Netherlands HAVO 4 (bovenbouw, 2e fase) Physics
अध्याय: 5
1. Skills
General skills · Scientific inquiry and design · Modelling and instruments · Judging and deciding · Physics-specific skills
- शोध कौशल: प्रश्न से पूरे प्रोजेक्ट तक – शोध उत्तर खोजने का सावधान तरीका है। आप एक साफ़, सीमित प्रश्न पूछते हैं, उसका उत्तर पाने की योजना बनाते हैं, जानकारी खोजते हैं और हर स्रोत पर भरोसे की जाँच करते हैं, अपने आँकड़े जुटाकर विश्लेषण करते हैं, सबूत पर टिका निष्कर्ष निकालते हैं, और हर स्रोत को श्रेय देते हुए उसे साझा करते हैं।
- वैज्ञानिक विधि – वैज्ञानिक विधि वह सावधान तरीका है जिससे वैज्ञानिक पता लगाते हैं कि दुनिया कैसे चलती है। कुछ देखो (प्रेक्षण), परखने लायक प्रश्न पूछो, परिकल्पना बनाओ (साफ़, परखने योग्य अनुमान), निष्पक्ष प्रयोग से परखो (एक चर बदलो, एक मापो, बाकी सब एक जैसा), दोहराओ और आँकड़े लिखो, विश्लेषण करो, निष्कर्ष निकालो और साझा करो ताकि दूसरे जाँच सकें। जो नतीजे परिकल्पना से मेल न खाएँ, वे भी काम के हैं: वे नई परिकल्पना की ओर ले जाते हैं।
- गणितीय निदर्शन: गणित से असली दुनिया को समझना – गणितीय मॉडल (mathematical model) एक समीकरण, ग्राफ़ या तालिका है जो किसी असली स्थिति को सरल तरीके से बताती है। मॉडलिंग चक्र: असली समस्या समझो → चर चुनो और मान्यताएँ बनाओ → मॉडल बनाओ (जैसे रैखिक, द्विघात या चरघातांकी) → हल करो और अनुमान लगाओ → असली आँकड़ों से जाँचो → मॉडल सुधारो या उसकी सीमा बताओ। कोई मॉडल पूरी तरह सही नहीं होता; अच्छा मॉडल सरल होता है और काम लायक सही होता है।
- विज्ञान, प्रौद्योगिकी और समाज: खोजें हमारा जीवन कैसे बदलती हैं – विज्ञान पता लगाता है कि प्रकृति कैसे काम करती है; प्रौद्योगिकी (तकनीक) उस ज्ञान से औज़ार बनाती और समस्याएँ सुलझाती है। समाज भी विज्ञान को दिशा देता है: सवाल पूछकर, शोध के लिए पैसा देकर और नियम बनाकर। छापाख़ाना, भाप इंजन, बिजली, टीके और इंटरनेट ने काम करने, जीने और सोचने का तरीक़ा बदल दिया। हर तकनीक के लाभ और जोखिम दोनों होते हैं। सही फ़ैसले के लिए हम प्रमाण देखते हैं, लाभ और जोखिम तौलते हैं, पूछते हैं किसे फ़ायदा और किसे नुक़सान, नैतिकता और भविष्य सोचते हैं, और सुरक्षा नियम अपनाते हैं।
- द्रव्य और उसका मापन – द्रव्य वह सब कुछ है जिसमें द्रव्यमान हो और जो जगह घेरे। यह ठोस, द्रव या गैस हो सकता है, और तत्व, यौगिक या मिश्रण हो सकता है। रसायनज्ञ SI मात्रकों में मापते हैं। हर माप में थोड़ा संदेह होता है, इसलिए हम उसे सही सार्थक अंकों के साथ लिखते हैं, बहुत बड़ी-छोटी संख्या वैज्ञानिक संकेतन में लिखते हैं और इकाई को इकाई-गुणक से बदलते हैं।
2. Sound and image technology (part 1)
Vibrations and waves for information transfer
- ध्वनि – ध्वनि कंपन करती वस्तुओं से बनती है। यह किसी माध्यम (हवा, पानी, ठोस) में अनुदैर्ध्य तरंग के रूप में चलती है: कण आगे-पीछे हिलते हैं, कहीं घने हो जाते हैं (संपीडन) और कहीं फैल जाते हैं (विरलन)। आवृत्ति (Hz) से तारत्व (पिच), आयाम से प्रबलता तय होती है, और चाल v = f × λ। निर्वात में ध्वनि नहीं चलती। हम 20 Hz से 20,000 Hz सुनते हैं; इससे कम अवश्रव्य, ज़्यादा पराश्रव्य। परावर्तित ध्वनि से प्रतिध्वनि बनती है।
3. Motion and energy
Force and motion · Energy conversions
- बल तथा गति के नियम – बल एक धक्का या खिंचाव है। संतुलित बल (नेट बल शून्य) गति नहीं बदलते; असंतुलित बल चाल या दिशा बदलता है। घर्षण फिसलने का विरोध करता है। पहला नियम: कोई चीज़ अपनी विराम या एकसमान गति की अवस्था में रहती है जब तक असंतुलित बल न लगे (जड़त्व; भारी चीज़ का जड़त्व ज़्यादा)। संवेग p = mv। दूसरा नियम: F = ma (संवेग बदलने की दर), 1 N = 1 kg m/s²। तीसरा नियम: बल जोड़ों में आते हैं, बराबर और उलटे, दो अलग चीज़ों पर। बाहरी बल न हो तो तंत्र के आंतरिक बल कट जाते हैं और कुल संवेग संरक्षित रहता है।
- कार्य, ऊर्जा और शक्ति – जब बल किसी वस्तु को खिसकाता है, तब कार्य होता है: W = F × s, मात्रक जूल (J)। ऊर्जा यानी कार्य करने की क्षमता। चलती वस्तु में गतिज ऊर्जा ½mv² होती है, ऊँचाई पर रखी वस्तु में स्थितिज ऊर्जा mgh। ऊर्जा न बनती है न नष्ट होती है, बस एक रूप से दूसरे रूप में बदलती है। शक्ति यानी कार्य कितनी जल्दी हुआ: P = W ÷ t, मात्रक वाट। उत्तोलक और घिरनी जैसी सरल मशीनें कम बल से भारी वस्तु उठाने में मदद करती हैं।
4. Materials
Properties of substances and materials · Functional materials
- द्रव्य का कण मॉडल – हर द्रव्य बहुत छोटे कणों से बना है जो हमेशा गति करते रहते हैं। ठोस में कण पास-पास होते हैं और बस काँपते हैं; द्रव में पास होते हुए भी फिसलते हैं; गैस में दूर-दूर होकर हर दिशा में तेज़ भागते हैं। गरम करने पर कणों को ऊर्जा मिलती है: या तो वे तेज़ चलते हैं (तापमान बढ़ता है) या उनके बीच का खिंचाव टूटता है (अवस्था बदलती है, तापमान स्थिर रहता है)। गैस दाब कणों की दीवार से टक्कर से बनता है।
- स्मार्ट और आधुनिक पदार्थ – स्मार्ट पदार्थ वह है जो आसपास कुछ बदलने पर (जैसे ताप, प्रकाश, बल या वोल्टेज) अपना कोई गुण बदल लेता है, जैसे आकार, रंग, पारदर्शिता या बिजली देना। यह बदलाव उत्क्रमणीय होता है, यानी उद्दीपक हटाने पर पदार्थ वापस पहले जैसा हो जाता है। मुख्य उदाहरण: निटिनॉल जैसी आकार-स्मृति मिश्रधातु गर्म होने पर याद रखा आकार ले लेती है; थर्मोक्रोमिक रंग ताप से बदलते हैं; फ़ोटोक्रोमिक पदार्थ UV में काले होते हैं; पीज़ोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल दबाने पर वोल्टेज देते हैं। आधुनिक पदार्थ, जो ज़रूरी नहीं कि स्मार्ट हों, उनमें कार्बन-फ़ाइबर और काँच-फ़ाइबर कंपोज़िट, ग्राफ़ीन जैसे नैनो पदार्थ, तकनीकी और स्मार्ट वस्त्र, द्रव क्रिस्टल और पौधों से बने प्लास्टिक आते हैं। इंजीनियर गुण, कीमत और पर्यावरण पर असर देखकर पदार्थ चुनते हैं।
5. Optional domains (choose two)
Optics · Earth and climate · Human body · Technical automation
- व्यतिकरण (यंग का द्वि-झिरी प्रयोग) और एकल झिरी विवर्तन – दो कला-संबद्ध स्रोत (समान आवृत्ति, स्थिर कलांतर) दीप्त और अदीप्त फ्रिंजों का स्थिर पैटर्न बनाते हैं। पर्दे के किसी बिंदु पर पथांतर Δ = yd/D: Δ = nλ पर दीप्त, Δ = (n + ½)λ पर अदीप्त। सभी फ्रिंज समान चौड़ाई β = λD/d के होते हैं। a चौड़ाई की एकल झिरी विवर्तन देती है: 2λD/a चौड़ा चमकीला केंद्रीय उच्चिष्ठ, पहला निम्निष्ठ a sin θ = λ पर, और हल्के पार्श्व उच्चिष्ठ।
- भूभौतिकी: पृथ्वी और उसकी जलवायु की भौतिकी – भूभौतिकी भौतिकी से पृथ्वी को समझती है। सूर्य से आने वाली ऊर्जा और बाहर जाने वाली गर्मी बराबर हों तो तापमान स्थिर रहता है। ग्रीनहाउस परत कुछ गर्मी वापस भेजती है, इसलिए औसत तापमान लगभग −18 °C से बढ़कर लगभग 15 °C हो जाता है। भूकंपीय तरंगें पृथ्वी के अंदर की परतें बताती हैं।
- जैवभौतिकी: जीवित शरीर की भौतिकी – जैवभौतिकी भौतिकी से शरीर को समझती है। हृदय एक पंप है जो दबाव बनाता है; रक्त नलियों में बहता है और नली पतली होने पर बहाव बहुत घट जाता है क्योंकि बहाव त्रिज्या की चौथी घात पर निर्भर है। हड्डियाँ और मांसपेशियाँ उत्तोलक की तरह काम करती हैं। शरीर को पढ़ने और बचाने के लिए हम मात्रक, ग्राफ़ और सुरक्षा सीमाओं का उपयोग करते हैं।
- नियंत्रण प्रणाली और फ़ीडबैक (Control Systems) – नियंत्रण प्रणाली किसी मशीन या प्रक्रम को हमारी इच्छा के अनुसार चलाती है। हर प्रणाली में इनपुट → प्रक्रम (नियंत्रक) → आउटपुट होता है। खुले लूप (open loop) में नियंत्रक परिणाम नहीं जाँचता (टाइमर वाला टोस्टर)। बंद लूप (closed loop) में सेंसर आउटपुट मापकर वापस भेजता है; नियंत्रक उसकी तुलना निर्धारित मान (set point) से करता है और त्रुटि ठीक करता है (थर्मोस्टैट, क्रूज़ कंट्रोल)। असली प्रणालियाँ सेंसर, नियंत्रक (इलेक्ट्रॉनिक परिपथ, माइक्रोकंट्रोलर या PLC) और एक्चुएटर (मोटर, हीटर, वाल्व, हवा वाले सिलिंडर) से बनती हैं। कई अब नेटवर्क से जुड़ी हैं (IoT, SCADA), ताकि दूर से देखी और चलाई जा सकें।