WBJEE 2018 Physics Question Paper with Answer and Solution in Hindi

38 QuestionsHindiWith Solutions

PhysicsQ138 of 38 questions

Page 1 of 1 · Hindi

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PhysicsMediumMCQWBJEE · 2018
दो ग्रहों की सतहों पर गुरुत्वीय त्वरण का अनुपात $g_{1}:g_{2} = 5:2$ है और उनके औसत घनत्व का अनुपात $\rho_{1}:\rho_{2} = 2:1$ है। ग्रहों की सतह से पलायन वेग का अनुपात $v_{1}:v_{2}$ क्या होगा?
A
$5:2$
B
$\sqrt{5}:\sqrt{2}$
C
$5:2\sqrt{2}$
D
$25:4$

Solution

(C) किसी ग्रह की सतह से पलायन वेग $v_{e} = \sqrt{\frac{2GM}{R}}$ द्वारा दिया जाता है।
चूंकि $g = \frac{GM}{R^{2}}$,इसलिए $v_{e} = \sqrt{2gR}$ होता है।
गुरुत्वीय त्वरण $g = \frac{GM}{R^{2}} = \frac{G}{R^{2}} \cdot \frac{4}{3}\pi R^{3}\rho = \frac{4}{3}G\pi R\rho$ है।
अतः,त्रिज्या $R$ का मान $\frac{g}{\rho}$ के समानुपाती है,यानी $R \propto \frac{g}{\rho}$।
इसे $v_{e}$ के व्यंजक में प्रतिस्थापित करने पर:
$v_{e} = \sqrt{2g \cdot \left(\frac{3g}{4\pi G\rho}\right)} = \sqrt{\frac{3g^{2}}{2\pi G\rho}} \propto \frac{g}{\sqrt{\rho}}$।
दिया गया है कि $\frac{g_{1}}{g_{2}} = \frac{5}{2}$ और $\frac{\rho_{1}}{\rho_{2}} = \frac{2}{1}$,अतः पलायन वेग का अनुपात:
$\frac{v_{1}}{v_{2}} = \frac{g_{1}}{g_{2}} \cdot \sqrt{\frac{\rho_{2}}{\rho_{1}}} = \frac{5}{2} \cdot \sqrt{\frac{1}{2}} = \frac{5}{2\sqrt{2}}$।
अतः,अनुपात $5:2\sqrt{2}$ है।
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एक मोल एकपरमाणुक (monoatomic) आदर्श गैस एक अर्धस्थैतिक (quasistatic) प्रक्रिया से गुजरती है,जिसे $V-T$ आरेख में $(V_{0}, T_{0})$ और $(2 V_{0}, 3 T_{0})$ बिंदुओं को जोड़ने वाली एक सीधी रेखा द्वारा दर्शाया गया है। $(V_{0}, T_{0})$ बिंदु पर गैस की ऊष्मा धारिता का मान क्या है?
A
$R$
B
$\frac{3}{2} R$
C
$2 R$
D
$0$

Solution

(C) किसी प्रक्रिया के लिए,मोलर ऊष्मा धारिता $C = C_{V} + \frac{P}{n} \frac{dV}{dT}$ द्वारा दी जाती है।
एकपरमाणुक गैस के लिए,$C_{V} = \frac{3}{2} R$ है।
यह प्रक्रिया $V-T$ आरेख में एक सीधी रेखा है जो $(V_{0}, T_{0})$ और $(2V_{0}, 3T_{0})$ से होकर गुजरती है।
रेखा का समीकरण $V - V_{0} = \frac{2V_{0} - V_{0}}{3T_{0} - T_{0}} (T - T_{0}) = \frac{V_{0}}{2T_{0}} (T - T_{0})$ है।
अतः,$\frac{dV}{dT} = \frac{V_{0}}{2T_{0}}$ है।
आदर्श गैस नियम $PV = nRT$ का उपयोग करने पर,$P = \frac{nRT}{V}$ प्राप्त होता है।
$(V_{0}, T_{0})$ बिंदु पर,$P = \frac{nRT_{0}}{V_{0}}$ है।
इन मानों को ऊष्मा धारिता के सूत्र में रखने पर:
$C = \frac{3}{2} R + \left( \frac{nRT_{0}}{V_{0}} \right) \frac{1}{n} \left( \frac{V_{0}}{2T_{0}} \right) = \frac{3}{2} R + \frac{R}{2} = 2R$।
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$m_{2}$ द्रव्यमान का एक ब्लॉक एक क्षैतिज मेज पर रखा गया है और इसके ऊपर $m_{1}$ द्रव्यमान का एक अन्य ब्लॉक रखा गया है। ऊपरी ब्लॉक पर एक बढ़ता हुआ क्षैतिज बल $F=\alpha t$ लगाया जाता है,लेकिन परिणामस्वरूप निचला ब्लॉक कभी नहीं हिलता है। यदि ब्लॉकों के बीच घर्षण गुणांक $\mu_{1}$ है और निचले ब्लॉक तथा मेज के बीच घर्षण गुणांक $\mu_{2}$ है,तो $\mu_{1} / \mu_{2}$ का अधिकतम संभव मान क्या है?
A
$\frac{m_{2}}{m_{1}}$
B
$1+\frac{m_{2}}{m_{1}}$
C
$\frac{m_{1}}{m_{2}}$
D
$1+\frac{m_{1}}{m_{2}}$

Solution

(B) मान लीजिए $N_{1}$ दो ब्लॉकों के बीच अभिलंब बल है और $N_{2}$ निचले ब्लॉक और मेज के बीच अभिलंब बल है।
$m_{1}$ द्रव्यमान के ऊपरी ब्लॉक के लिए,अभिलंब बल $N_{1} = m_{1}g$ है।
$m_{2}$ द्रव्यमान के निचले ब्लॉक के लिए,कुल नीचे की ओर बल $N_{2} = m_{2}g + N_{1} = (m_{1} + m_{2})g$ है।
ऊपरी ब्लॉक पर क्षैतिज बल $F$ निचले ब्लॉक पर घर्षण बल $f_{1}$ उत्पन्न करता है,जहाँ $f_{1} \leq \mu_{1}N_{1} = \mu_{1}m_{1}g$ है।
निचले ब्लॉक के कभी न हिलने के लिए,मेज से लगने वाला अधिकतम स्थैतिक घर्षण बल,ऊपरी ब्लॉक द्वारा निचले ब्लॉक पर लगाए गए अधिकतम घर्षण बल से अधिक या उसके बराबर होना चाहिए।
अतः,$\mu_{2}N_{2} \geq \mu_{1}N_{1}$।
मान रखने पर,$\mu_{2}(m_{1} + m_{2})g \geq \mu_{1}m_{1}g$।
दोनों पक्षों को $\mu_{2}m_{1}g$ से विभाजित करने पर,हमें $\frac{m_{1} + m_{2}}{m_{1}} \geq \frac{\mu_{1}}{\mu_{2}}$ प्राप्त होता है।
इसलिए,$\frac{\mu_{1}}{\mu_{2}} \leq 1 + \frac{m_{2}}{m_{1}}$।
अधिकतम संभव मान $1 + \frac{m_{2}}{m_{1}}$ है।
Solution diagram
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एक कण का वेग $(v)$ (बल $F$ के अधीन) मूल बिंदु से उसकी दूरी $(x)$ पर (जहाँ $x > 0$) $v \propto \frac{1}{\sqrt{x}}$ के रूप में निर्भर करता है। कण पर लगने वाले बल $(F)$ का परिमाण $x$ पर किस प्रकार निर्भर करता है,ज्ञात कीजिए।
A
$F \propto \frac{1}{x^{3/2}}$
B
$F \propto \frac{1}{x}$
C
$F \propto \frac{1}{x^2}$
D
$F \propto \frac{1}{x^3}$

Solution

(C) दिया गया है,$v = \frac{k}{\sqrt{x}} = k x^{-1/2}$,जहाँ $k$ एक नियतांक है।
त्वरण $a = \frac{dv}{dt} = \frac{dv}{dx} \cdot \frac{dx}{dt} = v \frac{dv}{dx}$.
सबसे पहले,$\frac{dv}{dx}$ ज्ञात करें:
$\frac{dv}{dx} = k \cdot (-\frac{1}{2}) x^{-3/2} = -\frac{k}{2x^{3/2}}$.
अब,$v$ और $\frac{dv}{dx}$ का मान त्वरण के सूत्र में रखने पर:
$a = (k x^{-1/2}) \cdot (-\frac{k}{2x^{3/2}}) = -\frac{k^2}{2x^2}$.
न्यूटन के गति के दूसरे नियम के अनुसार,$F = ma$.
बल का परिमाण $F = |ma| = m \cdot \frac{k^2}{2x^2}$ है।
चूँकि $m$ और $k$ नियतांक हैं,इसलिए $F \propto \frac{1}{x^2}$ प्राप्त होता है।
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$1.8 \times 10^{-3} \ m$ व्यास वाली वर्षा की बूंद का अनुमानित टर्मिनल वेग क्या होगा,जब वर्षा के पानी का घनत्व $\approx 10^{3} \ kg \ m^{-3}$ और हवा का श्यानता गुणांक $\approx 1.8 \times 10^{-5} \ N \ s \ m^{-2}$ हो ($m \ s^{-1}$ में)? (हवा के उत्प्लावन बल की उपेक्षा करें)
A
$49$
B
$98$
C
$392$
D
$980$

Solution

(B) टर्मिनल वेग $v$ का सूत्र $v = \frac{2}{9} r^{2} \frac{(\rho - \sigma)}{\eta} g$ है।
हवा के उत्प्लावन प्रभाव की उपेक्षा करते हुए,हम $\sigma \approx 0$ लेते हैं।
सूत्र $v = \frac{2}{9} \frac{\rho}{\eta} r^{2} g$ में बदल जाता है।
दिया गया है: व्यास $d = 1.8 \times 10^{-3} \ m$,इसलिए त्रिज्या $r = 0.9 \times 10^{-3} \ m$ है।
घनत्व $\rho = 10^{3} \ kg \ m^{-3}$,श्यानता $\eta = 1.8 \times 10^{-5} \ N \ s \ m^{-2}$,और $g = 9.8 \ m \ s^{-2}$ है।
मान रखने पर: $v = \frac{2}{9} \times \frac{10^{3}}{1.8 \times 10^{-5}} \times (0.9 \times 10^{-3})^{2} \times 9.8$.
$v = \frac{2}{9} \times \frac{10^{3}}{1.8 \times 10^{-5}} \times (0.81 \times 10^{-6}) \times 9.8$.
गणना करने पर $v = 98 \ m \ s^{-1}$ प्राप्त होता है।
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एक छड़ (आयताकार अनुप्रस्थ काट वाली) की लंबाई के अनुदिश प्रतिबल उसके पदार्थ के यंग मापांक का $1 \%$ है। इसके आयतन में परिवर्तन का अनुमानित प्रतिशत क्या है ($\%$ में)? (छड़ के पदार्थ का प्वासों अनुपात $0.3$ है।)
A
$3$
B
$1$
C
$0.7$
D
$0.4$

Solution

(D) दिया गया है कि प्रतिबल $\sigma_{s} = \frac{1}{100} Y$,जहाँ $Y$ यंग मापांक है।
हम जानते हैं कि $Y = \frac{\text{प्रतिबल}}{\text{अनुदैर्ध्य विकृति}} = \frac{\sigma_{s}}{\Delta l / l}$.
प्रतिबल का मान रखने पर: $Y = \frac{Y / 100}{\Delta l / l} \implies \frac{\Delta l}{l} = \frac{1}{100} = 0.01$.
प्वासों अनुपात $\nu = -\frac{\Delta w / w}{\Delta l / l} = -\frac{\Delta t / t}{\Delta l / l} = 0.3$.
अतः,पार्श्व विकृति $\frac{\Delta w}{w} = \frac{\Delta t}{t} = -\nu \left( \frac{\Delta l}{l} \right) = -0.3 \times 0.01 = -0.003$.
एक आयताकार छड़ का आयतन $V = l \times w \times t$ होता है।
आयतन में भिन्नात्मक परिवर्तन $\frac{\Delta V}{V} \approx \frac{\Delta l}{l} + \frac{\Delta w}{w} + \frac{\Delta t}{t}$ होता है।
मान रखने पर: $\frac{\Delta V}{V} = 0.01 + (-0.003) + (-0.003) = 0.01 - 0.006 = 0.004$.
इसलिए,आयतन में प्रतिशत परिवर्तन $0.004 \times 100 \% = 0.4 \%$ है।
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PhysicsMediumMCQWBJEE · 2018
सरल आवर्त गति के मामले में,यदि वेग को $X$-अक्ष पर और विस्थापन (साम्यावस्था से) को $Y$-अक्ष पर आलेखित किया जाता है,तो परिणामी वक्र एक दीर्घवृत्त (ellipse) होता है जिसका अनुपात है:
दीर्घ अक्ष (major axis) (along $X$) $= 20 \pi \times$ लघु अक्ष (minor axis) (along $Y$).
सरल आवर्त गति की आवृत्ति क्या है?
A
$100 \ Hz$
B
$20 \ Hz$
C
$10 \ Hz$
D
$\frac{1}{10} \ Hz$

Solution

(C) सरल आवर्त गति के लिए,विस्थापन $y = A \sin(\omega t)$ द्वारा और वेग $v = \frac{dy}{dt} = A \omega \cos(\omega t)$ द्वारा दिया जाता है।
इन्हें पुनर्व्यवस्थित करने पर,हमें $\frac{y}{A} = \sin(\omega t)$ और $\frac{v}{A \omega} = \cos(\omega t)$ प्राप्त होता है।
वर्ग करके जोड़ने पर,हमें $\frac{v^2}{(A \omega)^2} + \frac{y^2}{A^2} = 1$ प्राप्त होता है,जो एक दीर्घवृत्त को दर्शाता है।
$X$-अक्ष (वेग) के अनुदिश दीर्घ अक्ष $2A \omega$ है और $Y$-अक्ष (विस्थापन) के अनुदिश लघु अक्ष $2A$ है।
दीर्घ अक्ष और लघु अक्ष का अनुपात $\frac{2A \omega}{2A} = \omega$ है।
यह दिया गया है कि अनुपात $20 \pi$ है,इसलिए $\omega = 20 \pi$।
चूंकि $\omega = 2 \pi f$,इसलिए $2 \pi f = 20 \pi$।
अतः,$f = 10 \ Hz$।
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$m$ द्रव्यमान का एक लोलक का गोलक,जो $L$ लंबाई की एक अविस्तारणीय डोरी से लटका हुआ है,उस पर $q$ आवेश है। इसके नीचे $\sigma$ समान पृष्ठ आवेश घनत्व वाली एक अनंत क्षैतिज समतल चालक प्लेट रखी गई है। छोटे आयाम के दोलनों के लिए लोलक का आवर्तकाल क्या होगा?
Question diagram
A
$2 \pi \sqrt{\frac{L}{g-\frac{q \sigma}{\varepsilon_{0} m}}}$
B
$2 \pi \sqrt{\frac{L}{g+\frac{q \sigma}{\varepsilon_{0} m}}}$
C
$2 \pi \sqrt{\frac{L}{g-\frac{q \sigma}{2 \varepsilon_{0} m}}}$
D
$2 \pi \sqrt{\frac{L}{g+\frac{q \sigma}{2 \varepsilon_{0} m}}}$

Solution

(C) $\sigma$ पृष्ठ आवेश घनत्व वाली एक अनंत समतल प्लेट द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र $E = \frac{\sigma}{2 \varepsilon_{0}}$ होता है।
चूंकि गोलक पर $q$ आवेश है,यह ऊपर की ओर $F_e = qE = \frac{q \sigma}{2 \varepsilon_{0}}$ का स्थिर-वैद्युत बल अनुभव करता है।
गोलक पर कार्य करने वाला प्रभावी गुरुत्वीय त्वरण $g_{\text{eff}}$ इस प्रकार है: $m g_{\text{eff}} = mg - F_e = mg - \frac{q \sigma}{2 \varepsilon_{0}}$।
अतः,$g_{\text{eff}} = g - \frac{q \sigma}{2 \varepsilon_{0} m}$।
सरल लोलक का आवर्तकाल $T = 2 \pi \sqrt{\frac{L}{g_{\text{eff}}}}$ सूत्र द्वारा दिया जाता है।
$g_{\text{eff}}$ का मान रखने पर,हमें $T = 2 \pi \sqrt{\frac{L}{g - \frac{q \sigma}{2 \varepsilon_{0} m}}}$ प्राप्त होता है।
Solution diagram
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PhysicsDifficultMCQWBJEE · 2018
$\rho_{1}$ घनत्व वाली एक ठोस गोलाकार गेंद और $\rho_{2}$ घनत्व वाली एक खोखली गोलाकार गेंद की बाहरी त्रिज्या $R$ और द्रव्यमान $M$ समान है। उनके केंद्रों से गुजरने वाली अक्ष के परितः खोखले गोले की जड़त्व आघूर्ण और ठोस गोले की जड़त्व आघूर्ण का अनुपात क्या होगा?
A
$\frac{\rho_{2}}{\rho_{1}}\left(1-\frac{\rho_{2}}{\rho_{1}}\right)^{\frac{5}{3}}$
B
$\frac{\rho_{2}}{\rho_{1}}\left[1-\left(1-\frac{\rho_{2}}{\rho_{1}}\right)^{\frac{5}{3}}\right]$
C
$\frac{\rho_{2}}{\rho_{1}}\left(1-\frac{\rho_{1}}{\rho_{2}}\right)^{\frac{5}{3}}$
D
$\frac{\rho_{2}}{\rho_{1}}\left[1-\left(1-\frac{\rho_{1}}{\rho_{2}}\right)^{\frac{5}{3}}\right]$

Solution

(D) मान लीजिए कि दोनों गोलों का द्रव्यमान $M$ है। ठोस गोले के लिए: $M = \rho_{1} \frac{4}{3} \pi R^{3}$.
आंतरिक त्रिज्या $r$ वाले खोखले गोले के लिए: $M = \rho_{2} \frac{4}{3} \pi (R^{3} - r^{3})$.
द्रव्यमानों की तुलना करने पर: $\rho_{1} R^{3} = \rho_{2} (R^{3} - r^{3})$.
इससे $\frac{\rho_{1}}{\rho_{2}} = 1 - \frac{r^{3}}{R^{3}}$ प्राप्त होता है,इसलिए $\frac{r^{3}}{R^{3}} = 1 - \frac{\rho_{1}}{\rho_{2}}$,जिसका अर्थ है कि $\frac{r}{R} = (1 - \frac{\rho_{1}}{\rho_{2}})^{1/3}$.
ठोस गोले का जड़त्व आघूर्ण $I_{S} = \frac{2}{5} M R^{2}$ है।
खोखले गोले का जड़त्व आघूर्ण $I_{H} = \frac{2}{5} M \frac{R^{5} - r^{5}}{R^{3} - r^{3}}$ है।
$M = \rho_{2} \frac{4}{3} \pi (R^{3} - r^{3})$ का उपयोग करने पर,हमें $I_{H} = \frac{2}{5} (\rho_{2} \frac{4}{3} \pi (R^{3} - r^{3})) \frac{R^{5} - r^{5}}{R^{3} - r^{3}} = \frac{2}{5} \rho_{2} \frac{4}{3} \pi (R^{5} - r^{5})$ प्राप्त होता है।
चूंकि $M = \rho_{1} \frac{4}{3} \pi R^{3}$ है,हमारे पास $I_{S} = \frac{2}{5} (\rho_{1} \frac{4}{3} \pi R^{3}) R^{2} = \frac{2}{5} \rho_{1} \frac{4}{3} \pi R^{5}$ है।
अतः,$\frac{I_{H}}{I_{S}} = \frac{\rho_{2} (R^{5} - r^{5})}{\rho_{1} R^{5}} = \frac{\rho_{2}}{\rho_{1}} [1 - (\frac{r}{R})^{5}]$.
$\frac{r}{R} = (1 - \frac{\rho_{1}}{\rho_{2}})^{1/3}$ रखने पर,हमें $\frac{I_{H}}{I_{S}} = \frac{\rho_{2}}{\rho_{1}} [1 - (1 - \frac{\rho_{1}}{\rho_{2}})^{5/3}]$ प्राप्त होता है।
Solution diagram
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एक कैलोरीमीटर का जल तुल्यांक $10 \ g$ है और इसमें $15^{\circ} C$ पर $50 \ g$ पानी है। $-10^{\circ} C$ पर स्थित बर्फ की कुछ मात्रा इसमें डाली जाती है और संतुलन आने तक आधी बर्फ पिघल जाती है। डाली गई बर्फ की प्रारंभिक मात्रा क्या थी ($g$ में)? (बर्फ की विशिष्ट ऊष्मा $= 0.5 \ cal \ g^{-1} {}^{\circ} C^{-1}$,पानी की विशिष्ट ऊष्मा $= 1.0 \ cal \ g^{-1} {}^{\circ} C^{-1}$ और बर्फ की गलन की गुप्त ऊष्मा $= 80 \ cal \ g^{-1}$)
A
$10$
B
$18$
C
$20$
D
$30$

Solution

(C) माना बर्फ का प्रारंभिक द्रव्यमान $m \ g$ है।
कैलोरीमिति के सिद्धांत के अनुसार,दी गई ऊष्मा = ली गई ऊष्मा।
चूंकि आधी बर्फ पिघलती है,इसलिए अंतिम संतुलन तापमान $0^{\circ} C$ है।
पानी और कैलोरीमीटर द्वारा खोई गई ऊष्मा: $Q_{lost} = (50 + 10) \times 1.0 \times (15 - 0) = 60 \times 15 = 900 \ cal$.
बर्फ द्वारा प्राप्त ऊष्मा: बर्फ $-10^{\circ} C$ से $0^{\circ} C$ तक गर्म होती है और फिर आधी बर्फ पिघलती है।
$Q_{gained} = m \times 0.5 \times (0 - (-10)) + (m/2) \times 80 = 5m + 40m = 45m$.
दोनों को बराबर करने पर: $900 = 45m$.
$m = 900 / 45 = 20 \ g$.
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एक आदर्श गैस के लिए जिसका प्रारंभिक दाब और आयतन क्रमशः $p_{i}$ और $V_{i}$ है, एक उत्क्रमणीय समतापीय प्रसार होता है जब तक कि इसका आयतन $V_{0}$ नहीं हो जाता। फिर, इसे एक उत्क्रमणीय रुद्धोष्म प्रक्रिया द्वारा इसके मूल आयतन $V_{i}$ तक संपीड़ित किया जाता है। यदि अंतिम दाब $p_{f}$ है, तो निम्नलिखित में से कौन सा/से कथन सत्य है/हैं?
A
$p_{f}=p_{i}$
B
$p_{f} > p_{i}$
C
$p_{f} < p_{i}$
D
$\frac{p_{f}}{V_{0}}=\frac{p_{i}}{V_{i}}$

Solution

(B) $p-V$ आरेख में, किसी भी बिंदु पर रुद्धोष्म वक्र की ढाल उसी बिंदु पर समतापीय वक्र की ढाल से अधिक तीव्र होती है।
मान लीजिए प्रारंभिक अवस्था $A(p_{i}, V_{i})$ है।
$V_{0}$ आयतन तक उत्क्रमणीय समतापीय प्रसार के दौरान, गैस समतापीय वक्र के अनुदिश अवस्था $B(p_{2}, V_{0})$ तक जाती है, जहाँ $p_{2} < p_{i}$ है।
इसके बाद $V_{0}$ आयतन से मूल आयतन $V_{i}$ तक उत्क्रमणीय रुद्धोष्म संपीड़न के दौरान, गैस रुद्धोष्म वक्र के अनुदिश अवस्था $B(p_{2}, V_{0})$ से अवस्था $C(p_{f}, V_{i})$ तक जाती है।
चूंकि रुद्धोष्म वक्र समतापीय वक्र से अधिक तीव्र होता है, इसलिए $p-V$ तल में $B$ से $C$ का पथ $A$ से $B$ के पथ के ऊपर स्थित होता है।
इसलिए, $V_{i}$ आयतन पर अंतिम दाब $p_{f}$, प्रारंभिक दाब $p_{i}$ से अधिक होना चाहिए।
अतः, $p_{f} > p_{i}$.
Solution diagram
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निम्नलिखित में से कौन सा/से कथन सत्य है/हैं? "एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा ..........."
A
समतापीय प्रक्रिया में घटती है।
B
समतापीय प्रक्रिया में स्थिर रहती है।
C
समदाबी प्रक्रिया में बढ़ती है।
D
समदाबी विस्तार में घटती है।

Solution

(B, C) एक आदर्श गैस की आंतरिक ऊर्जा $(U)$ केवल तापमान $(T)$ का फलन होती है, जिसे $U = f(T)$ द्वारा दर्शाया जाता है।
समतापीय प्रक्रिया में, गैस का तापमान स्थिर रहता है $(\Delta T = 0)$।
चूंकि आंतरिक ऊर्जा केवल तापमान पर निर्भर करती है, इसलिए यह समतापीय प्रक्रिया में स्थिर रहती है।
समदाबी प्रक्रिया में, यदि गैस का विस्तार होता है, तो तापमान बढ़ता है ($PV = nRT$ से, यदि $P$ स्थिर है और $V$ बढ़ता है, तो $T$ को बढ़ना चाहिए), जिससे आंतरिक ऊर्जा में वृद्धि होती है।
अतः, कथन $(B)$ और कथन $(C)$ दोनों सत्य हैं।
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ध्वनि की तीव्रता एक प्रेक्षक को आवर्ती (periodic) प्रतीत होती है। निम्नलिखित में से इसका कारण क्या हो सकता है?
A
स्रोत की तीव्रता आवर्ती है
B
स्रोत प्रेक्षक की ओर गति कर रहा है
C
प्रेक्षक स्रोत से दूर जा रहा है
D
स्रोत दो निकटवर्ती आवृत्तियों से बनी ध्वनि उत्पन्न कर रहा है

Solution

(D) वह घटना जिसमें ध्वनि की तीव्रता समय के साथ आवर्ती रूप से बदलती है,उसे $beats$ (विस्पंद) कहा जाता है।
$Beats$ तब उत्पन्न होते हैं जब थोड़ी अलग आवृत्तियों वाली दो ध्वनि तरंगें,$f_1$ और $f_2$,एक-दूसरे के साथ व्यतिकरण (interference) करती हैं।
परिणामी तीव्रता दोनों आवृत्तियों के अंतर,$|f_1 - f_2|$,के बराबर आवृत्ति के साथ बदलती है।
इसके अतिरिक्त,यदि स्रोत की तीव्रता स्वयं आवर्ती रूप से बदल रही हो,तो प्रेक्षक को तीव्रता में आवर्ती परिवर्तन महसूस होगा।
दिए गए विकल्पों की तुलना करने पर,विकल्प $D$ $beats$ के लिए भौतिक स्थिति का वर्णन करता है,जो आवर्ती तीव्रता परिवर्तन का एक मानक कारण है।
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एक श्रेणी $L-C-R$ परिपथ से प्रत्यावर्ती धारा प्रवाहित हो रही है। यह पाया गया है कि $200 \ Hz$ और $800 \ Hz$ दोनों आवृत्तियों पर धारा का मान $1 \ mA$ तक पहुँच जाता है। परिपथ की अनुनाद आवृत्ति क्या है ($Hz$ में)?
A
$600$
B
$300$
C
$500$
D
$400$

Solution

(D) एक श्रेणी $L-C-R$ परिपथ में,यदि धारा दो अलग-अलग आवृत्तियों $f_1$ और $f_2$ पर समान है,तो ये आवृत्तियाँ अनुनाद आवृत्ति $f_0$ से ज्यामितीय रूप से समान दूरी पर होती हैं।
अनुनाद आवृत्ति $f_0$ उन दो आवृत्तियों के ज्यामितीय माध्य द्वारा दी जाती है जिन पर धारा समान होती है:
$f_0 = \sqrt{f_1 \times f_2}$
दिया गया है:
$f_1 = 200 \ Hz$
$f_2 = 800 \ Hz$
मान रखने पर:
$f_0 = \sqrt{200 \times 800}$
$f_0 = \sqrt{160000}$
$f_0 = 400 \ Hz$
अतः,परिपथ की अनुनाद आवृत्ति $400 \ Hz$ है।
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बोहर कक्षा में एक इलेक्ट्रॉन का रैखिक वेग $v$ उसके मुख्य क्वांटम संख्या $n$ से किस प्रकार संबंधित है?
A
$v \propto \frac{1}{n}$
B
$v \propto \frac{1}{n^{2}}$
C
$v \propto \frac{1}{\sqrt{n}}$
D
$v \propto n$

Solution

(A) हाइड्रोजन जैसे परमाणु की $n$ वीं कक्षा में एक इलेक्ट्रॉन का रैखिक वेग $v$ निम्नलिखित सूत्र द्वारा दिया जाता है:
$v = \frac{Z e^2}{2 \epsilon_0 n h}$
जहाँ $Z$ परमाणु क्रमांक है,$e$ इलेक्ट्रॉन का आवेश है,$\epsilon_0$ मुक्त स्थान की विद्युतशीलता है,$n$ मुख्य क्वांटम संख्या है और $h$ प्लांक नियतांक है।
इस व्यंजक से यह स्पष्ट है कि किसी दिए गए परमाणु के लिए $n$ को छोड़कर सभी पद नियतांक हैं।
इसलिए,संबंध $v \propto \frac{1}{n}$ है।
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एक इलेक्ट्रिक बल्ब,एक संधारित्र (capacitor),एक बैटरी और एक स्विच को एक परिपथ में श्रेणीक्रम में जोड़ा गया है। स्विच चालू करने पर प्रकाश की तीव्रता में किस प्रकार परिवर्तन होता है?
A
धीरे-धीरे बढ़ती रहती है
B
कुछ समय के लिए धीरे-धीरे बढ़ती है और फिर स्थिर हो जाती है
C
शुरुआत में तेजी से बढ़ती है और फिर धीरे-धीरे घटती है
D
कुछ समय के लिए धीरे-धीरे बढ़ती है और फिर धीरे-धीरे घटती है

Solution

(C) जब स्विच चालू किया जाता है,तो संधारित्र चार्ज होना शुरू हो जाता है। प्रारंभ में,संधारित्र पर आवेश $0$ होता है,इसलिए इसके सिरों पर विभवांतर $0 \ V$ होता है। परिणामस्वरूप,बैटरी का पूरा वोल्टेज बल्ब पर आ जाता है,जिससे यह अधिकतम तीव्रता के साथ जलता है।
जैसे-जैसे संधारित्र चार्ज होता है,इसके सिरों पर विभवांतर $(V_c = q/C)$ समय के साथ बढ़ता जाता है। किरचॉफ के वोल्टेज नियम के अनुसार,बल्ब पर वोल्टेज $(V_b)$ का मान $V_b = V_{battery} - V_c$ होता है। जैसे-जैसे $V_c$ बढ़ता है,$V_b$ घटता जाता है।
इसलिए,प्रकाश की तीव्रता,जो बल्ब द्वारा व्यय की गई शक्ति $(P = V_b^2 / R)$ पर निर्भर करती है,शुरुआत में अधिकतम होगी और जैसे-जैसे संधारित्र पूरी तरह चार्ज होगा,यह धीरे-धीरे कम होती जाएगी।
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एक आवेशित समांतर प्लेट संधारित्र की अछूता प्लेटें (प्लेटों के बीच कम दूरी के साथ) इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण के कारण एक-दूसरे के करीब आ रही हैं। यह मानते हुए कि कोई अन्य बल कार्यरत नहीं है और कोई विकिरण नहीं हो रहा है,निम्नलिखित में से कौन सा ग्राफ प्लेटों के बीच संभावित अंतर $(V)$ के समय $(t)$ के साथ परिवर्तन को लगभग दर्शाता है?
A
Option A
B
Option B
C
Option C
D
Option D

Solution

(A) एक पृथक आवेशित समांतर प्लेट संधारित्र के लिए,प्लेटों पर आवेश $q$ स्थिर रहता है।
प्लेटों के बीच विद्युत क्षेत्र $E = \frac{\sigma}{\varepsilon_{0}} = \frac{q}{A \varepsilon_{0}}$ द्वारा दिया जाता है,जो स्थिर है क्योंकि $q$,$A$ और $\varepsilon_{0}$ स्थिर हैं।
प्लेटों के बीच इलेक्ट्रोस्टैटिक आकर्षण बल $F = qE = \frac{q^2}{2A \varepsilon_{0}}$ है।
चूंकि बल स्थिर है,प्लेटों का त्वरण $a$ स्थिर है $(a = F/m)$।
समय $t$ पर प्लेटों के बीच की दूरी $d(t) = d_{0} - \frac{1}{2} a t^2$ द्वारा दी जाती है,जहाँ $d_{0}$ प्रारंभिक दूरी है।
विभवांतर $V = E \cdot d(t) = E (d_{0} - \frac{1}{2} a t^2)$ है।
यह समीकरण $V(t) = E d_{0} - (\frac{E a}{2}) t^2$ नीचे की ओर खुलने वाले परवलय (parabola) को दर्शाता है,जो ग्राफ $A$ के अनुरूप है।
Solution diagram
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चार प्रतिरोधक,$100 \Omega, 200 \Omega, 300 \Omega$ और $400 \Omega$ को एक वर्ग की चार भुजाएँ बनाने के लिए जोड़ा गया है। प्रतिरोधकों को किसी भी क्रम में जोड़ा जा सकता है। वर्ग के विकर्ण के आर-पार अधिकतम संभावित समतुल्य प्रतिरोध क्या है ($Omega$ में)?
A
$210$
B
$240$
C
$300$
D
$250$

Solution

(D) विकर्ण के आर-पार समतुल्य प्रतिरोध को अधिकतम करने के लिए,हमें प्रतिरोधकों को इस तरह से समूहित करना चाहिए कि दो समानांतर शाखाओं में प्रतिरोधों का योग सबसे अधिक हो। मान लीजिए कि चार प्रतिरोधक $R_1, R_2, R_3, R_4$ हैं। जब उन्हें विकर्ण के आर-पार जोड़ा जाता है,तो वे दो समानांतर शाखाएँ बनाते हैं,जिनमें से प्रत्येक में श्रेणीक्रम में दो प्रतिरोधक होते हैं। मान लीजिए कि शाखाएँ $(R_a + R_b)$ और $(R_c + R_d)$ हैं। समतुल्य प्रतिरोध $R_{eq} = \frac{(R_a + R_b)(R_c + R_d)}{(R_a + R_b) + (R_c + R_d)}$ है। इसे अधिकतम करने के लिए,हमें दोनों शाखाओं के योग को एक-दूसरे के जितना संभव हो सके करीब रखना चाहिए। कुल योग $100 + 200 + 300 + 400 = 1000 \Omega$ है। इस प्रकार,हमारा लक्ष्य प्रत्येक शाखा को $500 \Omega$ बनाना है। हम उन्हें $(400 + 100) = 500 \Omega$ और $(300 + 200) = 500 \Omega$ के रूप में जोड़ सकते हैं। समतुल्य प्रतिरोध $\frac{500 \times 500}{500 + 500} = \frac{250000}{1000} = 250 \Omega$ होगा।
Solution diagram
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दिए गए परिपथ में स्विच $K$ को बंद करने के लंबे समय बाद $200 \Omega$ के प्रतिरोधक से होकर बहने वाली विद्युत धारा क्या होगी?
Question diagram
A
शून्य
B
$100 mA$
C
$10 mA$
D
$1 mA$

Solution

(C) स्थिर अवस्था (steady state) में,एक संधारित्र (capacitor) एक खुले परिपथ की तरह कार्य करता है,जिसका अर्थ है कि संधारित्र वाली शाखाओं से कोई दिष्ट धारा $(DC)$ प्रवाहित नहीं होती है।
इसलिए,हम $1 \mu F$ और $2 \mu F$ संधारित्र वाली शाखाओं की उपेक्षा कर सकते हैं।
परिपथ एक एकल श्रेणी लूप में सरल हो जाता है जिसमें $6 V$ की बैटरी,$200 \Omega$ का प्रतिरोधक और $400 \Omega$ का प्रतिरोधक होता है।
परिपथ का कुल प्रतिरोध $R_{\text{net}} = 200 \Omega + 400 \Omega = 600 \Omega$ है।
ओम के नियम का उपयोग करते हुए,परिपथ में धारा $I$ है:
$I = \frac{V}{R_{\text{net}}} = \frac{6 V}{600 \Omega} = 0.01 A$.
मिलीएम्पीयर में बदलने पर,$I = 0.01 \times 1000 mA = 10 mA$।
Solution diagram
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परिपथ में दिखाए गए गैल्वेनोमीटर $G$ से एक गैर-शून्य धारा प्रवाहित होती है जब कुंजी $K$ बंद होती है और कुंजी खोलने पर इसका मान नहीं बदलता है। तो,निम्नलिखित में से कौन सा/से कथन सत्य है/हैं?
Question diagram
A
गैल्वेनोमीटर का प्रतिरोध अनंत है।
B
गैल्वेनोमीटर से प्रवाहित धारा $40 \ mA$ है।
C
कुंजी बंद करने के बाद,$200 \ \Omega$ प्रतिरोधक से प्रवाहित धारा $300 \ \Omega$ प्रतिरोधक से प्रवाहित धारा के समान है।
D
गैल्वेनोमीटर का प्रतिरोध $150 \ \Omega$ है।

Solution

(B, D) मान लीजिए बैटरी का वोल्टेज $V = 10 \ V$ है। जब कुंजी $K$ खुली होती है,तो परिपथ एक श्रेणी-समांतर संयोजन होता है। तुल्य प्रतिरोध $R_{eq} = (200 + 300) \parallel (100 + G) = \frac{500(100+G)}{600+G}$ है। गैल्वेनोमीटर शाखा से प्रवाहित धारा $I_{G, open} = \frac{V}{100+G}$ है।
जब कुंजी $K$ बंद होती है,तो परिपथ एक व्हीटस्टोन ब्रिज बन जाता है। गैल्वेनोमीटर से प्रवाहित धारा न बदलने का अर्थ है कि ब्रिज संतुलित है,अर्थात $\frac{200}{100} = \frac{300}{G}$।
$G$ के लिए हल करने पर: $G = \frac{300 \times 100}{200} = 150 \ \Omega$। अतः,विकल्प $D$ सही है।
$G = 150 \ \Omega$ के साथ,कुंजी बंद होने पर गैल्वेनोमीटर से प्रवाहित धारा $I_{G, closed} = \frac{V}{R_{eq}'}$ है। चूंकि ब्रिज संतुलित है,गैल्वेनोमीटर के दोनों सिरों पर विभव समान है,और धारा विभव विभाजक द्वारा निर्धारित होती है: $I_G = \frac{10}{100+150} = \frac{10}{250} = 0.04 \ A = 40 \ mA$। अतः,विकल्प $B$ सही है।
चूंकि ब्रिज संतुलित है,भुजाओं में प्रतिरोधों का अनुपात समान है,इसलिए ऊपरी और निचली शाखाओं में धारा गैल्वेनोमीटर के कनेक्शन से स्वतंत्र है,लेकिन $200 \ \Omega$ से प्रवाहित धारा का $300 \ \Omega$ से प्रवाहित धारा के बराबर होना आवश्यक नहीं है जब तक कि प्रतिरोध समान न हों। यहाँ $200 \ \Omega \neq 300 \ \Omega$,इसलिए विकल्प $C$ गलत है।
Solution diagram
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विराम अवस्था से $10000 \ V$ के विभव द्वारा त्वरित एक इलेक्ट्रॉन की डी-ब्रोग्ली तरंगदैर्ध्य $\lambda$ है। यदि तरंगदैर्ध्य को दोगुना करना हो,तो त्वरित विभव कितना होना चाहिए ($V$ में)?
A
$20000$
B
$40000$
C
$5000$
D
$2500$

Solution

(D) $V$ विभव द्वारा त्वरित इलेक्ट्रॉन की डी-ब्रोग्ली तरंगदैर्ध्य $\lambda$ का सूत्र: $\lambda = \frac{h}{\sqrt{2 m_e e V}}$ है।
इस संबंध से हम देख सकते हैं कि $\lambda \propto \frac{1}{\sqrt{V}}$.
इसलिए,$\frac{\lambda_1}{\lambda_2} = \sqrt{\frac{V_2}{V_1}}$.
यहाँ $\lambda_1 = \lambda$ और $\lambda_2 = 2\lambda$ दिया गया है,अतः $\frac{\lambda}{2\lambda} = \sqrt{\frac{V_2}{10000}}$.
दोनों पक्षों का वर्ग करने पर,$\frac{1}{4} = \frac{V_2}{10000}$.
अतः,$V_2 = \frac{10000}{4} = 2500 \ V$.
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चित्र में दिखाए अनुसार,एक धारावाही तार का आयताकार लूप,स्थिर धारा $I$ ले जाने वाले एक बहुत लंबे सीधे चालक से लंबवत दिशा में निरंतर वेग $v$ के साथ दूर जा रहा है। जब आयताकार लूप की चौड़ाई सीधे चालक से उसकी दूरी की तुलना में बहुत कम होती है,तो लूप में प्रेरित emf $E$ समय $t$ के साथ कैसे बदलता है?
Question diagram
A
$E \propto \frac{1}{t^{2}}$
B
$E \propto \frac{1}{t}$
C
$E \propto -\ln(t)$
D
$E \propto \frac{1}{t^{3}}$

Solution

(A) धारा $I$ ले जाने वाले एक लंबे सीधे तार से $y$ दूरी पर चुंबकीय क्षेत्र $B = \frac{\mu_{0} I}{2 \pi y}$ द्वारा दिया जाता है।
मान लीजिए लूप की लंबाई $l$ और चौड़ाई $b$ है। लूप $v$ वेग से तार से दूर जा रहा है। $t=0$ पर तार से लूप के आंतरिक किनारे की दूरी $y_0$ है। $t$ समय पर दूरी $y(t) = y_0 + vt$ है।
चूंकि चौड़ाई $b$ बहुत छोटी $(b \ll y)$ है,लूप पर चुंबकीय क्षेत्र को समान माना जा सकता है,और प्रेरित emf $E$ लंबाई $l$ की दो भुजाओं के बीच गतिज emf का अंतर है:
$E = E_1 - E_2 = v l (B_1 - B_2) = v l \left( \frac{\mu_{0} I}{2 \pi y} - \frac{\mu_{0} I}{2 \pi (y+b)} \right)$
$E = \frac{\mu_{0} I v l}{2 \pi} \left( \frac{y+b-y}{y(y+b)} \right) = \frac{\mu_{0} I v l b}{2 \pi y(y+b)}$
चूंकि $b \ll y$,इसलिए $y+b \approx y$,जिससे $E \approx \frac{\mu_{0} I v l b}{2 \pi y^2}$ प्राप्त होता है।
चूंकि $y = y_0 + vt$,बड़े $t$ के लिए,$y \approx vt$ होता है। अतः,$E \propto \frac{1}{(vt)^2} \propto \frac{1}{t^2}$।
Solution diagram
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एक हल्का आवेशित कण विपरीत आवेश वाले एक स्थिर भारी कण के स्थिर-वैद्युत आकर्षण के कारण $r$ त्रिज्या के वृत्त में घूम रहा है। गतिमान आवेश के कारण वृत्त के केंद्र पर चुंबकीय क्षेत्र $B$,$r$ पर किस प्रकार निर्भर करता है?
A
$B \propto \frac{1}{r}$
B
$B \propto \frac{1}{r^{2}}$
C
$B \propto \frac{1}{r^{\frac{3}{2}}}$
D
$B \propto \frac{1}{r^{\frac{5}{2}}}$

Solution

(D) वृत्तीय गति के लिए आवश्यक अभिकेंद्र बल स्थिर-वैद्युत आकर्षण बल द्वारा प्रदान किया जाता है:
$F_{\text{centripetal}} = m r \omega^{2} = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \cdot \frac{q_{1} q_{2}}{r^{2}}$
इससे,हम कोणीय वेग $\omega$ ज्ञात करते हैं:
$\omega^{2} = \frac{q_{1} q_{2}}{4 \pi \varepsilon_{0} m r^{3}} \implies \omega \propto \frac{1}{r^{3/2}}$
गतिमान आवेश $q_{1}$ एक धारा $i$ उत्पन्न करता है जो इस प्रकार है:
$i = \frac{q_{1}}{T} = \frac{q_{1} \omega}{2 \pi}$
वृत्ताकार धारा लूप के केंद्र पर चुंबकीय क्षेत्र $B$ है:
$B = \frac{\mu_{0} i}{2 r} = \frac{\mu_{0}}{2 r} \left( \frac{q_{1} \omega}{2 \pi} \right) = \frac{\mu_{0} q_{1} \omega}{4 \pi r}$
चूंकि $\omega \propto r^{-3/2}$,इसलिए:
$B \propto \frac{\omega}{r} \propto \frac{r^{-3/2}}{r} = r^{-5/2}$
अतः,$B \propto \frac{1}{r^{5/2}}$.
Solution diagram
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$a$ भुजा वाले एक समषट्भुज के चार शीर्षों पर $+Q$ मान के चार समान आवेश रखे गए हैं। शीर्षों का उचित चयन करके,षट्भुज के केंद्र पर विद्युत क्षेत्र का अधिकतम संभव परिमाण क्या हो सकता है?
A
$\frac{Q}{4 \pi \epsilon _{0} a^{2}}$
B
$\sqrt{2} \frac{Q}{4 \pi \epsilon _{0} a^{2}}$
C
$\frac{\sqrt{3}Q}{4 \pi \epsilon _{0} a^{2}}$
D
$\frac{2Q}{4 \pi \epsilon _{0} a^{2}}$

Solution

(C) एक समषट्भुज में,केंद्र $O$ से किसी भी शीर्ष की दूरी भुजा की लंबाई $a$ के बराबर होती है।
केंद्र पर विद्युत क्षेत्र को अधिकतम करने के लिए,हम चार आवेशों को चित्र में दिखाए अनुसार $A, B, C$ और $F$ शीर्षों पर रखते हैं।
$F$ और $C$ पर आवेशों के कारण विद्युत क्षेत्र परिमाण में समान और दिशा में विपरीत होते हैं,इसलिए वे एक-दूसरे के प्रभाव को निरस्त कर देते हैं $(E_F + E_C = 0)$।
केंद्र $O$ पर नेट विद्युत क्षेत्र $A$ और $B$ पर स्थित आवेशों के कारण होता है।
प्रत्येक आवेश के कारण विद्युत क्षेत्र का परिमाण $E = \frac{1}{4 \pi \epsilon_0} \frac{Q}{a^2}$ है।
विद्युत क्षेत्र सदिशों $E_A$ और $E_B$ के बीच का कोण $60^{\circ}$ है।
परिणामी विद्युत क्षेत्र $E_{\text{net}}$ इस प्रकार दिया जाता है:
$E_{\text{net}} = \sqrt{E_A^2 + E_B^2 + 2 E_A E_B \cos 60^{\circ}}$
चूंकि $E_A = E_B = E$,इसलिए:
$E_{\text{net}} = \sqrt{E^2 + E^2 + 2 E^2 (1/2)} = \sqrt{3E^2} = E\sqrt{3}$
$E$ का मान रखने पर:
$E_{\text{net}} = \frac{\sqrt{3}Q}{4 \pi \epsilon_0 a^2}$
Solution diagram
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मुक्त आकाश में एक काल्पनिक घन (cube) पर विचार करें जिसकी भुजा की लंबाई $a$ है,जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। घन के केंद्र $O$ पर $+Q$ आवेश रखा गया है। $P$ घन के बाहर एक ऐसा बिंदु है कि रेखा $OP$ सतह $ABCD$ को $R$ पर लंबवत काटती है और $OR = RP = a/2$ है। बिंदु $P$ पर भी $+Q$ आवेश रखा गया है। $ABCD$ के अलावा घन के पांच फलकों से गुजरने वाला कुल विद्युत फ्लक्स क्या है?
Question diagram
A
$\frac{Q}{\varepsilon_{0}}$
B
$\frac{5Q}{6\varepsilon_{0}}$
C
$\frac{10Q}{6\varepsilon_{0}}$
D
शून्य

Solution

(C) $1$. केंद्र $O$ पर स्थित $+Q$ आवेश पूरे घन से $\frac{Q}{\varepsilon_{0}}$ का कुल फ्लक्स उत्पन्न करता है। समरूपता के अनुसार,प्रत्येक $6$ फलक से गुजरने वाला फ्लक्स $\frac{Q}{6\varepsilon_{0}}$ है।
$2$. बिंदु $P$ पर स्थित $+Q$ आवेश सतह $ABCD$ के केंद्र से $a/2$ दूरी पर है। इस आवेश के कारण सतह $ABCD$ से गुजरने वाला फ्लक्स $\frac{Q}{2\varepsilon_{0}}$ है (चूंकि आवेश सतह के केंद्र से $a/2$ दूरी पर है,यह सतह पर $2\pi$ स्टेरेडियन का ठोस कोण बनाता है)।
$3$. दोनों आवेशों के कारण सतह $ABCD$ से गुजरने वाला कुल फ्लक्स $\phi_{ABCD} = \phi_{O, ABCD} + \phi_{P, ABCD} = \frac{Q}{6\varepsilon_{0}} - \frac{Q}{2\varepsilon_{0}} = -\frac{Q}{3\varepsilon_{0}}$ है (चूंकि $P$ से आने वाला फ्लक्स घन में प्रवेश करता है,इसलिए यह ऋणात्मक है)।
$4$. दोनों आवेशों के कारण घन से गुजरने वाला कुल फ्लक्स $\phi_{total} = \frac{Q_{enclosed}}{\varepsilon_{0}} = \frac{Q}{\varepsilon_{0}}$ है।
$5$. शेष $5$ फलकों से गुजरने वाला फ्लक्स $\phi_{5} = \phi_{total} - \phi_{ABCD} = \frac{Q}{\varepsilon_{0}} - (-\frac{Q}{3\varepsilon_{0}}) = \frac{4Q}{3\varepsilon_{0}} = \frac{8Q}{6\varepsilon_{0}}$।
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$r$ त्रिज्या और $+q$ आवेश वाली एक आवेशित वलय (ring) की अक्ष पर एक बिंदु आवेश $-q$ को बिंदु $A$ से बिंदु $B$ तक ले जाया जाता है। यदि बिंदु $A$ वलय के केंद्र से $\frac{4}{3} r$ की दूरी पर है और बिंदु $B$ केंद्र से विपरीत दिशा में $\frac{3}{4} r$ की दूरी पर है,तो इसके लिए किया गया कुल कार्य क्या है?
A
$-\frac{7}{5} \cdot \frac{q^{2}}{4 \pi \varepsilon_{0} r}$
B
$-\frac{1}{5} \cdot \frac{q^{2}}{4 \pi \varepsilon_{0} r}$
C
$\frac{7}{5} \cdot \frac{q^{2}}{4 \pi \varepsilon_{0} r}$
D
$\frac{1}{5} \cdot \frac{q^{2}}{4 \pi \varepsilon_{0} r}$

Solution

(B) $r$ त्रिज्या और $q$ आवेश वाली वलय के केंद्र से $x$ दूरी पर विद्युत विभव $V = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \cdot \frac{q}{\sqrt{x^{2} + r^{2}}}$ द्वारा दिया जाता है।
बिंदु $A$ के लिए,$x_A = \frac{4}{3}r$,अतः वलय की परिधि से दूरी $d_A = \sqrt{(\frac{4}{3}r)^2 + r^2} = \frac{5}{3}r$.
अतः,$V_A = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \cdot \frac{3q}{5r}$.
बिंदु $B$ के लिए,$x_B = \frac{3}{4}r$,अतः वलय की परिधि से दूरी $d_B = \sqrt{(\frac{3}{4}r)^2 + r^2} = \frac{5}{4}r$.
अतः,$V_B = \frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \cdot \frac{4q}{5r}$.
$-q$ आवेश को $A$ से $B$ तक ले जाने में किया गया कार्य $W = (-q)(V_B - V_A)$.
$W = -q \left( \frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \cdot \frac{4q}{5r} - \frac{1}{4 \pi \varepsilon_{0}} \cdot \frac{3q}{5r} \right) = -\frac{1}{5} \cdot \frac{q^2}{4 \pi \varepsilon_{0} r}$.
Solution diagram
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दो धनात्मक आवेश $Q$ और $4Q$ को क्रमशः बिंदुओं $A$ और $B$ पर रखा गया है,जहाँ $B$,$A$ के दाईं ओर $d$ इकाई की दूरी पर है। $A$ और $B$ को जोड़ने वाली रेखा पर बिंदु $P$ पर इन आवेशों के कारण कुल विद्युत विभव न्यूनतम है। $A$ से $P$ की दूरी क्या है?
A
$A$ के दाईं ओर $\frac{d}{3}$ इकाई
B
$A$ के बाईं ओर $\frac{d}{3}$ इकाई
C
$A$ के दाईं ओर $\frac{d}{5}$ इकाई
D
$A$ के बाईं ओर $d$ इकाई

Solution

(A) आवेशों के बीच बिंदु $P$ पर कुल विद्युत विभव $V = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \left( \frac{Q}{r} + \frac{4Q}{d-r} \right)$ द्वारा दिया जाता है,जहाँ $r$,$A$ से $P$ की दूरी है।
विभव के न्यूनतम होने के लिए,हम $\frac{dV}{dr} = 0$ रखते हैं।
$\frac{dV}{dr} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \left( -\frac{Q}{r^2} + \frac{4Q}{(d-r)^2} \right) = 0$.
इसका अर्थ है $\frac{Q}{r^2} = \frac{4Q}{(d-r)^2}$,जो उस स्थिति के बराबर है जहाँ कुल विद्युत क्षेत्र $E = 0$ होता है।
दोनों पक्षों का वर्गमूल लेने पर: $\frac{1}{r} = \frac{2}{d-r}$.
$r$ के लिए हल करने पर: $d - r = 2r \Rightarrow 3r = d \Rightarrow r = \frac{d}{3}$.
अतः,$A$ के दाईं ओर $\frac{d}{3}$ इकाई की दूरी पर विभव न्यूनतम है।
Solution diagram
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$R$ त्रिज्या वाले एक अनंत,सीधे,पतले,खोखले बेलन की लंबाई के अनुदिश एक समान विद्युत धारा प्रवाहित हो रही है। बेलन की अक्ष से $d$ लंबवत दूरी पर उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र $B$ को एक ग्राफ में आलेखित किया गया है। निम्नलिखित में से कौन सा चित्र इस ग्राफ जैसा दिखता है?
A
Option A
B
Option B
C
Option C
D
Option D

Solution

(C) $R$ त्रिज्या वाले एक पतले खोखले बेलन के लिए जो अपनी लंबाई के अनुदिश एक समान धारा $i$ का वहन करता है:
$1$. बेलन के अंदर $(d < R)$,चुंबकीय क्षेत्र $B$ शून्य है क्योंकि परिबद्ध धारा शून्य है।
$2$. बेलन के बाहर $(d \geq R)$,एम्पीयर के नियम के अनुसार चुंबकीय क्षेत्र $B = \frac{\mu_{0} i}{2 \pi d}$ द्वारा दिया जाता है। यह दर्शाता है कि $B \propto \frac{1}{d}$ है।
अतः,$B$ बनाम $d$ का ग्राफ $d < R$ के लिए $B = 0$ और $d \geq R$ के लिए एक अतिपरवलयिक (hyperbolic) क्षय दिखाएगा। यह चित्र $C$ में दिखाए गए ग्राफ के अनुरूप है।
Solution diagram
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$r$ त्रिज्या का एक वृत्ताकार लूप,जो शून्य आंतरिक प्रतिरोध वाले वोल्टेज स्रोत से जुड़ा है,अपने केंद्र पर $B$ चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है। यदि इसके स्थान पर,समान पदार्थ और समान अनुप्रस्थ काट वाले $2r$ त्रिज्या के वृत्ताकार लूप को उसी वोल्टेज स्रोत से जोड़ा जाए,तो उसके केंद्र पर चुंबकीय क्षेत्र क्या होगा?
A
$\frac{B}{2}$
B
$\frac{B}{4}$
C
$2B$
D
$B$

Solution

(B) $I$ धारा प्रवाहित करने वाले $r$ त्रिज्या के वृत्ताकार लूप के केंद्र पर चुंबकीय क्षेत्र $B = \frac{\mu_0 I}{2r}$ द्वारा दिया जाता है।
स्थिति $(I)$: $r$ त्रिज्या वाले लूप के लिए,लंबाई $l_1 = 2\pi r$ है। प्रतिरोध $R_1 = \rho \frac{l_1}{A} = \rho \frac{2\pi r}{A}$ है। धारा $I_1 = \frac{V}{R_1}$ है। चुंबकीय क्षेत्र $B_1 = \frac{\mu_0 I_1}{2r}$ है।
स्थिति $(II)$: $2r$ त्रिज्या वाले लूप के लिए,लंबाई $l_2 = 2\pi(2r) = 2l_1$ है। प्रतिरोध $R_2 = \rho \frac{l_2}{A} = 2R_1$ है। धारा $I_2 = \frac{V}{R_2} = \frac{V}{2R_1} = \frac{I_1}{2}$ है।
नया चुंबकीय क्षेत्र $B_2 = \frac{\mu_0 I_2}{2(2r)} = \frac{\mu_0 (I_1/2)}{4r} = \frac{1}{4} \left( \frac{\mu_0 I_1}{2r} \right) = \frac{B_1}{4}$ होगा।
Solution diagram
30
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$m$ द्रव्यमान का एक प्रोटॉन $v$ चाल से ($v << c$,जहाँ $c$ निर्वात में प्रकाश का वेग है) गति कर रहा है और एकसमान चुंबकीय क्षेत्र में $T$ समय में एक वृत्ताकार कक्षा पूरी करता है। यदि प्रोटॉन की चाल बढ़ाकर $\sqrt{2}v$ कर दी जाए,तो वृत्ताकार कक्षा को पूरा करने में कितना समय लगेगा?
A
$\sqrt{T}$
B
$T$
C
$\frac{T}{\sqrt{2}}$
D
$\frac{T}{2}$

Solution

(B) एकसमान चुंबकीय क्षेत्र में वृत्ताकार पथ पर गति करने वाले आवेशित कण का आवर्तकाल $T$ सूत्र $T = \frac{2\pi m}{qB}$ द्वारा दिया जाता है।
यह सूत्र दर्शाता है कि आवर्तकाल $T$ केवल द्रव्यमान $m$,आवेश $q$ और चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता $B$ पर निर्भर करता है।
चूंकि $m$,$q$ और $B$ स्थिर रहते हैं,इसलिए आवर्तकाल $T$ प्रोटॉन की चाल $v$ से स्वतंत्र है।
अतः,यदि चाल को बढ़ाकर $\sqrt{2}v$ भी कर दिया जाए,तो आवर्तकाल $T$ ही रहेगा।
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यदि एक रेडियोधर्मी नाभिक की अर्ध-आयु $3$ दिन है,तो तीसरे दिन प्रारंभिक नाभिकों की संख्या का लगभग कितना अंश क्षयित होगा? (दिया है,$\sqrt[3]{0.25} \approx 0.63$)
A
$0.63$
B
$0.5$
C
$0.37$
D
$0.13$

Solution

(D) दिया है,अर्ध-आयु $t_{1/2} = 3$ दिन।
समय $t$ के बाद शेष सक्रिय नाभिकों की संख्या $N(t) = N_0 (1/2)^{t/t_{1/2}}$ द्वारा दी जाती है।
तीसरे दिन की शुरुआत में ($t = 2$ दिन),शेष नाभिकों की संख्या $N_1 = N_0 (1/2)^{2/3} = N_0 / (2^{2/3}) = N_0 / (4^{1/3})$ है।
दिया है $\sqrt[3]{0.25} \approx 0.63$,इसलिए $N_1 = N_0 \times 0.63$।
तीसरे दिन के अंत में ($t = 3$ दिन),शेष नाभिकों की संख्या $N_2 = N_0 (1/2)^{3/3} = 0.5 N_0$ है।
तीसरे दिन के दौरान क्षयित होने वाले नाभिकों की संख्या दिन की शुरुआत और अंत में मौजूद नाभिकों के बीच का अंतर है:
$\Delta N = N_1 - N_2 = 0.63 N_0 - 0.5 N_0 = 0.13 N_0$।
अतः,तीसरे दिन क्षयित होने वाले प्रारंभिक नाभिकों का अंश $0.13$ है।
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प्रकाश की एक किरण चित्र में दिखाए अनुसार एक समकोण समद्विबाहु प्रिज्म पर उसके आधार के समानांतर आपतित होती है। प्रिज्म के पदार्थ का अपवर्तनांक $\sqrt{2}$ है। तो निम्नलिखित में से कौन सा/से कथन सत्य है/हैं?
Question diagram
A
$P$ पर होने वाला परावर्तन पूर्ण आंतरिक परावर्तन है।
B
$Q$ पर होने वाला परावर्तन पूर्ण आंतरिक परावर्तन है।
C
$R$ पर निर्गत किरण $S$ पर आपतित किरण के समानांतर है।
D
किरण का कुल विचलन $150^{\circ}$ है।

Solution

(A, C) क्रांतिक कोण $\theta_{C} = \sin^{-1}\left(\frac{1}{\sqrt{2}}\right) = 45^{\circ}$ है।
आपतित सतह $S$ पर स्नेल का नियम लागू करने पर $(n_{1} \sin \theta_{1} = n_{2} \sin \theta_{2})$:
$1 \cdot \sin 45^{\circ} = \sqrt{2} \cdot \sin \theta \implies \sin \theta = \frac{1}{2} \implies \theta = 30^{\circ}$.
बिंदु $P$ पर,आपतन कोण $90^{\circ} - 15^{\circ} = 75^{\circ}$ है। चूँकि $75^{\circ} > 45^{\circ}$,इसलिए $P$ पर पूर्ण आंतरिक परावर्तन $(TIR)$ होता है।
बिंदु $Q$ पर,आपतन कोण $15^{\circ}$ है। चूँकि $15^{\circ} < 45^{\circ}$,इसलिए $Q$ पर आंशिक परावर्तन और अपवर्तन होता है।
$R$ पर निर्गत किरण $S$ पर आपतित किरण के समानांतर है क्योंकि प्रिज्म की ज्यामिति और किरण का पथ कुल विचलन $0^{\circ}$ (या $360^{\circ}$) देता है,जिसका अर्थ है कि वे समानांतर हैं। अतः,कथन $A$ और $C$ सही हैं।
Solution diagram
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दो समान समोत्तल (equiconvex) लेंस,जिनमें से प्रत्येक की फोकस दूरी $f$ है,को एक-दूसरे के संपर्क में रखा गया है और उनके बीच पानी की एक परत है जैसा कि चित्र में दिखाया गया है। यदि लेंस के पदार्थ का अपवर्तनांक पानी के अपवर्तनांक से अधिक है,तो संयुक्त फोकस दूरी $F$,$f$ से किस प्रकार संबंधित है?
Question diagram
A
$F > f$
B
$\frac{f}{2} < F < f$
C
$F < \frac{f}{2}$
D
$F = f$

Solution

(B) दिया गया संयोजन तीन लेंसों के संपर्क से बना है: दो समान समोत्तल कांच के लेंस ($L_1$ और $L_3$) और उनके बीच बना पानी का लेंस $(L_2)$।
मान लीजिए प्रत्येक कांच के लेंस की फोकस दूरी $f_1$ है और पानी के लेंस की फोकस दूरी $f_2$ है।
चूंकि लेंस संपर्क में हैं,इसलिए तुल्य फोकस दूरी $F$ इस प्रकार दी जाती है:
$\frac{1}{F} = \frac{1}{f_1} + \frac{1}{f_2} + \frac{1}{f_3}$
चूंकि $L_1$ और $L_3$ समान हैं,$f_1 = f_3 = f$। पानी का लेंस $L_2$ एक अवतल लेंस है,इसलिए इसकी फोकस दूरी $f_2$ ऋणात्मक है।
अतः,$\frac{1}{F} = \frac{1}{f} + \frac{1}{f_2} + \frac{1}{f} = \frac{2}{f} + \frac{1}{f_2}$।
मान लीजिए $R$ वक्रता त्रिज्या है। कांच के लेंस के लिए,$\frac{1}{f} = (\mu_g - 1)(\frac{2}{R})$। पानी के लेंस के लिए,$\frac{1}{f_2} = -(\mu_w - 1)(\frac{2}{R})$।
चूंकि $\mu_g > \mu_w$,कांच के लेंस की शक्ति का परिमाण पानी के लेंस की शक्ति से अधिक है,जिसका अर्थ है $|\frac{1}{f}| > |\frac{1}{f_2}|$।
इसलिए,$\frac{1}{F} = \frac{2}{f} - |\frac{1}{f_2}|$। चूंकि $|\frac{1}{f_2}| > 0$,$\frac{1}{F} < \frac{2}{f}$,जिसका अर्थ है $F > \frac{f}{2}$।
साथ ही,चूंकि $\frac{1}{F} = \frac{2}{f} - |\frac{1}{f_2}|$,यह स्पष्ट है कि $\frac{1}{F} > \frac{1}{f}$ (क्योंकि हम $\frac{2}{f}$ से एक धनात्मक मान घटा रहे हैं लेकिन शुद्ध शक्ति अभी भी धनात्मक है और $\frac{2}{f}$ से कम है),इसलिए $F < f$।
इन दोनों को मिलाने पर,हमें $\frac{f}{2} < F < f$ प्राप्त होता है।
Solution diagram
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$r$ त्रिज्या और $\mu$ अपवर्तनांक वाले एक ठोस कांच के गोले के केंद्र में हवा का एक छोटा बुलबुला है। बाहर से देखने पर गोले के केंद्र से बुलबुले की आभासी दूरी क्या होगी?
A
$r$
B
$\frac{r}{\mu}$
C
$r(1 - \frac{1}{\mu})$
D
शून्य

Solution

(D) हवा का बुलबुला ठोस कांच के गोले के केंद्र $O$ पर स्थित है।
जब हवा के बुलबुले से निकलने वाली प्रकाश की किरणें गोले की सतह की ओर यात्रा करती हैं,तो वे गोले की त्रिज्या के अनुदिश चलती हैं।
चूंकि त्रिज्या हमेशा गोले की सतह के लंबवत होती है,इसलिए प्रकाश की किरणें सतह पर $i = 0^\circ$ के आपतन कोण पर टकराती हैं।
स्नेल के नियम के अनुसार,जब प्रकाश किसी सतह पर लंबवत आपतित होता है,तो उसका कोई अपवर्तन या विचलन नहीं होता है।
इसलिए,प्रकाश की किरणें बिना मुड़े सीधी रेखा में यात्रा करना जारी रखती हैं।
परिणामस्वरूप,बाहर से देखने वाले प्रेक्षक को बुलबुले का प्रतिबिंब वस्तु के स्थान पर ही दिखाई देता है।
अतः,गोले के केंद्र से बुलबुले की आभासी दूरी शून्य है।
Solution diagram
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$xy$-समतल में $(0,1)$ निर्देशांक पर एक बिंदु स्रोत रखा गया है। स्रोत से प्रकाश की एक किरण $X$-अक्ष के अनुदिश और $xy$-समतल के लंबवत रखे गए एक समतल दर्पण पर परावर्तित होती है। परावर्तित किरण $(3,3)$ बिंदु से होकर गुजरती है। $(0,1)$ से $(3,3)$ तक किरण की पथ लंबाई क्या है?
A
$5$
B
$\sqrt{13}$
C
$2\sqrt{3}$
D
$1+2\sqrt{3}$

Solution

(A) माना स्रोत $S(0,1)$ पर है और दर्पण पर बिंदु $M$ है। परावर्तित किरण $P(3,3)$ से होकर गुजरती है।
चूंकि दर्पण $X$-अक्ष के अनुदिश है,इसलिए दर्पण द्वारा स्रोत $S(0,1)$ का बना प्रतिबिंब $I(0,-1)$ है।
परावर्तित किरण की पथ लंबाई $SM + MP$ है।
परावर्तन के नियम के अनुसार,$SM = IM$ है।
इसलिए,कुल पथ लंबाई $IM + MP = IP$ है।
दूरी $IP$,बिंदु $I(0,-1)$ और $P(3,3)$ के बीच की दूरी है।
दूरी सूत्र का उपयोग करने पर: $IP = \sqrt{(3-0)^2 + (3 - (-1))^2} = \sqrt{3^2 + 4^2} = \sqrt{9 + 16} = \sqrt{25} = 5$.
Solution diagram
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दिए गए परिपथ में $6 \text{ k}\Omega$ के प्रतिरोध से प्रवाहित होने वाली धारा क्या होगी,जहाँ ज़ेनर डायोड का ब्रेकडाउन वोल्टेज $6 \text{ V}$ है?
Question diagram
A
$\frac{2}{3} \text{ mA}$
B
$1 \text{ mA}$
C
$10 \text{ mA}$
D
$\frac{3}{2} \text{ mA}$

Solution

(A) दिए गए परिपथ में,ज़ेनर डायोड $4 \text{ k}\Omega$ के प्रतिरोध के साथ समानांतर में जुड़ा हुआ है। चूंकि ज़ेनर डायोड अपने ब्रेकडाउन क्षेत्र में कार्य कर रहा है,इसलिए इसके सिरों पर वोल्टेज $6 \text{ V}$ पर स्थिर रहता है।
चूंकि ज़ेनर डायोड और $4 \text{ k}\Omega$ का प्रतिरोध समानांतर में हैं,इसलिए $4 \text{ k}\Omega$ के प्रतिरोध के सिरों पर भी वोल्टेज $6 \text{ V}$ होगा।
परिपथ में कुल वोल्टेज $10 \text{ V}$ है। $6 \text{ k}\Omega$ के श्रेणी प्रतिरोध में वोल्टेज ड्रॉप,स्रोत वोल्टेज और ज़ेनर ब्रेकडाउन वोल्टेज के बीच का अंतर है:
$V_{6\text{k}\Omega} = 10 \text{ V} - 6 \text{ V} = 4 \text{ V}$.
$6 \text{ k}\Omega$ के प्रतिरोध से प्रवाहित होने वाली धारा ओम के नियम द्वारा दी जाती है:
$I = \frac{V_{6\text{k}\Omega}}{R} = \frac{4 \text{ V}}{6 \text{ k}\Omega} = \frac{4}{6} \text{ mA} = \frac{2}{3} \text{ mA}$.
Solution diagram
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दिए गए परिपथ में, इनपुट $A$ और $B$ क्रमशः $1$ और $0$ अवस्था में हैं। आउटपुट $X$ और $Y$ की एकमात्र संभावित स्थिर अवस्था क्या है?
Question diagram
A
$X=1, Y=1$
B
$X=1, Y=0$
C
$X=0, Y=1$
D
$X=0, Y=0$

Solution

(C) यह परिपथ दो क्रॉस-कपल्ड $NAND$ गेट से बना है, जो एक $S-R$ लैच का निर्माण करते हैं।
यहाँ $A=1$ और $B=0$ दिया गया है।
निचले $NAND$ गेट का आउटपुट $Y = \overline{B \cdot X} = \overline{0 \cdot X} = \overline{0} = 1$ होता है।
अब, $Y$ के इस मान का उपयोग ऊपरी $NAND$ गेट में करने पर, आउटपुट $X = \overline{A \cdot Y} = \overline{1 \cdot 1} = \overline{1} = 0$ प्राप्त होता है।
अतः, स्थिर अवस्था $X=0$ और $Y=1$ है।
Solution diagram
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यदि यंग का द्वि-स्लिट प्रयोग श्वेत प्रकाश के साथ किया जाता है,तो निम्नलिखित में से कौन सा कथन सत्य होगा?
A
सभी दीप्त फ्रिंज रंगीन होंगी।
B
सभी दीप्त फ्रिंज सफेद होंगी।
C
केंद्रीय फ्रिंज सफेद होगी।
D
कोई स्थिर व्यतिकरण प्रतिरूप दिखाई नहीं देगा।

Solution

(C) यंग के द्वि-स्लिट प्रयोग में,श्वेत प्रकाश में $4000 \ Å$ से $7000 \ Å$ तक की तरंगदैर्घ्य होती है।
पर्दे पर केंद्रीय स्थिति में,सभी तरंगदैर्घ्यों के लिए पथ अंतर शून्य होता है।
चूंकि पथ अंतर शून्य है,इसलिए सभी तरंगदैर्घ्य केंद्र पर संपोषी व्यतिकरण करती हैं,जिसके परिणामस्वरूप एक सफेद फ्रिंज बनती है।
जैसे-जैसे हम केंद्र से दूर जाते हैं,पथ अंतर बढ़ता जाता है,जिससे विभिन्न तरंगदैर्घ्य अलग-अलग स्थानों पर संपोषी व्यतिकरण करती हैं,जिसके परिणामस्वरूप रंगीन फ्रिंज दिखाई देती हैं।

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