\nu = 60 Hz$.
सबसे पहले,$X_C = \frac{1}{2 \pi \nu C}$ सूत्र का उपयोग करके धारितीय प्रतिघात $X_C$ की गणना करें।
$X_C = \frac{1}{2 \times 3.1416 \times 60 \times 50 \times 10^{-6}} \approx 53.05 \Omega$.
rms धारा $I_{rms}$ का मान $I_{rms} = \frac{V_{rms}}{X_C}$ द्वारा प्राप्त होता है।
$I_{rms} = \frac{110}{53.05} \approx 2.07 A$.
एक दशमलव स्थान तक पूर्णांकित करने पर,हमें $I_{rms} = 2.1 A$ प्राप्त होता है।
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हाइड्रोजन परमाणु की सबसे आंतरिक इलेक्ट्रॉन कक्षा की त्रिज्या $5.3 \times 10^{-11} \ m$ है। $n=4$ अवस्था के लिए त्रिज्या क्या होगी?
A
$8.48 \times 10^{-10} \ m$
B
$4.24 \times 10^{-10} \ m$
C
$2.12 \times 10^{-10} \ m$
D
$10.6 \times 10^{-10} \ m$

Solution

(A) हाइड्रोजन जैसे परमाणु में इलेक्ट्रॉन कक्षा की त्रिज्या का सूत्र: $r_n = n^2 a_0$ है,जहाँ $n$ मुख्य क्वांटम संख्या है और $a_0$ बोहर त्रिज्या $(5.3 \times 10^{-11} \ m)$ है।
$n=4$ अवस्था के लिए,हम सूत्र में मान रखते हैं:
$r_4 = (4)^2 \times (5.3 \times 10^{-11} \ m)$
$r_4 = 16 \times 5.3 \times 10^{-11} \ m$
$r_4 = 84.8 \times 10^{-11} \ m$
$r_4 = 8.48 \times 10^{-10} \ m$
अतः,सही विकल्प $A$ है।
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हाइड्रोजन परमाणु की मूल अवस्था (ground state) ऊर्जा $-13.6 \text{ eV}$ है। इस अवस्था में इलेक्ट्रॉन की गतिज ऊर्जा क्या है ($\text{ eV}$ में)?
A
$27.2$
B
$-13.6$
C
$13.6$
D
$-27.2$

Solution

(C) हाइड्रोजन परमाणु में इलेक्ट्रॉन की कुल ऊर्जा $E$, उसकी गतिज ऊर्जा $K$ और स्थितिज ऊर्जा $U$ के योग के बराबर होती है।
हाइड्रोजन परमाणु के लिए, कुल ऊर्जा $E$ और गतिज ऊर्जा $K$ के बीच का संबंध $E = -K$ होता है।
दिया गया है कि मूल अवस्था ऊर्जा $E = -13.6 \text{ eV}$ है।
इसलिए, गतिज ऊर्जा $K = -E = -(-13.6 \text{ eV}) = 13.6 \text{ eV}$ होगी।
अतः, सही विकल्प $C$ है।
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एक पोटेंशियोमीटर व्यवस्था में,$1.5 \ V$ emf वाला एक सेल तार की $150 \ cm$ लंबाई पर संतुलन बिंदु देता है। यदि सेल को दूसरे सेल से बदल दिया जाए और संतुलन बिंदु $210 \ cm$ पर स्थानांतरित हो जाए,तो दूसरे सेल का emf क्या है ($V$ में)?
A
$1.2$
B
$4.4$
C
$3.2$
D
$2.1$

Solution

(D) पोटेंशियोमीटर में,सेल का emf $\varepsilon$ तार की संतुलन लंबाई $l$ के सीधे आनुपातिक होता है,जिसे $\varepsilon \propto l$ या $\varepsilon = kl$ द्वारा दर्शाया जाता है,जहाँ $k$ तार का विभव प्रवणता (potential gradient) है।
दो अलग-अलग सेलों के लिए,हमारे पास अनुपात है: $\frac{\varepsilon_1}{\varepsilon_2} = \frac{l_1}{l_2}$.
दिया गया है: $\varepsilon_1 = 1.5 \ V$,$l_1 = 150 \ cm$,और $l_2 = 210 \ cm$.
मान रखने पर: $\frac{1.5}{\varepsilon_2} = \frac{150}{210}$.
$\varepsilon_2$ के लिए हल करने पर: $\varepsilon_2 = \frac{1.5 \times 210}{150}$.
$\varepsilon_2 = \frac{1.5}{150} \times 210 = 0.01 \times 210 = 2.1 \ V$.
अतः,दूसरे सेल का emf $2.1 \ V$ है।
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जैसा कि चित्र में दिखाया गया है,एक चालक तार से विद्युत धारा प्रवाहित हो रही है। बिंदु $A$ पर तार के अनुप्रस्थ काट की त्रिज्या $3r$ है और बिंदु $B$ पर $r$ है। बिंदु $A$ और $B$ पर अपवाह वेग (drift velocity) का अनुपात ज्ञात कीजिए।
Question diagram
A
$3$
B
$\frac{1}{9}$
C
$\frac{1}{3}$
D
$9$

Solution

(B) चालक से प्रवाहित होने वाली विद्युत धारा $I$ का संबंध है: $I = n A v_d e$,जहाँ $n$ इलेक्ट्रॉनों का संख्या घनत्व है,$A$ अनुप्रस्थ काट का क्षेत्रफल है,$v_d$ अपवाह वेग है और $e$ इलेक्ट्रॉन का आवेश है।
चूँकि तार में धारा $I$ स्थिर है,इसलिए $v_d = \frac{I}{n A e}$ होगा।
चूँकि $I$,$n$ और $e$ स्थिर हैं,इसलिए $v_d \propto \frac{1}{A}$ होगा।
चूँकि अनुप्रस्थ काट वृत्ताकार है,$A = \pi r^2$,इसलिए $v_d \propto \frac{1}{r^2}$ होगा।
अब,बिंदु $A$ और $B$ पर अपवाह वेग का अनुपात ज्ञात करने पर:
$\frac{(v_d)_A}{(v_d)_B} = \frac{r_B^2}{r_A^2} = \frac{(r)^2}{(3r)^2} = \frac{r^2}{9r^2} = \frac{1}{9}$.
अतः,अनुपात $\frac{1}{9}$ है।
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दो बड़ी,पतली धातु की प्लेटें एक-दूसरे के समानांतर और करीब हैं। उनकी आंतरिक सतहों पर समान चिह्न और $17.7 \times 10^{-22} \ C/m^2$ परिमाण का पृष्ठीय आवेश घनत्व है। दूसरी प्लेट के बाहरी क्षेत्र में विद्युत क्षेत्र $E$ क्या है?
A
$2 \times 10^{-10} \ N/C$
B
$1 \times 10^{-10} \ N/C$
C
$4 \times 10^{-10} \ N/C$
D
शून्य

Solution

(A) पृष्ठीय आवेश घनत्व $\sigma$ वाली एक पतली अनंत शीट के कारण विद्युत क्षेत्र $E = \frac{\sigma}{2\varepsilon_0}$ द्वारा दिया जाता है।
चूंकि दोनों प्लेटों में समान धनात्मक पृष्ठीय आवेश घनत्व $\sigma = 17.7 \times 10^{-22} \ C/m^2$ है,इसलिए दूसरी प्लेट के बाहरी क्षेत्र में दोनों प्लेटों द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र एक ही दिशा में (प्लेटों से दूर) इंगित करते हैं।
अतः,बाहरी क्षेत्र में कुल विद्युत क्षेत्र $E$ दोनों प्लेटों के क्षेत्रों का योग है:
$E = E_1 + E_2 = \frac{\sigma}{2\varepsilon_0} + \frac{\sigma}{2\varepsilon_0} = \frac{\sigma}{\varepsilon_0}$.
यहाँ $\varepsilon_0 = 8.85 \times 10^{-12} \ C^2/(N \cdot m^2)$ लेने पर:
$E = \frac{17.7 \times 10^{-22}}{8.85 \times 10^{-12}} = 2 \times 10^{-10} \ N/C$.
Solution diagram
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एक विद्युत द्विध्रुव (electric dipole) के कारण उसकी अक्ष पर $x$ दूरी $(x \gg a)$ पर और निरक्षीय रेखा (equatorial line) पर $y$ दूरी $(y \gg a)$ पर विद्युत क्षेत्र की तीव्रता समान है। $x$ और $y$ का अनुपात क्या है?
A
$ \sqrt{2} : 1 $
B
$ 1 : \sqrt[3]{2} $
C
$ \sqrt[3]{2} : 1 $
D
$ 1 : 2 $

Solution

(C) एक विद्युत द्विध्रुव के कारण उसकी अक्ष पर $x$ की बड़ी दूरी पर विद्युत क्षेत्र की तीव्रता $E_{\text{axis}} = \frac{2kp}{x^3}$ द्वारा दी जाती है।
एक विद्युत द्विध्रुव के कारण उसकी निरक्षीय रेखा पर $y$ की बड़ी दूरी पर विद्युत क्षेत्र की तीव्रता $E_{\text{equator}} = \frac{kp}{y^3}$ द्वारा दी जाती है।
यह दिया गया है कि परिमाण समान हैं: $E_{\text{axis}} = E_{\text{equator}}$.
सूत्रों को प्रतिस्थापित करने पर: $\frac{2kp}{x^3} = \frac{kp}{y^3}$.
दोनों पक्षों से $kp$ को हटाने पर: $\frac{2}{x^3} = \frac{1}{y^3}$.
पदों को पुनर्व्यवस्थित करने पर: $\frac{x^3}{y^3} = 2$.
दोनों पक्षों का घनमूल लेने पर: $\frac{x}{y} = \sqrt[3]{2} : 1$.
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जैसा कि निम्नलिखित चित्र में दिखाया गया है,एक इलेक्ट्रॉन $2.0 \times 10^4 \ NC^{-1}$ परिमाण के एक समान विद्युत क्षेत्र में $1.5 \ cm$ की दूरी तय करता है। विद्युत क्षेत्र के कारण इलेक्ट्रॉन का त्वरण ज्ञात कीजिए।
Question diagram
A
$1.67 \times 10^{27} \ ms^{-2}$
B
$3.52 \times 10^{15} \ ms^{-2}$
C
$2.90 \times 10^{19} \ ms^{-2}$
D
$6.62 \times 10^{34} \ ms^{-2}$

Solution

(B) विद्युत क्षेत्र $E$ में $e$ आवेश वाले इलेक्ट्रॉन द्वारा अनुभव किया गया बल $F = eE$ द्वारा दिया जाता है।
न्यूटन के गति के दूसरे नियम के अनुसार,$F = ma$,जहाँ $m_e$ इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान है और $a$ इसका त्वरण है।
बल के लिए दोनों व्यंजकों की तुलना करने पर: $ma = eE$।
इसलिए,त्वरण $a = \frac{eE}{m_e}$ है।
दिया गया है:
इलेक्ट्रॉन का आवेश $e = 1.6 \times 10^{-19} \ C$
विद्युत क्षेत्र $E = 2.0 \times 10^4 \ NC^{-1}$
इलेक्ट्रॉन का द्रव्यमान $m_e = 9.1 \times 10^{-31} \ kg$
मान रखने पर:
$a = \frac{(1.6 \times 10^{-19} \ C) \times (2.0 \times 10^4 \ NC^{-1})}{9.1 \times 10^{-31} \ kg}$
$a = \frac{3.2 \times 10^{-15}}{9.1 \times 10^{-31}} \ ms^{-2}$
$a \approx 0.3516 \times 10^{16} \ ms^{-2}$
$a \approx 3.52 \times 10^{15} \ ms^{-2}$.
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पास-पास रखी कुंडलियों के एक युग्म का अन्योन्य प्रेरकत्व $1.5 \ H$ है। यदि एक कुंडली में धारा $0.5 \ s$ में $0$ से $20 \ A$ तक बदलती है,तो दूसरी कुंडली के साथ फ्लक्स लिंकेज में परिवर्तन क्या होगा ($Wb$ में)?
A
$45$
B
$30$
C
$15$
D
$60$

Solution

(B) पास की कुंडली में धारा $I$ के कारण दूसरी कुंडली में फ्लक्स लिंकेज $\phi$ को $\phi = M I$ द्वारा दिया जाता है,जहाँ $M$ अन्योन्य प्रेरकत्व है।
फ्लक्स लिंकेज में परिवर्तन $\Delta \phi$ इस प्रकार है:
$\Delta \phi = M \Delta I$
दिया गया है:
अन्योन्य प्रेरकत्व $M = 1.5 \ H$
धारा में परिवर्तन $\Delta I = I_{final} - I_{initial} = 20 \ A - 0 \ A = 20 \ A$
मान रखने पर:
$\Delta \phi = 1.5 \times 20$
$\Delta \phi = 30 \ Wb$
अतः,फ्लक्स लिंकेज में परिवर्तन $30 \ Wb$ है।
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$l$ लंबाई और $A$ अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल वाले परिनालिका का स्व-प्रेरकत्व $L$ . . . . . . बढ़ता है (यहाँ फेरों की संख्या $N$ निश्चित है)।
A
$l$ बढ़ता है और $A$ घटता है।
B
$l$ घटता है और $A$ बढ़ता है।
C
$l$ और $A$ दोनों बढ़ते हैं।
D
$l$ और $A$ दोनों घटते हैं।

Solution

(B) परिनालिका के स्व-प्रेरकत्व $L$ का सूत्र $L = \frac{\mu_0 N^2 A}{l}$ होता है।
इस व्यंजक से,हम देख सकते हैं कि $L \propto \frac{A}{l}$ है।
स्व-प्रेरकत्व $L$ को बढ़ाने के लिए,अंश $A$ (अनुप्रस्थ काट क्षेत्रफल) को बढ़ना चाहिए और हर $l$ (परिनालिका की लंबाई) को घटना चाहिए।
अतः,सही विकल्प $B$ है।
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एक लंबी धारावाही परिनालिका के अंदर चुंबकीय क्षेत्र $0.6 \ T$ है। तो प्रति इकाई आयतन चुंबकीय ऊर्जा . . . . . . है।
A
$5.23 \times 10^4 \ J/m^3$
B
$2.86 \times 10^4 \ J/m^3$
C
$1.43 \times 10^5 \ J/m^3$
D
शून्य

Solution

(C) चुंबकीय क्षेत्र में संग्रहीत चुंबकीय ऊर्जा घनत्व $(u)$ का सूत्र निम्नलिखित है:
$u = \frac{B^2}{2\mu_0}$
दिया गया है:
$B = 0.6 \ T$
$\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7} \ T \cdot m/A \approx 12.56 \times 10^{-7} \ T \cdot m/A$
मान रखने पर:
$u = \frac{(0.6)^2}{2 \times 4 \times 3.14 \times 10^{-7}}$
$u = \frac{0.36}{25.12 \times 10^{-7}}$
$u = \frac{0.36}{2.512 \times 10^{-6}}$
$u \approx 0.1433 \times 10^6 \ J/m^3$
$u = 1.43 \times 10^5 \ J/m^3$
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$25 \text{ MHz}$ आवृत्ति वाली एक समतल विद्युतचुंबकीय तरंग मुक्त आकाश में $X$-दिशा में यात्रा करती है। अंतरिक्ष और समय के एक विशेष बिंदु पर,चुंबकीय क्षेत्र $\overrightarrow{B} = 2.1 \times 10^{-8} \hat{k} \text{ T}$ है। इस बिंदु पर विद्युत क्षेत्र $\overrightarrow{E}$ ज्ञात कीजिए।
A
$-2.1 \hat{j} \text{ Vm}^{-1}$
B
$6.3 \hat{j} \text{ Vm}^{-1}$
C
$4.2 \hat{j} \text{ Vm}^{-1}$
D
$-3.2 \hat{j} \text{ Vm}^{-1}$

Solution

(B) विद्युतचुंबकीय तरंग में विद्युत क्षेत्र $(E)$ और चुंबकीय क्षेत्र $(B)$ के परिमाण के बीच का संबंध $E = cB$ द्वारा दिया जाता है,जहाँ $c$ मुक्त आकाश में प्रकाश की गति है $(c = 3 \times 10^8 \text{ ms}^{-1})$.
दिए गए मानों को रखने पर: $E = (3 \times 10^8 \text{ ms}^{-1}) \times (2.1 \times 10^{-8} \text{ T}) = 6.3 \text{ Vm}^{-1}$.
विद्युतचुंबकीय तरंग के प्रसार की दिशा $\overrightarrow{E} \times \overrightarrow{B}$ सदिश की दिशा द्वारा दी जाती है।
यह दिया गया है कि तरंग $X$-दिशा $(\hat{i})$ में यात्रा करती है और $\overrightarrow{B}$,$Z$-दिशा $(\hat{k})$ में है,इसलिए $\overrightarrow{E} \times \hat{k} = \hat{i}$ होगा।
चूंकि $\hat{j} \times \hat{k} = \hat{i}$,इसलिए विद्युत क्षेत्र $\overrightarrow{E}$ को $Y$-दिशा $(\hat{j})$ में होना चाहिए।
अतः,$\overrightarrow{E} = 6.3 \hat{j} \text{ Vm}^{-1}$।
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$FM$ (फ्रीक्वेंसी मॉड्यूलेटेड) बैंड के लिए रेडियो फ्रीक्वेंसी बैंड की रेंज क्या है?
A
$500 \text{ kHz}$ से $1000 \text{ MHz}$
B
$54 \text{ MHz}$ से $890 \text{ MHz}$
C
$530 \text{ kHz}$ से $1710 \text{ kHz}$
D
$88 \text{ MHz}$ से $108 \text{ MHz}$

Solution

(D) $FM$ (फ्रीक्वेंसी मॉड्यूलेटेड) रेडियो प्रसारण के लिए आवंटित मानक फ्रीक्वेंसी रेंज $88 \text{ MHz}$ से $108 \text{ MHz}$ है।
यह बैंड वेरी हाई फ्रीक्वेंसी $(VHF)$ स्पेक्ट्रम का एक हिस्सा है।
इसलिए,सही विकल्प $D$ है।
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निम्नलिखित में से कौन सा विकल्प ध्रुवीय अणुओं का एक युग्म है?
A
$[HCl, H_2]$
B
$[HCl, H_2O]$
C
$[H_2O, O_2]$
D
$[H_2, O_2]$

Solution

(B) एक ध्रुवीय अणु वह है जिसमें विद्युत ऋणात्मकता के अंतर और असममित आणविक ज्यामिति के कारण स्थायी विद्युत द्विध्रुव आघूर्ण (dipole moment) होता है।
$1$. $HCl$: क्लोरीन,हाइड्रोजन की तुलना में अधिक विद्युत ऋणात्मक है,जिससे द्विध्रुव आघूर्ण उत्पन्न होता है। यह एक ध्रुवीय अणु है।
$2$. $H_2O$: जल के अणु की मुड़ी हुई (bent) ज्यामिति और ऑक्सीजन की उच्च विद्युत ऋणात्मकता के कारण इसमें नेट द्विध्रुव आघूर्ण होता है। यह एक ध्रुवीय अणु है।
$3$. $H_2$ और $O_2$: ये समनाभिकीय द्विपरमाणुक अणु हैं जिनका द्विध्रुव आघूर्ण शून्य होता है। ये अध्रुवीय हैं।
अतः,$[HCl, H_2O]$ युग्म में दोनों ध्रुवीय अणु हैं।
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दिए गए परिपथ के लिए बिंदुओं $A$ और $B$ के बीच तुल्य धारिता ज्ञात कीजिए। (प्रत्येक संधारित्र की धारिता $C = 3 \mu F$ है।) ($\mu F$ में)
Question diagram
A
$3$
B
$2$
C
$1$
D
$4$

Solution

(B) यह परिपथ श्रेणीक्रम में जुड़े दो भागों से बना है।
पहला भाग (बायां): ऊपरी शाखा में $C$ धारिता के दो संधारित्र श्रेणीक्रम में हैं और निचली शाखा में भी दो संधारित्र श्रेणीक्रम में हैं। बीच वाला संधारित्र इन शाखाओं के साथ समांतर क्रम में है।
ऊपरी शाखा की तुल्य धारिता = $C/2$.
निचली शाखा की तुल्य धारिता = $C/2$.
ये दोनों शाखाएं बीच वाले संधारित्र $C$ के साथ समांतर क्रम में हैं।
अतः,$C_{eq1} = C/2 + C/2 + C = 2C$.
दूसरा भाग (दायां): ऊपरी शाखा में $C$ धारिता के दो संधारित्र श्रेणीक्रम में हैं और निचली शाखा में भी दो संधारित्र श्रेणीक्रम में हैं।
ऊपरी शाखा की तुल्य धारिता = $C/2$.
निचली शाखा की तुल्य धारिता = $C/2$.
ये दोनों शाखाएं समांतर क्रम में हैं।
अतः,$C_{eq2} = C/2 + C/2 = C$.
अब,$C_{eq1}$ और $C_{eq2}$ श्रेणीक्रम में हैं।
$C_{eq} = \frac{C_{eq1} \times C_{eq2}}{C_{eq1} + C_{eq2}} = \frac{2C \times C}{2C + C} = \frac{2C^2}{3C} = \frac{2C}{3}$.
दिया गया है $C = 3 \mu F$,इसलिए:
$C_{eq} = \frac{2 \times 3 \mu F}{3} = 2 \mu F$.
Solution diagram
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$5.0 \ cm$ लंबाई वाले छड़ चुंबक के कारण उसके मध्य बिंदु से $75 \ cm$ की दूरी पर निरक्षीय (equatorial) चुंबकीय क्षेत्र का परिमाण क्या है? छड़ चुंबक का चुंबकीय आघूर्ण $0.75 \ A \ m^2$ है।
A
$1.78 \times 10^{-7} \ T$
B
$6.4 \times 10^{-7} \ T$
C
$3.2 \times 10^{-7} \ T$
D
$3.56 \times 10^{-7} \ T$

Solution

(A) एक छोटे छड़ चुंबक की निरक्षीय रेखा पर चुंबकीय क्षेत्र $B$ का सूत्र इस प्रकार है:
$B = \frac{\mu_0}{4\pi} \cdot \frac{m}{r^3}$
दिया गया है:
चुंबकीय आघूर्ण $m = 0.75 \ A \ m^2$
दूरी $r = 75 \ cm = 0.75 \ m$
स्थिरांक $\frac{\mu_0}{4\pi} = 10^{-7} \ T \ m/A$
मान रखने पर:
$B = 10^{-7} \times \frac{0.75}{(0.75)^3}$
$B = 10^{-7} \times \frac{1}{(0.75)^2}$
$B = 10^{-7} \times \frac{1}{0.5625}$
$B \approx 1.78 \times 10^{-7} \ T$
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पृथ्वी की सतह पर किसी निश्चित स्थान पर,पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र का क्षैतिज घटक पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के ऊर्ध्वाधर घटक के समान है। उस स्थान पर नमन कोण (angle of dip) क्या होगा ($^{\circ}$ में)?
A
$60$
B
$45$
C
$30$
D
$90$

Solution

(B) नमन कोण $(I)$ को पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र के ऊर्ध्वाधर घटक $(Z_E)$ और क्षैतिज घटक $(H_E)$ के बीच के संबंध द्वारा परिभाषित किया जाता है:
$\tan I = \frac{Z_E}{H_E}$
यह दिया गया है कि क्षैतिज घटक ऊर्ध्वाधर घटक के बराबर है,इसलिए:
$Z_E = H_E$
इस मान को सूत्र में रखने पर:
$\tan I = \frac{Z_E}{Z_E} = 1$
अतः,नमन कोण है:
$I = \tan^{-1}(1) = 45^{\circ}$
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$r$ त्रिज्या वाले और $I$ धारा ले जाने वाले एक वृत्ताकार लूप के केंद्र पर उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र $B$ है। इस लूप का चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण क्या होगा?
A
$\frac{2 \pi B r^3}{\mu_0}$
B
$\frac{\pi B r^3}{\mu_0}$
C
$\frac{4 \pi B r^3}{\mu_0}$
D
$\frac{\pi B r^3}{4 \mu_0}$

Solution

(A) धारा लूप का चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण $M$ सूत्र $M = I A$ द्वारा दिया जाता है,जहाँ $I$ धारा है और $A$ लूप का क्षेत्रफल है।
$r$ त्रिज्या वाले वृत्ताकार लूप के लिए,क्षेत्रफल $A = \pi r^2$ है।
अतः,$M = I (\pi r^2) \quad \dots(1)$
$I$ धारा ले जाने वाले वृत्ताकार लूप के केंद्र पर चुंबकीय क्षेत्र $B = \frac{\mu_0 I}{2r}$ होता है।
इस सूत्र को $I$ के लिए पुनर्व्यवस्थित करने पर,हमें $I = \frac{2rB}{\mu_0}$ प्राप्त होता है।
$I$ का मान समीकरण $(1)$ में प्रतिस्थापित करने पर:
$M = \left( \frac{2rB}{\mu_0} \right) (\pi r^2)$
$M = \frac{2 \pi B r^3}{\mu_0}$.
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$0.5 \ m$ लंबाई वाले एक परिनालिका (solenoid) की त्रिज्या $1 \ cm$ है और इसमें $1000$ फेरे हैं। इसमें $10 \ A$ की धारा प्रवाहित हो रही है। परिनालिका के अंदर चुंबकीय क्षेत्र का परिमाण क्या है?
A
$2.51 \times 10^{-2} \ T$
B
$1.71 \times 10^{-2} \ T$
C
$6.28 \times 10^{-3} \ T$
D
$7.23 \times 10^{-3} \ T$

Solution

(A) एक लंबी परिनालिका के अंदर चुंबकीय क्षेत्र $B$ का सूत्र है: $B = \mu_0 n I$,जहाँ $n = \frac{N}{l}$ प्रति इकाई लंबाई में फेरों की संख्या है।
दिया गया है:
लंबाई $l = 0.5 \ m$
फेरों की संख्या $N = 1000$
धारा $I = 10 \ A$
निर्वात की पारगम्यता $\mu_0 = 4\pi \times 10^{-7} \ T \cdot m/A$
मान रखने पर:
$n = \frac{1000}{0.5} = 2000 \ turns/m$
$B = (4\pi \times 10^{-7}) \times 2000 \times 10$
$B = 8\pi \times 10^{-3} \ T$
$B \approx 25.12 \times 10^{-3} \ T = 2.51 \times 10^{-2} \ T$.
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किसी निश्चित स्थान पर पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र का क्षैतिज घटक $3.0 \times 10^{-5} \text{ T}$ है और क्षेत्र की दिशा भौगोलिक दक्षिण से भौगोलिक उत्तर की ओर है। एक लंबे सीधे चालक में $2 \text{ A}$ की स्थिर धारा प्रवाहित हो रही है। जब इसे एक क्षैतिज मेज पर रखा जाता है और धारा की दिशा पूर्व से पश्चिम की ओर होती है,तो प्रति इकाई लंबाई पर लगने वाला बल क्या है?
A
$9 \times 10^{-5} \text{ N/m}$
B
$6 \times 10^{-5} \text{ N/m}$
C
$3 \times 10^{-5} \text{ N/m}$
D
$2 \times 10^{-5} \text{ N/m}$

Solution

(B) धारावाही चालक पर लगने वाला चुंबकीय बल $F = i l B \sin(\theta)$ सूत्र द्वारा दिया जाता है।
यहाँ,धारा $i = 2 \text{ A}$,चुंबकीय क्षेत्र $B = 3.0 \times 10^{-5} \text{ T}$,और धारा (पूर्व-पश्चिम) तथा चुंबकीय क्षेत्र (दक्षिण-उत्तर) के बीच का कोण $\theta = 90^\circ$ है।
चूंकि $\sin(90^\circ) = 1$,इसलिए प्रति इकाई लंबाई पर बल:
$\frac{F}{l} = i B \sin(90^\circ)$
$\frac{F}{l} = 2 \times 3.0 \times 10^{-5} \times 1$
$\frac{F}{l} = 6 \times 10^{-5} \text{ N/m}$.
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एक टैंक में $16 \text{ cm}$ की ऊँचाई तक पानी भरा है। सूक्ष्मदर्शी (microscope) द्वारा मापी गई टैंक के तल पर पड़ी सुई की आभासी गहराई ज्ञात कीजिए। पानी का अपवर्तनांक $(\mu_{w}) = \frac{4}{3}$ है। ($\text{ cm}$ में)
A
$8.0$
B
$10.6$
C
$12.0$
D
$9.4$

Solution

(C) आभासी गहराई के लिए सूत्र इस प्रकार है:
$\mu = \frac{\text{वास्तविक गहराई}}{\text{आभासी गहराई}}$
दिया गया है:
वास्तविक गहराई $(h_2) = 16 \text{ cm}$
अपवर्तनांक $(\mu) = \frac{4}{3}$
माना आभासी गहराई $h_1$ है।
सूत्र में मान रखने पर:
$\frac{4}{3} = \frac{16}{h_1}$
$h_1 = \frac{16 \times 3}{4}$
$h_1 = 4 \times 3 = 12 \text{ cm}$
अतः, सुई की आभासी गहराई $12.0 \text{ cm}$ है।
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संपर्क में रखे गए दो उत्तल लेंसों के संयोजन की समतुल्य फोकस दूरी ज्ञात कीजिए,यदि दोनों की फोकस दूरी $30 \ cm$ है। ($cm$ में)
A
$40$
B
$20$
C
$30$
D
$15$

Solution

(D) संपर्क में रखे गए दो पतले लेंसों की समतुल्य फोकस दूरी $f$ का सूत्र इस प्रकार है:
$\frac{1}{f} = \frac{1}{f_1} + \frac{1}{f_2}$
चूंकि दोनों लेंस उत्तल हैं और उनकी फोकस दूरियां $f_1 = 30 \ cm$ और $f_2 = 30 \ cm$ हैं:
$\frac{1}{f} = \frac{1}{30} + \frac{1}{30}$
$\frac{1}{f} = \frac{2}{30} = \frac{1}{15}$
अतः,$f = 15 \ cm$.
सही विकल्प $D$ है।
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एक द्वि-उत्तल लेंस की वक्रता त्रिज्याएँ $10 \ cm$ और $15 \ cm$ हैं। इसकी फोकस दूरी $12 \ cm$ है। लेंस के पदार्थ का अपवर्तनांक क्या है?
A
$2.42$
B
$1.5$
C
$1.62$
D
$1.33$

Solution

(B) लेंस मेकर सूत्र का उपयोग करते हुए:
$\frac{1}{f} = (\mu - 1) \left( \frac{1}{R_1} - \frac{1}{R_2} \right)$
दिया गया है:
$f = 12 \ cm$,$R_1 = 10 \ cm$,$R_2 = -15 \ cm$ (द्वि-उत्तल लेंस के लिए,चिह्न परिपाटी के अनुसार दूसरी सतह की वक्रता त्रिज्या ऋणात्मक ली जाती है)।
मान रखने पर:
$\frac{1}{12} = (\mu - 1) \left( \frac{1}{10} - \frac{1}{-15} \right)$
$\frac{1}{12} = (\mu - 1) \left( \frac{1}{10} + \frac{1}{15} \right)$
$\frac{1}{12} = (\mu - 1) \left( \frac{3 + 2}{30} \right)$
$\frac{1}{12} = (\mu - 1) \times \frac{5}{30}$
$\frac{1}{12} = (\mu - 1) \times \frac{1}{6}$
$\frac{6}{12} = \mu - 1$
$0.5 = \mu - 1$
$\mu = 1.5$
अतः,लेंस के पदार्थ का अपवर्तनांक $1.5$ है।
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हवा में रखे $\mu$ अपवर्तनांक वाले एक कांच के प्रिज्म के लिए,यदि प्रिज्म का न्यूनतम विचलन कोण,प्रिज्म के कोण के बराबर है,तो प्रिज्म के कोण का मान क्या है?
A
$\cos ^{-1}(\mu)$
B
$\cos ^{-1}\left(\frac{\mu}{2}\right)$
C
$2 \cos ^{-1}(\mu)$
D
$2 \cos ^{-1}\left(\frac{\mu}{2}\right)$

Solution

(D) प्रिज्म के अपवर्तनांक का सूत्र $\mu = \frac{\sin \left(\frac{A+D_m}{2}\right)}{\sin \frac{A}{2}}$ है,जहाँ $A$ प्रिज्म का कोण है और $D_m$ न्यूनतम विचलन कोण है।
दिया गया है कि $D_m = A$,इसलिए सूत्र में मान रखने पर:
$\mu = \frac{\sin \left(\frac{A+A}{2}\right)}{\sin \frac{A}{2}}$
$\mu = \frac{\sin A}{\sin \frac{A}{2}}$
त्रिकोणमितीय सर्वसमिका $\sin A = 2 \sin \frac{A}{2} \cos \frac{A}{2}$ का उपयोग करने पर:
$\mu = \frac{2 \sin \frac{A}{2} \cos \frac{A}{2}}{\sin \frac{A}{2}}$
$\mu = 2 \cos \frac{A}{2}$
$\frac{\mu}{2} = \cos \frac{A}{2}$
$\frac{A}{2} = \cos ^{-1}\left(\frac{\mu}{2}\right)$
$A = 2 \cos ^{-1}\left(\frac{\mu}{2}\right)$
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यंग के द्वि-स्लिट प्रयोग में $500 \, nm$ तरंगदैर्ध्य के प्रकाश का उपयोग किया जाता है। स्लिट और पर्दे के बीच की दूरी $100 \, cm$ है और स्लिट्स के बीच की दूरी $1 \, mm$ है। तो पांचवीं $(5^{th})$ और तीसरी $(3^{rd})$ दीप्त फ्रिंज के बीच की दूरी ज्ञात कीजिए। ($mm$ में)
A
$3$
B
$2$
C
$1$
D
$4$

Solution

(C) यंग के द्वि-स्लिट प्रयोग में $n^{th}$ दीप्त फ्रिंज की स्थिति $y_n = \frac{n \lambda D}{d}$ द्वारा दी जाती है।
दिया गया है:
$\lambda = 500 \, nm = 500 \times 10^{-9} \, m = 5 \times 10^{-7} \, m$
$D = 100 \, cm = 1 \, m$
$d = 1 \, mm = 10^{-3} \, m$
पांचवीं $(n=5)$ और तीसरी $(n=3)$ दीप्त फ्रिंज के बीच की दूरी $\Delta y = y_5 - y_3$ है।
$\Delta y = \frac{5 \lambda D}{d} - \frac{3 \lambda D}{d} = \frac{2 \lambda D}{d}$.
मान रखने पर:
$\Delta y = \frac{2 \times (5 \times 10^{-7} \, m) \times (1 \, m)}{10^{-3} \, m}$.
$\Delta y = 10 \times 10^{-4} \, m = 10^{-3} \, m$.
$\Delta y = 1 \, mm$.

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