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IGNOU BPHCT-131 Solved Question Paper PDF Download

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IGNOU BPHCT-131 Solved Question Paper PDF

IGNOU Previous Year Solved Question Papers

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IGNOU BPHCT-131 Previous Year Solved Question Paper in Hindi

Q1. (क) किन्हीं दो शून्येतर परिमाण वाले सदिशों p और q के बीच का कोण ज्ञात कीजिए, यदि दिया हो कि |p+q| = |p-q| (ख) निम्नलिखित अवकल समीकरण की कोटि और घात बताइए: y”’ + √(y”) = x (ग) अंतरिक्ष यात्रियों को उच्च त्वरण सहने का प्रशिक्षण देने के लिए उन्हें एक वर्तुल गति कर रहे कक्ष में रखा जाता है। यदि कक्ष 2.0 rad s⁻¹ की अचर कोणीय चाल से घूर्णन करता है, तो उसमें बैठे अन्तरिक्ष यात्री का g के पदों में त्वरण क्या है? दिया गया है कि कक्ष में अंतरिक्ष यात्री 10 m त्रिज्या वाले वृत्त में घूर्णन करते हैं। (घ) द्रव्यमान 3000 kg की एक लिफ्ट अचर चाल से 25.0 s में 200 m की दूरी तय करती है। केबल द्वारा लिफ्ट पर लग रहा बल किस औसत दर से लिफ्ट पर कार्य करता है? g=10ms⁻² लीजिए। (ङ) वर्तुल गति कर रहे एक कण की घूर्णी गतिज ऊर्जा 100 J है। वह वृत्त में 22.0 s में एक परिक्रमण करता है। कण का जड़त्व आघूर्ण क्या होगा? (च) समान-क्षेत्रफल नियम का प्रयोग करके समझाइए कि बल के केन्द्र से अधिक दूरी होने पर पिंड का वेग कम क्यों होता है। (छ) सरल आवर्त गति करते किसी पिंड का विस्थापन निम्न समीकरण द्वारा व्यक्त है: x = 0.05cos(4πt + 0.0625)m. ज्ञात कीजिए: (i) अधिकतम वेग (ii) अधिकतम त्वरण (ज) अवमंदित दोलन के लिए विश्रांति काल क्या होता है?

Ans. (क) दिया गया है: | p + q | = | p – q |

दोनों पक्षों का वर्ग करने पर:

| p + q |² = | p – q |²

( p + q ) ⋅ ( p + q ) = ( p – q ) ⋅ ( p – q )

p ⋅ p + p ⋅ q + q ⋅ p + q ⋅ q = p ⋅ p – p ⋅ q – q ⋅ p + q ⋅ q

p² + 2( p ⋅ q ) + q² = p² – 2( p ⋅ q ) + q²

4( p ⋅ q ) = 0

p ⋅ q = 0

यदि θ सदिशों p और q के बीच का कोण है, तो p ⋅ q = pq cosθ।

pq cosθ = 0

चूंकि p और q शून्येतर सदिश हैं (p ≠ 0, q ≠ 0), इसलिए cosθ = 0।

अतः, θ = 90° या π/2 रेडियन। दोनों सदिश एक दूसरे के लंबवत हैं।

(ख) दिया गया अवकल समीकरण है:

y”’ + √(y”) = x

y”’ – x = -√(y”)

अपरिमेय पद को हटाने के लिए दोनों पक्षों का वर्ग करने पर:

(y”’ – x)² = (-√(y”))²

(y”’)² – 2xy”’ + x² = y”

समीकरण की कोटि उच्चतम अवकलज की कोटि होती है, जो यहाँ y”’ है। अतः, कोटि = 3 है।

समीकरण की घात उच्चतम कोटि के अवकलज की घात होती है, जब समीकरण अवकलजों में एक बहुपद हो। यहाँ उच्चतम कोटि के अवकलज (y”’) की घात 2 है। अतः, घात = 2 है। (ग) दिया गया है: कोणीय चाल, ω = 2.0 rad s⁻¹, त्रिज्या, r = 10 m। एकसमान वर्तुल गति में, कण का अभिकेंद्रीय त्वरण होता है:

a = ω²r

a = (2.0 rad s⁻¹)² × 10 m = 4.0 s⁻² × 10 m = 40 m/s²

त्वरण को g के पदों में व्यक्त करने के लिए (जहाँ g ≈ 10 m/s²), हम त्वरण ‘a’ को ‘g’ से विभाजित करते हैं:

a/g = (40 m/s²) / (10 m/s²) = 4

अतः, त्वरण a = 4g है। (घ) दिया गया है: द्रव्यमान, m = 3000 kg, दूरी, d = 200 m, समय, t = 25.0 s, g = 10 m/s²। चूंकि लिफ्ट अचर चाल से ऊपर जा रही है, केबल में तनाव बल (F) लिफ्ट के भार (mg) के बराबर होगा।

F = mg = 3000 kg × 10 m/s² = 30000 N

बल द्वारा किया गया कार्य (W) है:

W = F × d = 30000 N × 200 m = 6,000,000 J

कार्य करने की औसत दर (शक्ति, P) है:

P = W / t = 6,000,000 J / 25.0 s = 240,000 W या 2.4 × 10⁵ W । (ङ) दिया गया है: घूर्णी गतिज ऊर्जा, KE_rot = 100 J, एक परिक्रमण का समय, T = 22.0 s। कण की कोणीय चाल (ω) है:

ω = 2π / T = 2π / 22.0 s = π / 11 rad/s

घूर्णी गतिज ऊर्जा का सूत्र है:

KE_rot = (1/2)Iω²

जहाँ I जड़त्व आघूर्ण है।

100 J = (1/2) × I × (π / 11 s⁻¹)²

100 = (1/2) × I × (π²/121)

I = (100 × 2 × 121) / π² = 24200 / π²

π² ≈ (3.14159)² ≈ 9.87 का प्रयोग करने पर:

I ≈ 24200 / 9.87 ≈ 2451.9 kg m² । (च) केपलर का दूसरा नियम, जिसे समान-क्षेत्रफल नियम भी कहते हैं, यह बताता है कि एक ग्रह सूर्य के चारों ओर इस प्रकार घूमता है कि ग्रह को सूर्य से मिलाने वाली रेखा समान समय अंतराल में समान क्षेत्रफल तय करती है। इसका अर्थ है कि क्षेत्रीय वेग (dA/dt) स्थिर रहता है।

क्षेत्रीय वेग कोणीय संवेग (L) और पिंड के द्रव्यमान (m) से संबंधित है: dA/dt = L / (2m)।

चूंकि केंद्रीय बल के तहत कोणीय संवेग संरक्षित रहता है, L और m स्थिर होते हैं, इसलिए dA/dt स्थिर होता है।

एक छोटे समय अंतराल dt में तय किया गया क्षेत्रफल dA ≈ (1/2)r(v⊥dt) है, जहाँ v⊥ वेग का त्रिज्यीय दिशा के लंबवत घटक है। dA/dt = (1/2)rv⊥ = नियतांक।

इस संबंध से, यदि पिंड बल के केंद्र (r) से दूर है, तो ‘r’ का मान अधिक होता है। dA/dt को स्थिर रखने के लिए, वेग का लंबवत घटक v⊥ कम होना चाहिए। इसलिए, जब कोई वस्तु बल के केंद्र से अधिक दूर होती है तो वह धीमी गति से चलती है। (छ) दिया गया विस्थापन समीकरण है: x = 0.05cos(4πt + 0.0625) m। SHM के मानक समीकरण x = Acos(ωt + φ) से तुलना करने पर, हम पाते हैं:

आयाम, A = 0.05 m

कोणीय आवृत्ति, ω = 4π rad/s

(i) अधिकतम वेग (v_max) : v_max = Aω = 0.05 m × 4π rad/s = 0.2π m/s ≈ 0.628 m/s । (ii) अधिकतम त्वरण (a_max) : a_max = Aω² = 0.05 m × (4π rad/s)² = 0.05 × 16π² m/s² = 0.8π² m/s² ≈ 7.89 m/s² । (ज) एक अवमंदित दोलन में, विश्रांति काल (τ) वह समय होता है जिसमें दोलन का आयाम अपने प्रारंभिक मान का 1/e (लगभग 37%) तक क्षय हो जाता है। यह अवमंदन की दर का एक माप है। यदि आयाम समीकरण A(t) = A₀e⁻ᵇᵗ/(²ᵐ) द्वारा दिया गया है, तो विश्रांति काल τ = 2m/b होता है, जहाँ ‘b’ अवमंदन गुणांक है और ‘m’ द्रव्यमान है। एक छोटा विश्रांति काल तीव्र अवमंदन को इंगित करता है।

Q2. (क) समय के फलन के रूप में किसी कण का स्थिति सदिश निम्नलिखित है: r(t) = 5cos(4t)î + 5sin(4t)ĵ + 10k. इसका वेग और त्वरण ज्ञात कीजिए। सिद्ध कीजिए कि इसकी चाल तथा त्वरण के परिमाण अचर हैं। (ख) सिद्ध कीजिए कि निम्नलिखित साधारण अवकल समीकरण यथातथ है और इसका हल प्राप्त कीजिए: xy’ + 2x + y = 0 (ग) एक LCR परिपथ में एक प्रेरक L, संधारित्र C और प्रतिरोध R को श्रेणी में जोड़ा जाता है। परिपथ में प्रवाहित आवेश ‘q’ का समय ‘t’ के साथ परिवर्तन निम्नलिखित अवकल समीकरण द्वारा दिया जाता है: L(d²q/dt²) + R(dq/dt) + q/C = 0. इस समीकरण को हल करके ‘q’ को समय ‘t’ के फलन के रूप में प्राप्त कीजिए।

Ans. (क) दिया गया स्थिति सदिश है:

r (t) = 5cos(4t)î + 5sin(4t)ĵ + 10k

वेग (v) स्थिति सदिश का समय के सापेक्ष प्रथम अवकलज है:

v (t) = d r /dt = d/dt [5cos(4t)î + 5sin(4t)ĵ + 10k]

v (t) = 5(-4sin(4t))î + 5(4cos(4t))ĵ + 0k

v (t) = -20sin(4t)î + 20cos(4t)ĵ

त्वरण (a) वेग सदिश का समय के सापेक्ष प्रथम अवकलज है:

a (t) = d v /dt = d/dt [-20sin(4t)î + 20cos(4t)ĵ]

a (t) = -20(4cos(4t))î + 20(-4sin(4t))ĵ

a (t) = -80cos(4t)î – 80sin(4t)ĵ

अब, हम चाल (वेग का परिमाण) और त्वरण का परिमाण ज्ञात करते हैं।

चाल (|v|) :

| v (t)| = √[(-20sin(4t))² + (20cos(4t))²]

| v (t)| = √[400sin²(4t) + 400cos²(4t)]

| v (t)| = √[400(sin²(4t) + cos²(4t))] = √400 = 20 m/s

चूंकि चाल 20 m/s है, जो एक स्थिर मान है, यह समय पर निर्भर नहीं करती है। अतः, चाल अचर है ।

त्वरण का परिमाण (|a|) :

| a (t)| = √[(-80cos(4t))² + (-80sin(4t))²]

| a (t)| = √[6400cos²(4t) + 6400sin²(4t)]

| a (t)| = √[6400(cos²(4t) + sin²(4t))] = √6400 = 80 m/s²

चूंकि त्वरण का परिमाण 80 m/s² है, जो एक स्थिर मान है, यह भी समय पर निर्भर नहीं करता है। अतः, त्वरण का परिमाण अचर है ।

(ख) दिया गया अवकल समीकरण है:

xy’ + 2x + y = 0

y’ = dy/dx का उपयोग करके इसे पुनः लिखने पर:

x(dy/dx) + 2x + y = 0

dx से गुणा करने पर:

x dy + (2x + y) dx = 0

इसे M(x, y)dx + N(x, y)dy = 0 के रूप में व्यवस्थित करने पर:

(y + 2x)dx + x dy = 0

यहाँ, M(x, y) = y + 2x और N(x, y) = x है।

यथातथता के लिए शर्त है ∂M/∂y = ∂N/∂x।

∂M/∂y = ∂/∂y (y + 2x) = 1

∂N/∂x = ∂/∂x (x) = 1

चूंकि ∂M/∂y = ∂N/∂x, दिया गया अवकल समीकरण यथातथ है ।

हल : यथातथ समीकरण का हल ∫M dx (y को अचर मानकर) + ∫(N के वे पद जिनमें x नहीं है) dy = C द्वारा दिया जाता है।

∫(y + 2x) dx + ∫(0) dy = C

xy + x² = C

अतः, दिए गए अवकल समीकरण का हल xy + x² = C है, जहाँ C एक समाकलन स्थिरांक है। (ग) दिया गया LCR परिपथ का अवकल समीकरण है:

L(d²q/dt²) + R(dq/dt) + q/C = 0

यह एक द्वितीय कोटि का रैखिक समांगी अवकल समीकरण है जिसके गुणांक स्थिर हैं। इसका हल खोजने के लिए, हम अभिलाक्षणिक समीकरण बनाते हैं, मान लीजिए q = e^(αt):

Lα² + Rα + 1/C = 0

इस द्विघात समीकरण के मूल हैं:

α = [-R ± √(R² – 4L/C)] / (2L)

हल की प्रकृति विविक्तकर, D = R² – 4L/C, के चिह्न पर निर्भर करती है।

  • स्थिति 1: अति अवमंदित (Overdamped) (R² > 4L/C) इस स्थिति में, विविक्तकर धनात्मक होता है, और α के दो वास्तविक, भिन्न मूल होते हैं, α₁ और α₂। α₁, α₂ = -R/(2L) ± √((R/2L)² – 1/(LC)) हल का सामान्य रूप है: q(t) = A₁e^(α₁t) + A₂e^(α₂t) जहाँ A₁ और A₂ प्रारंभिक स्थितियों से निर्धारित स्थिरांक हैं। आवेश बिना दोलन के चरघातांकी रूप से शून्य तक क्षय होता है।
  • स्थिति 2: क्रांतिक अवमंदित (Critically Damped) (R² = 4L/C) इस स्थिति में, विविक्तकर शून्य होता है, और α का एक वास्तविक, पुनरावृत्त मूल होता है, α = -R/(2L)। हल का सामान्य रूप है: q(t) = (A₁ + A₂t)e^(-Rt/2L) यह सबसे तेज संभव क्षय है जिसमें कोई दोलन नहीं होता है।
  • स्थिति 3: अल्प अवमंदित (Underdamped) (R² < 4L/C) इस स्थिति में, विविक्तकर ऋणात्मक होता है, और मूल सम्मिश्र संयुग्मी होते हैं। α = -R/(2L) ± i√((1/LC) – (R/2L)²) इसे α = -γ ± iω’ के रूप में लिखा जा सकता है, जहाँ γ = R/2L (अवमंदन गुणांक) और ω’ = √((1/LC) – (R/2L)²) (अवमंदित कोणीय आवृत्ति) है। हल का सामान्य रूप है: q(t) = e^(-γt) [A₁cos(ω’t) + A₂sin(ω’t)] या, q(t) = A e^(-γt) cos(ω’t + φ), जहाँ A और φ स्थिरांक हैं। आवेश समय के साथ घटते आयाम के साथ दोलन करता है।

Q3. (क) एक हवाई जहाज का द्रव्यमान 50000 kg है। हवाई जहाज एक सरल रेखा में 1000 km h⁻¹ की अचर चाल से गतिमान है। हवाई जहाज पर उत्थापन बल उसके भार के बराबर है। पायलट इंजन के प्रणोद को बढ़ाकर 90000 N कर देता है। मान लीजिए कि वायु प्रतिरोध बल 25 s में इंजन के प्रणोद के बराबर हो जाता है। उस क्षण पर हवाई जहाज की बढ़ी हुई अचर चाल क्या होगी? उसकी चाल में वृद्धि कितनी है? (ख) एक भूतुल्यकाली उपग्रह की पृथ्वी की सतह से ऊँचाई परिकलित कीजिए। दिया गया है: G = 6.67×10⁻¹¹ Nm²kg⁻², पृथ्वी का द्रव्यमान Mₑ = 6.0×10²⁴ kg और पृथ्वी की त्रिज्या = 6.4×10⁶ m लीजिए। (ग) जब एक द्विचरण रॉकेट को मुक्त आकाश में छोड़ा जाता है, तब उसका प्रारंभिक द्रव्यमान 1000 kg है। जब रॉकेट के पहले चरण में 600 kg द्रव्यमान का ईंधन जल जाता है, तब रॉकेट 500 ms⁻¹ के आपेक्षिक वेग से गैस की धारा उत्सर्जित करता है। रॉकेट के पहले चरण के गिरने के बाद रॉकेट का वेग क्या होगा?

Ans. (क) इस प्रश्न में दी गई जानकारी थोड़ी अस्पष्ट है, विशेष रूप से वायु प्रतिरोध के बारे में। हम एक उचित धारणा बनाएंगे कि त्वरण अवधि के दौरान औसत शुद्ध बल कार्य करता है।

दिया गया है: द्रव्यमान, m = 50000 kg

प्रारंभिक चाल, vᵢ = 1000 km/h = 1000 × (1000 m / 3600 s) ≈ 277.8 m/s

नया प्रणोद, T_new = 90000 N

समय, t = 25 s

25 s के बाद, नई स्थिर चाल पर, वायु प्रतिरोध (R_f) नए प्रणोद के बराबर है, R_f = 90000 N।

प्रारंभ में, स्थिर चाल पर, प्रारंभिक प्रणोद (T_i) प्रारंभिक वायु प्रतिरोध (R_i) के बराबर था। R_i का मान अज्ञात है।

धारणा: हम यह मान सकते हैं कि 25 s की अवधि में त्वरण के लिए जिम्मेदार शुद्ध बल, प्रारंभिक शुद्ध बल (90000 N – R_i) और अंतिम शुद्ध बल (0) का औसत है। चूंकि R_i अज्ञात है, हम एक और सरलीकरण करते हैं: हम मान लेते हैं कि औसत त्वरणकारी बल नए प्रणोद और अंतिम प्रतिरोध के औसत से संबंधित है। एक और सरल और व्यावहारिक धारणा यह है कि शुद्ध बल रैखिक रूप से समय के साथ घटता है। त्वरण की शुरुआत में शुद्ध बल F_net,initial = 90000 – R_i और अंत में F_net,final = 0 होता है। औसत शुद्ध बल F_avg = (F_net,initial + F_net,final) / 2 = (90000 – R_i)/2 होगा। चूंकि R_i अज्ञात है, हम यह मान लेते हैं कि औसत शुद्ध बल को (90000 N)/2 = 45000 N के रूप में अनुमानित किया जा सकता है। यह एक महत्वपूर्ण धारणा है।

औसत त्वरण, a_avg = F_avg / m = 45000 N / 50000 kg = 0.9 m/s²

अब हम गति के समीकरण का उपयोग करके अंतिम चाल (v_f) की गणना कर सकते हैं:

v_f = v_i + a_avg × t

v_f = 277.8 m/s + (0.9 m/s² × 25 s)

v_f = 277.8 m/s + 22.5 m/s = 300.3 m/s

यह km/h में है: 300.3 × (3600/1000) ≈ 1081 km/h।

चाल में वृद्धि :

Δv = v_f – v_i = 300.3 m/s – 277.8 m/s = 22.5 m/s ।

(ख) एक भूतुल्यकाली उपग्रह पृथ्वी के चारों ओर 24 घंटे की अवधि के साथ परिक्रमा करता है, जो पृथ्वी के घूर्णन की अवधि के बराबर है।

आवर्त काल, T = 24 घंटे = 24 × 3600 s = 86400 s

कक्षा की त्रिज्या ‘r’ (पृथ्वी के केंद्र से) के लिए, गुरुत्वाकर्षण बल आवश्यक अभिकेंद्रीय बल प्रदान करता है:

F_g = F_c

GMₑm / r² = mω²r

जहाँ m उपग्रह का द्रव्यमान है और ω कोणीय वेग है।

GMₑ / r³ = ω²

चूंकि ω = 2π / T, हम लिख सकते हैं:

GMₑ / r³ = (2π / T)² = 4π² / T²

r³ = (GMₑT²) / (4π²)

दिए गए मानों को रखने पर:

G = 6.67 × 10⁻¹¹ Nm²kg⁻²

Mₑ = 6.0 × 10²⁴ kg

T = 86400 s

r³ = [(6.67 × 10⁻¹¹) × (6.0 × 10²⁴) × (86400)²] / [4π²]

r³ = [4.002 × 10¹⁴ × 7.465 × 10⁹] / [39.48]

r³ ≈ (2.988 × 10²⁴) / 39.48 ≈ 7.568 × 10²² m³

r = (7.568 × 10²²)¹/³ m ≈ 4.23 × 10⁷ m

यह पृथ्वी के केंद्र से दूरी है। पृथ्वी की सतह से ऊँचाई (h) है:

h = r – Rₑ

जहाँ Rₑ पृथ्वी की त्रिज्या है = 6.4 × 10⁶ m।

h = (4.23 × 10⁷ m) – (0.64 × 10⁷ m)

h = 3.59 × 10⁷ m = 35900 km

अतः, भूतुल्यकाली उपग्रह की ऊँचाई लगभग 35,900 km है। (ग) हम रॉकेट समीकरण का उपयोग करके वेग में परिवर्तन की गणना कर सकते हैं:

Δv = v_rel * ln(m_i / m_f)

जहाँ:

Δv = रॉकेट के वेग में परिवर्तन

v_rel = गैस का आपेक्षिक वेग = 500 m/s

m_i = रॉकेट का प्रारंभिक द्रव्यमान = 1000 kg

m_f = रॉकेट का अंतिम द्रव्यमान (ईंधन जलने के बाद)

जले हुए ईंधन का द्रव्यमान = 600 kg।

अंतिम द्रव्यमान, m_f = m_i – (जला हुआ ईंधन) = 1000 kg – 600 kg = 400 kg।

मानों को समीकरण में रखने पर:

Δv = 500 × ln(1000 / 400)

Δv = 500 × ln(2.5)

ln(2.5) ≈ 0.9163

Δv = 500 × 0.9163 ≈ 458.15 m/s

चूंकि रॉकेट को “मुक्त आकाश में छोड़ा जाता है”, हम मान सकते हैं कि यह उस क्षण में विरामावस्था में था (प्रारंभिक वेग = 0)। इसलिए, पहले चरण के गिरने के बाद रॉकेट का वेग Δv के बराबर होगा।

रॉकेट का वेग ≈ 458 m/s ।

Q4. (क) (i) एक साइकिल त्रिज्या 5 m के वृत्ताकार पथ पर 50 m की दूरी तय करती है। उसकी आरंभिक स्थिति से उसका रेडियन में कोणीय विस्थापन क्या है? (ii) पृथ्वी सूर्य के चारों ओर 365.25 दिन में लगभग वृत्तीय कक्षा में एक बार परिक्रमा करती है। पृथ्वी की सतह पर स्थित कण की औसत कोणीय चाल क्या है, जब वह सूर्य की परिक्रमा करती है? पृथ्वी के घूर्णन की दिशा को कोणीय विस्थापन की धनात्मक दिशा मानिए। (ख) कोणीय संवेग संरक्षण नियम का कथन लिखिए। एक मेरी-गो-राउण्ड जिसका जड़त्व आघूर्ण 5000 kg m² है, एक घर्षणहीन ऊर्ध्वाधर ऐक्सल पर रखा हुआ है। वह प्रारम्भ में 1 प्रति मिनट परिक्रमण की कोणीय चाल से घूर्णन कर रहा है। एक लड़की, त्रिज्य दिशा में मेरी-गो-राउण्ड पर कूदकर चढ़ जाती है। यदि मेरी-गो-राउण्ड की कोणीय चाल घटकर 0.8 r.p.m. रह जाती है, तो लड़की का जड़त्व आघूर्ण प्राप्त कीजिए। (ग) द्रव्यमान ‘m’ वाली एक बिलियर्ड्स की गेंद विरामावस्था में स्थित समान द्रव्यमान वाली दूसरी बिलियर्ड्स की गेंद से प्रत्यास्थ संघट्टन करती है। उसके बाद वह अपनी आरंभिक गति की दिशा से θ के कोण पर सरल रेखा में गतिमान होती है। संघट्टन के बाद लक्ष्य और प्रक्षेप्य एक-दूसरे के सापेक्ष किस कोण पर गतिमान होते हैं?

Ans. (क) (i) दिया गया है:

तय की गई दूरी (चाप की लंबाई), s = 50 m

त्रिज्या, r = 5 m

कोणीय विस्थापन (θ) रेडियन में चाप की लंबाई और त्रिज्या के अनुपात द्वारा दिया जाता है:

θ = s / r

θ = 50 m / 5 m = 10 रेडियन

साइकिल का कोणीय विस्थापन 10 रेडियन है।

(ii) पृथ्वी का सूर्य के चारों ओर परिक्रमण काल:

T = 365.25 दिन

इसे सेकंड में बदलने पर:

T = 365.25 दिन × 24 घंटे/दिन × 3600 सेकंड/घंटा ≈ 3.156 × 10⁷ s

एक पूर्ण परिक्रमा में कोणीय विस्थापन Δθ = 2π रेडियन होता है।

औसत कोणीय चाल (ω) है:

ω = Δθ / T = 2π / T

ω = 2π रेडियन / (3.156 × 10⁷ s)

ω ≈ 1.99 × 10⁻⁷ rad/s

चूंकि पृथ्वी के घूर्णन की दिशा को धनात्मक माना गया है, कोणीय चाल का मान धनात्मक है। (ख) कोणीय संवेग संरक्षण का नियम: इस नियम के अनुसार, यदि किसी निकाय पर कुल बाह्य बल आघूर्ण शून्य है, तो निकाय का कुल कोणीय संवेग स्थिर या संरक्षित रहता है। गणितीय रूप से, यदि τ_ext = 0, तो d L /dt = 0, जिसका अर्थ है L = नियतांक।

संख्यात्मक समस्या:

निकाय: मेरी-गो-राउण्ड + लड़की।

चूंकि लड़की त्रिज्य दिशा में कूदती है, वह कोई प्रारंभिक कोणीय संवेग नहीं लाती है, और कोई बाह्य बल आघूर्ण नहीं है। इसलिए, निकाय का कोणीय संवेग संरक्षित रहता है।

L_प्रारंभिक = L_अंतिम

I_प्रारंभिक ω_प्रारंभिक = I_अंतिम ω_अंतिम

दिया गया है: मेरी-गो-राउण्ड का जड़त्व आघूर्ण, I_mgr = 5000 kg m²

प्रारंभिक कोणीय चाल, ω_i = 1 rpm (प्रति मिनट परिक्रमण)

अंतिम कोणीय चाल, ω_f = 0.8 rpm

प्रारंभ में, केवल मेरी-गो-राउण्ड घूम रहा है: I_प्रारंभिक = I_mgr = 5000 kg m²

अंत में, लड़की और मेरी-गो-राउण्ड एक साथ घूम रहे हैं: I_अंतिम = I_mgr + I_लड़की

संरक्षण नियम लागू करने पर:

I_mgr ω_i = (I_mgr + I_लड़की) ω_f

5000 kg m² × 1 rpm = (5000 kg m² + I_लड़की) × 0.8 rpm

(हम rpm में इकाइयों को रख सकते हैं क्योंकि वे दोनों पक्षों से रद्द हो जाएंगे)

5000 = (5000 + I_लड़की) × 0.8

5000 / 0.8 = 5000 + I_लड़की

6250 = 5000 + I_लड़की

I_लड़की = 6250 – 5000 = 1250 kg m²

अतः, लड़की का जड़त्व आघूर्ण 1250 kg m² है। (ग) यह समान द्रव्यमान की दो वस्तुओं के बीच एक द्विविमीय प्रत्यास्थ संघट्टन का एक विशेष मामला है, जिसमें एक वस्तु प्रारंभ में विरामावस्था में है।

मान लीजिए कि प्रक्षेप्य गेंद का द्रव्यमान m और प्रारंभिक वेग u₁ है, और लक्ष्य गेंद का द्रव्यमान m और प्रारंभिक वेग u₂ = 0 है।

संघट्टन के बाद, प्रक्षेप्य गेंद का वेग v₁ है और यह प्रारंभिक दिशा से θ कोण बनाती है। लक्ष्य गेंद का वेग v₂ है और यह प्रारंभिक दिशा से φ कोण बनाती है।

संवेग संरक्षण से:

x-अक्ष: mu₁ = mv₁cosθ + mv₂cosφ => u₁ = v₁cosθ + v₂cosφ (1)

y-अक्ष: 0 = mv₁sinθ – mv₂sinφ => v₁sinθ = v₂sinφ (2)

गतिज ऊर्जा संरक्षण (प्रत्यास्थ संघट्टन) से:

(1/2)mu₁² = (1/2)mv₁² + (1/2)mv₂² => u₁² = v₁² + v₂² (3)

यह एक प्रसिद्ध परिणाम है कि जब एक गतिमान वस्तु विरामावस्था में समान द्रव्यमान की दूसरी वस्तु से प्रत्यास्थ रूप से टकराती है (और संघट्टन आमने-सामने नहीं होता है), तो संघट्टन के बाद दोनों वस्तुएं एक-दूसरे से समकोण (90°) पर चलती हैं।

उपपत्ति:

समीकरण (1) और (2) को इस प्रकार लिखा जा सकता है:

u₁ = v₁ + v₂

इस सदिश समीकरण का स्वयं के साथ अदिश गुणन करने पर:

u₁ ⋅ u₁ = ( v₁ + v₂ ) ⋅ ( v₁ + v₂ )

u₁² = v₁ ⋅ v₁ + 2( v₁ ⋅ v₂ ) + v₂ ⋅ v₂

u₁² = v₁² + v₂² + 2( v₁ ⋅ v₂ ) (4)

ऊर्जा संरक्षण समीकरण (3) को समीकरण (4) में प्रतिस्थापित करने पर:

v₁² + v₂² = v₁² + v₂² + 2( v₁ ⋅ v₂ )

0 = 2( v₁ ⋅ v₂ )

v₁ ⋅ v₂ = 0

दो शून्येतर सदिशों का अदिश गुणन शून्य होता है यदि और केवल यदि वे एक-दूसरे के लंबवत हों। अतः, संघट्टन के बाद दोनों गेंदें एक-दूसरे से 90° के कोण पर गति करती हैं। लक्ष्य और प्रक्षेप्य के बीच का कोण 90° या π/2 है।

Q5. (क) किसी अवमंदित कमानी-द्रव्यमान निकाय का कंपन आयाम 200 s में 10 cm से घटकर 2.5 cm रह जाता है। यदि यह दोलक इस समयान्तराल में 50 दोलन पूरे करता है, तो इसके आवर्त काल की उन दो स्थितियों में तुलना कीजिए जब यह अवमंदित है और जब यह अनवमंदित है। (ख) दो संरेख आवर्ती दोलन निम्नवत्‌ निरूपित किए गए हैं: x₁(t) = 4sin(20πt + π/3) cm, x₂(t) = 3sin(20πt + π/6) cm. इन दो संरेख दोलनों के अध्यारोपण के फलस्वरूप उत्पन्न परिणामी दोलन के आयाम, कला नियतांक और परिणामी दोलन का आवर्तकाल परिकलित कीजिए। (ग) (i) स्पंद और तरंग में भेद बताइए। (ii) एक प्रगामी अनुप्रस्थ तरंग को निम्नलिखित व्यंजक द्वारा व्यक्त किया जाता है: y(x, t) = 0.01sin(256t – 63x) m. तरंग की संचरण दिशा निर्धारित कीजिए और इसका आयाम, तरंगदैर्घ्य, आवृत्ति एवं वेग परिकलित कीजिए।

Ans. (क) एक अवमंदित दोलक के लिए, आयाम समय के साथ चरघातांकी रूप से घटता है:

A(t) = A₀e⁻γᵗ

जहाँ A₀ प्रारंभिक आयाम, A(t) समय t पर आयाम, और γ अवमंदन गुणांक है।

दिया गया है: A₀ = 10 cm, A(200s) = 2.5 cm, t = 200 s।

2.5 = 10 e⁻²⁰⁰γ

0.25 = e⁻²⁰⁰γ

ln(0.25) = -200γ

-ln(4) = -200γ => γ = ln(4) / 200 ≈ 1.386 / 200 ≈ 0.00693 s⁻¹।

दोलक 200 s में 50 दोलन पूरे करता है। इसलिए, अवमंदित आवर्त काल (T_d) है:

T_d = 200 s / 50 = 4.0 s

अवमंदित कोणीय आवृत्ति (ω_d) है:

ω_d = 2π / T_d = 2π / 4 = π/2 rad/s ≈ 1.571 rad/s।

प्राकृतिक कोणीय आवृत्ति (ω₀, बिना अवमंदन के) और अवमंदित कोणीय आवृत्ति (ω_d) के बीच संबंध है:

ω_d² = ω₀² – γ²

ω₀² = ω_d² + γ²

ω₀² = (π/2)² + (0.00693)² ≈ (1.571)² + 0.000048 ≈ 2.468 + 0.000048 = 2.468048

ω₀ = √2.468048 ≈ 1.571002 rad/s

अनवमंदित आवर्त काल (T₀) है:

T₀ = 2π / ω₀ = 2π / 1.571002 ≈ 3.999 s

तुलना: अवमंदित आवर्त काल T_d = 4.0 s है, जबकि अनवमंदित आवर्त काल T₀ ≈ 3.999 s है। दोनों आवर्त काल लगभग बराबर हैं (T_d ≈ T₀)। इसका कारण यह है कि अवमंदन बहुत कमजोर है (γ का मान ω_d की तुलना में बहुत छोटा है), इसलिए यह दोलन की आवृत्ति को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित नहीं करता है।

(ख) दिए गए दो संरेख आवर्ती दोलन हैं:

x₁(t) = 4sin(20πt + π/3)

x₂(t) = 3sin(20πt + π/6)

अध्यारोपण सिद्धांत के अनुसार, परिणामी विस्थापन x(t) = x₁(t) + x₂(t) है।

परिणामी दोलन का रूप होगा x(t) = A_R sin(20πt + δ), जहाँ A_R परिणामी आयाम और δ परिणामी कला नियतांक है।

हम सदिश (फेजर) जोड़ विधि का उपयोग करते हैं:

A₁ = 4, φ₁ = π/3

A₂ = 3, φ₂ = π/6

परिणामी आयाम (A_R) :

A_R² = A₁² + A₂² + 2A₁A₂cos(φ₁ – φ₂)

φ₁ – φ₂ = π/3 – π/6 = π/6

A_R² = 4² + 3² + 2(4)(3)cos(π/6) = 16 + 9 + 24(√3/2) = 25 + 12√3

A_R² ≈ 25 + 12(1.732) = 25 + 20.784 = 45.784

A_R = √45.784 ≈ 6.77 cm

कला नियतांक (δ) :

tan(δ) = (A₁sinφ₁ + A₂sinφ₂) / (A₁cosφ₁ + A₂cosφ₂)

sin(π/3) = √3/2, cos(π/3) = 1/2

sin(π/6) = 1/2, cos(π/6) = √3/2

tan(δ) = [4(√3/2) + 3(1/2)] / [4(1/2) + 3(√3/2)] = (2√3 + 1.5) / (2 + 1.5√3)

tan(δ) ≈ (2×1.732 + 1.5) / (2 + 1.5×1.732) = (3.464 + 1.5) / (2 + 2.598) = 4.964 / 4.598 ≈ 1.08

δ = arctan(1.08) ≈ 0.824 रेडियन (या 47.2°)

आवर्तकाल (T) :

कोणीय आवृत्ति ω = 20π rad/s दोनों दोलनों के लिए समान है। इसलिए, परिणामी दोलन की कोणीय आवृत्ति भी 20π rad/s होगी।

T = 2π / ω = 2π / (20π) = 0.1 s । (ग) (i) स्पंद और तरंग में भेद:

  • स्पंद (Pulse): एक स्पंद एक एकल, गैर-आवर्ती विक्षोभ है जो एक माध्यम में यात्रा करता है। इसका एक निश्चित आरंभ और अंत होता है और यह थोड़े समय के लिए रहता है। उदाहरण: एक रस्सी के एक सिरे को एक बार झटका देना।
  • तरंग (Wave): एक तरंग एक सतत, आवर्ती विक्षोभ है जो एक माध्यम में ऊर्जा और संवेग का स्थानांतरण करता है। यह नियमित अंतराल पर दोहराए जाने वाले स्पंदों की एक श्रृंखला के रूप में सोचा जा सकता है। उदाहरण: एक ज्यावक्रीय तरंग।

मुख्य अंतर उनकी अवधि और आवधिकता में है। (ii) दी गई प्रगामी तरंग का समीकरण है:

y(x, t) = 0.01sin(256t – 63x) m

इसकी तुलना मानक समीकरण y(x, t) = Asin(ωt – kx) से करने पर:

  • संचरण की दिशा: चूंकि ‘t’ और ‘x’ पदों के बीच का चिह्न ऋणात्मक (-) है, तरंग धनात्मक x-दिशा में संचरित हो रही है।
  • आयाम (A): A = 0.01 m ।
  • कोणीय आवृत्ति (ω): ω = 256 rad/s। आवृत्ति (f) = ω / 2π = 256 / (2π) ≈ 40.74 Hz ।
  • तरंग संख्या (k): k = 63 rad/m। तरंगदैर्घ्य (λ) = 2π / k = 2π / 63 ≈ 0.0997 m ।
  • वेग (v): v = ω / k = 256 rad/s / 63 rad/m ≈ 4.06 m/s ।

IGNOU BPHCT-131 Previous Year Solved Question Paper in English

Q1. (a) Determine the angle between any two vectors p and q of non-zero magnitude given that: |p+q| = |p-q| (b) State the order and degree of the following differential equation: y”’ + √(y”) = x (c) Astronauts are put in a rotating circular chamber to be trained in how to withstand high accelerations. What is the acceleration experienced by an astronaut in a chamber in terms of g if it rotates with a constant angular speed of 2.0 rad s⁻¹? Given that in the chamber astronauts travel in a circle of radius of 10 m. (d) A lift of mass 3000 kg moves 200 m upward at a constant speed in 25.0 s. At what average rate does the force due to the cable do work on the lift? Take g=10ms⁻². (e) The rotational kinetic energy of a particle in circular motion is 100 J. It moves once in the circle in 22.0 s. What is the rotational inertia of the particle? (f) Using the law of equal areas, explain why an object would move slower when it is farther away from the centre of force. (g) The displacement of an object executing simple harmonic motion is given by: x = 0.05cos(4πt + 0.0625)m. Determine: (i) maximum velocity (ii) maximum acceleration (h) What is relaxation time for a damped oscillation?

Ans. (a) Given the condition: | p + q | = | p – q | Squaring both sides of the equation: | p + q |² = | p – q |² Using the property | A |² = A ⋅ A : ( p + q ) ⋅ ( p + q ) = ( p – q ) ⋅ ( p – q ) p ⋅ p + p ⋅ q + q ⋅ p + q ⋅ q = p ⋅ p – p ⋅ q – q ⋅ p + q ⋅ q p² + 2( p ⋅ q ) + q² = p² – 2( p ⋅ q ) + q² 4( p ⋅ q ) = 0 p ⋅ q = 0 If θ is the angle between vectors p and q , then p ⋅ q = pq cosθ. pq cosθ = 0 Since p and q are non-zero vectors (p ≠ 0, q ≠ 0), it must be that cosθ = 0. Therefore, θ = 90° or π/2 radians. The two vectors are perpendicular to each other.

(b) The given differential equation is: y”’ + √(y”) = x To determine the degree, we must first make the equation a polynomial in its derivatives. We isolate the radical term: y”’ – x = -√(y”) Squaring both sides: (y”’ – x)² = (-√(y”))² (y”’)² – 2xy”’ + x² = y” The order of a differential equation is the order of the highest derivative present. Here, the highest derivative is y”’. Thus, the order is 3 . The degree of a differential equation is the power of the highest order derivative after the equation has been rationalized. Here, the power of the highest derivative (y”’) is 2. Thus, the degree is 2 .

(c) Given: Angular speed, ω = 2.0 rad s⁻¹, Radius, r = 10 m. In uniform circular motion, the centripetal acceleration of the particle is given by: a = ω²r a = (2.0 rad s⁻¹)² × 10 m = 4.0 s⁻² × 10 m = 40 m/s² To express the acceleration in terms of g (where g ≈ 10 m/s²), we divide the acceleration ‘a’ by ‘g’: a/g = (40 m/s²) / (10 m/s²) = 4 Hence, the acceleration is a = 4g .

(d) Given: Mass, m = 3000 kg, Distance, d = 200 m, Time, t = 25.0 s, g = 10 m/s². Since the lift moves upward at a constant speed, the net force on it is zero. The force exerted by the cable (F) is equal to the weight of the lift (mg). F = mg = 3000 kg × 10 m/s² = 30000 N The work done (W) by this force is: W = F × d = 30000 N × 200 m = 6,000,000 J The average rate of doing work (Power, P) is: P = W / t = 6,000,000 J / 25.0 s = 240,000 W or 2.4 × 10⁵ W .

(e) Given: Rotational kinetic energy, KE_rot = 100 J, Time for one revolution (Period), T = 22.0 s. The angular speed (ω) of the particle is: ω = 2π / T = 2π / 22.0 s = π / 11 rad/s The formula for rotational kinetic energy is: KE_rot = (1/2)Iω² Where I is the rotational inertia. 100 J = (1/2) × I × (π / 11 s⁻¹)² 100 = (1/2) × I × (π²/121) I = (100 × 2 × 121) / π² = 24200 / π² Using π² ≈ (3.14159)² ≈ 9.87: I ≈ 24200 / 9.87 ≈ 2451.9 kg m² .

(f) The law of equal areas (Kepler’s Second Law) states that a line segment joining a planet and the Sun sweeps out equal areas during equal intervals of time. This means the areal velocity (dA/dt) is constant. The areal velocity is related to the angular momentum (L) and mass (m) of the object by dA/dt = L / (2m). Since angular momentum is conserved under a central force, L and m are constant, hence dA/dt is constant. The area swept in a small time interval dt is dA ≈ (1/2)r(v⊥dt), where v⊥ is the component of velocity perpendicular to the radius vector. Thus, dA/dt = (1/2)rv⊥ = constant. From this relationship, if the object is farther from the centre of force (r is large), the perpendicular component of its velocity, v⊥, must be smaller to keep the product constant. Therefore, an object moves slower when it is farther away from the centre of force.

(g) The given displacement equation is: x = 0.05cos(4πt + 0.0625) m. Comparing this with the standard SHM equation x = Acos(ωt + φ), we identify: Amplitude, A = 0.05 m Angular frequency, ω = 4π rad/s (i) Maximum velocity (v_max) is given by: v_max = Aω = 0.05 m × 4π rad/s = 0.2π m/s ≈ 0.628 m/s . (ii) Maximum acceleration (a_max) is given by: a_max = Aω² = 0.05 m × (4π rad/s)² = 0.05 × 16π² m/s² = 0.8π² m/s² ≈ 7.89 m/s² .

(h) In a damped oscillation, the relaxation time (τ) is the time taken for the amplitude of the oscillation to decay to 1/e (approximately 37%) of its initial value. It is a measure of the rate of damping. If the amplitude is given by the equation A(t) = A₀e⁻ᵇᵗ/(²ᵐ), the relaxation time is τ = 2m/b, where ‘b’ is the damping coefficient and ‘m’ is the mass. A shorter relaxation time indicates heavier damping.

Q2. (a) The position vector of a particle as a function of time is given by: r(t) = 5cos(4t)î + 5sin(4t)ĵ + 10k. Determine its velocity and acceleration. Show that both its speed and the magnitude of its acceleration are constant. (b) Show that the following ODE is exact and solve it: xy’ + 2x + y = 0 (c) In an LCR circuit, an inductance L, a resistance R and a capacitance C are connected in series. The variation of charge ‘q’ flowing through with time ‘t’ in the circuit is given by the differential equation: L(d²q/dt²) + R(dq/dt) + q/C = 0. Solve this equation to determine ‘q’ as a function of time ‘t’.

Ans. (a) The given position vector is: r (t) = 5cos(4t)î + 5sin(4t)ĵ + 10k The velocity (v) is the first derivative of the position vector with respect to time: v (t) = d r /dt = d/dt [5cos(4t)î + 5sin(4t)ĵ + 10k] v (t) = 5(-4sin(4t))î + 5(4cos(4t))ĵ + 0k v (t) = -20sin(4t)î + 20cos(4t)ĵ The acceleration (a) is the first derivative of the velocity vector with respect to time: a (t) = d v /dt = d/dt [-20sin(4t)î + 20cos(4t)ĵ] a (t) = -20(4cos(4t))î + 20(-4sin(4t))ĵ a (t) = -80cos(4t)î – 80sin(4t)ĵ Now, we find the speed (magnitude of velocity) and the magnitude of acceleration. Speed (|v|) : | v (t)| = √[(-20sin(4t))² + (20cos(4t))²] | v (t)| = √[400sin²(4t) + 400cos²(4t)] | v (t)| = √[400(sin²(4t) + cos²(4t))] = √400 = 20 m/s Since the speed is 20 m/s, a constant value, it does not depend on time. Thus, the speed is constant . Magnitude of acceleration (|a|) : | a (t)| = √[(-80cos(4t))² + (-80sin(4t))²] | a (t)| = √[6400cos²(4t) + 6400sin²(4t)] | a (t)| = √[6400(cos²(4t) + sin²(4t))] = √6400 = 80 m/s² Since the magnitude of acceleration is 80 m/s², a constant value, it also does not depend on time. Thus, the magnitude of acceleration is constant .

(b) The given differential equation is: xy’ + 2x + y = 0 Using y’ = dy/dx and rearranging: x(dy/dx) + (2x + y) = 0 Multiplying by dx: x dy + (2x + y) dx = 0 Arranging in the form M(x, y)dx + N(x, y)dy = 0: (y + 2x)dx + x dy = 0 Here, M(x, y) = y + 2x and N(x, y) = x. The condition for exactness is ∂M/∂y = ∂N/∂x. ∂M/∂y = ∂/∂y (y + 2x) = 1 ∂N/∂x = ∂/∂x (x) = 1 Since ∂M/∂y = ∂N/∂x, the given ODE is exact . Solution : The solution of an exact equation is given by ∫M dx (treating y as constant) + ∫(terms in N not containing x) dy = C. ∫(y + 2x) dx + ∫(0) dy = C xy + x² = C Thus, the solution to the given differential equation is xy + x² = C , where C is the constant of integration.

(c) The given differential equation for an LCR circuit is: L(d²q/dt²) + R(dq/dt) + q/C = 0 This is a second-order linear homogeneous differential equation with constant coefficients. To solve it, we form the characteristic (or auxiliary) equation by assuming a solution of the form q = e^(αt): Lα² + Rα + 1/C = 0 The roots of this quadratic equation are: α = [-R ± √(R² – 4L/C)] / (2L) The nature of the solution depends on the sign of the discriminant, D = R² – 4L/C.

  • Case 1: Overdamped (R² > 4L/C) In this case, the discriminant is positive, and there are two real, distinct roots for α, let’s call them α₁ and α₂. α₁, α₂ = -R/(2L) ± √((R/2L)² – 1/(LC)) The general form of the solution is: q(t) = A₁e^(α₁t) + A₂e^(α₂t) where A₁ and A₂ are constants determined by initial conditions. The charge decays exponentially to zero without oscillation.
  • Case 2: Critically Damped (R² = 4L/C) In this case, the discriminant is zero, and there is one real, repeated root for α, which is α = -R/(2L). The general form of the solution is: q(t) = (A₁ + A₂t)e^(-Rt/2L) This represents the fastest possible decay without any oscillation.
  • Case 3: Underdamped (R² < 4L/C) In this case, the discriminant is negative, and the roots are complex conjugates. α = -R/(2L) ± i√((1/LC) – (R/2L)²) This can be written as α = -γ ± iω’, where γ = R/2L (the damping constant) and ω’ = √((1/LC) – (R/2L)²) is the damped angular frequency. The general form of the solution is: q(t) = e^(-γt) [A₁cos(ω’t) + A₂sin(ω’t)] Or, equivalently, q(t) = A e^(-γt) cos(ω’t + φ), where A and φ are constants. The charge oscillates with a decaying amplitude over time.

Q3. (a) The mass of an aircraft is 50000 kg. It is flying in a straight line at a constant speed of 1000 km h⁻¹. The weight of the aircraft equals the lift force. The pilot increases the thrust of the engine to 90000 N. Suppose the air resistance force equals the engine thrust in 25 s. What is the increased constant speed of the aircraft at that instant? What is the increase in its speed? (b) Calculate the height of a geosynchronous satellite above the surface of the Earth. Given that: G = 6.67×10⁻¹¹ Nm²kg⁻², Mass of Earth Mₑ = 6.0×10²⁴ kg and Radius of Earth = 6.4×10⁶ m. (c) The mass of a two-stage rocket launched in free space is 1000 kg at some instant of time. When 600 kg of fuel of the first stage burns in it, the rocket ejects a stream of gas at a relative velocity of 500 ms⁻¹. What is the rocket’s velocity after the first stage is ejected?

Ans. (a) The problem is slightly ambiguous about how the air resistance changes. We will make a reasonable assumption to solve it. Given: Mass, m = 50000 kg Initial speed, vᵢ = 1000 km/h = 1000 × (1000 m / 3600 s) ≈ 277.8 m/s New thrust, T_new = 90000 N Time, t = 25 s After 25 s, at the new constant speed, the air resistance R_f equals the new thrust, so R_f = 90000 N. Initially, at constant speed, the initial thrust T_i was equal to the initial air resistance R_i. The value of R_i is unknown. Assumption: The net force causing acceleration changes over the 25s period (from F_net,initial = 90000 – R_i to F_net,final = 0). A simple model is to assume a constant average acceleration, which implies a constant average net force. Let’s assume the average net force is half of the initial net force, F_avg = (90000 – R_i)/2. As R_i is unknown, we make a further simplification by assuming the average accelerating force can be approximated as half the maximum possible net force, say (90000 N)/2 = 45000 N. This is a significant assumption made to proceed. Average acceleration, a_avg = F_avg / m = 45000 N / 50000 kg = 0.9 m/s² We can now find the final speed (v_f) using the equation of motion: v_f = v_i + a_avg × t v_f = 277.8 m/s + (0.9 m/s² × 25 s) v_f = 277.8 m/s + 22.5 m/s = 300.3 m/s In km/h, this is: 300.3 × (3600/1000) ≈ 1081 km/h. Increase in speed : Δv = v_f – v_i = 300.3 m/s – 277.8 m/s = 22.5 m/s .

(b) A geosynchronous satellite orbits the Earth with a period of 24 hours, matching the Earth’s rotational period. Orbital period, T = 24 hours = 24 × 3600 s = 86400 s For an orbit of radius ‘r’ (from the center of the Earth), the gravitational force provides the necessary centripetal force: F_g = F_c GMₑm / r² = mω²r where m is the satellite’s mass and ω is the angular velocity. GMₑ / r³ = ω² Since ω = 2π / T, we can write: GMₑ / r³ = (2π / T)² = 4π² / T² r³ = (GMₑT²) / (4π²) Plugging in the given values: G = 6.67 × 10⁻¹¹ Nm²kg⁻² Mₑ = 6.0 × 10²⁴ kg T = 86400 s r³ = [(6.67 × 10⁻¹¹) × (6.0 × 10²⁴) × (86400)²] / [4π²] r³ = [4.002 × 10¹⁴ × 7.465 × 10⁹] / [39.48] r³ ≈ (2.988 × 10²⁴) / 39.48 ≈ 7.568 × 10²² m³ r = (7.568 × 10²²)¹/³ m ≈ 4.23 × 10⁷ m This is the distance from the Earth’s center. The height (h) above the Earth’s surface is: h = r – Rₑ where Rₑ is the radius of the Earth = 6.4 × 10⁶ m = 0.64 × 10⁷ m. h = (4.23 × 10⁷ m) – (0.64 × 10⁷ m) h = 3.59 × 10⁷ m = 35900 km So, the height of a geosynchronous satellite is approximately 35,900 km.

(c) We can use the Tsiolkovsky rocket equation to find the change in velocity: Δv = v_rel * ln(m_i / m_f) Where: Δv = change in rocket’s velocity v_rel = relative velocity of the exhaust gas = 500 m/s m_i = initial mass of the rocket = 1000 kg m_f = final mass of the rocket (after fuel is burnt) Mass of fuel burnt = 600 kg. Final mass, m_f = m_i – (fuel burnt) = 1000 kg – 600 kg = 400 kg. Substituting the values into the equation: Δv = 500 × ln(1000 / 400) Δv = 500 × ln(2.5) Using ln(2.5) ≈ 0.9163: Δv = 500 × 0.9163 ≈ 458.15 m/s Since the rocket is “launched in free space”, we can assume it starts from rest at that instant (initial velocity = 0). Therefore, the rocket’s velocity after the first stage is ejected will be equal to Δv. The rocket’s velocity ≈ 458 m/s .

Q4. (a) (i) A bicycle travels 50 m along a circular track of radius 5 m. What is the angular displacement in radians of the bicycle from its starting position? (ii) The Earth orbits the sun in 365.25 days in a nearly circular orbit. What is the average angular speed of a particle on Earth’s surface as it orbits the sun? Take the direction of Earth’s rotation to be +ve direction of the angular displacement. (b) State the law of conservation of angular momentum. A merry-go-round possessing rotational inertia 5000 kgm² is mounted on a frictionless vertical axle and is initially rotating at an angular speed of 1 revolution per minute. A girl jumps on to the platform in the radial direction. If the rotational speed of the merry-go-round reduces to 0.8 r.p.m., calculate the girl’s rotational inertia. (c) A billiard ball of mass ‘m’ hits another billiard ball of equal mass at rest in an elastic collision and moves along a straight line at an angle of θ from its original direction of motion. At what angle with each other do the target ball and the projectile move after collision?

Ans. (a) (i) Given: Distance traveled (arc length), s = 50 m Radius, r = 5 m The angular displacement (θ) in radians is given by the ratio of the arc length to the radius: θ = s / r θ = 50 m / 5 m = 10 radians The angular displacement of the bicycle is 10 radians.

(ii) The period of Earth’s orbit around the sun is: T = 365.25 days Converting this to seconds: T = 365.25 days × 24 hours/day × 3600 seconds/hour ≈ 3.156 × 10⁷ s The angular displacement for one full orbit is Δθ = 2π radians. The average angular speed (ω) is: ω = Δθ / T = 2π / T ω = 2π radians / (3.156 × 10⁷ s) ω ≈ 1.99 × 10⁻⁷ rad/s Since the direction of rotation is taken as positive, the angular speed is positive.

(b) Law of Conservation of Angular Momentum: This law states that if the net external torque acting on a system is zero, the total angular momentum of the system remains constant (or conserved). Mathematically, if τ_ext = 0, then d L /dt = 0, which implies L = constant. Numerical Problem: The system is the merry-go-round + girl. Since the girl jumps radially, she brings no initial angular momentum, and there is no external torque. Thus, the angular momentum of the system is conserved. L_initial = L_final I_initial ω_initial = I_final ω_final Given: Rotational inertia of merry-go-round, I_mgr = 5000 kg m² Initial angular speed, ω_i = 1 rpm (revolutions per minute) Final angular speed, ω_f = 0.8 rpm Initially, only the merry-go-round is rotating: I_initial = I_mgr = 5000 kg m² Finally, the girl and merry-go-round rotate together: I_final = I_mgr + I_girl Applying the conservation law: I_mgr ω_i = (I_mgr + I_girl) ω_f 5000 kg m² × 1 rpm = (5000 kg m² + I_girl) × 0.8 rpm (We can keep the units in rpm as they cancel from both sides) 5000 = (5000 + I_girl) × 0.8 5000 / 0.8 = 5000 + I_girl 6250 = 5000 + I_girl I_girl = 6250 – 5000 = 1250 kg m² Thus, the girl’s rotational inertia is 1250 kg m².

(c) This is a special case of a two-dimensional elastic collision between two objects of equal mass, with one initially at rest. Let the projectile ball have mass m and initial velocity u₁, and the target ball have mass m and initial velocity u₂ = 0. After the collision, the projectile ball has velocity v₁ and makes an angle θ with the initial direction. The target ball has velocity v₂ and makes an angle φ with the initial direction. From conservation of momentum : x-axis: mu₁ = mv₁cosθ + mv₂cosφ => u₁ = v₁cosθ + v₂cosφ (1) y-axis: 0 = mv₁sinθ – mv₂sinφ => v₁sinθ = v₂sinφ (2) From conservation of kinetic energy (elastic collision): (1/2)mu₁² = (1/2)mv₁² + (1/2)mv₂² => u₁² = v₁² + v₂² (3) It is a well-known result that when a moving object elastically collides with another object of the same mass at rest (and the collision is not head-on), the two objects move off at right angles (90°) to each other after the collision. Proof: The momentum conservation equations can be written in vector form as: m u₁ = m v₁ + m v₂ => u₁ = v₁ + v₂ Taking the dot product of this vector equation with itself: u₁ ⋅ u₁ = ( v₁ + v₂ ) ⋅ ( v₁ + v₂ ) u₁² = v₁ ⋅ v₁ + 2( v₁ ⋅ v₂ ) + v₂ ⋅ v₂ u₁² = v₁² + v₂² + 2( v₁ ⋅ v₂ ) (4) Substituting the energy conservation equation (3) into equation (4): v₁² + v₂² = v₁² + v₂² + 2( v₁ ⋅ v₂ ) 0 = 2( v₁ ⋅ v₂ ) v₁ ⋅ v₂ = 0 The dot product of two non-zero vectors is zero if and only if they are perpendicular to each other. Therefore, the two balls move at 90° to each other after the collision. The angle between the target and the projectile is 90° or π/2 .

Q5. (a) The amplitude of vibration of a damped spring mass system decreases from 10 cm to 2.5 cm in 200 s. If this oscillator completes 50 oscillations in this time, compare the periods with and without damping. (b) Two collinear harmonic oscillations are represented by: x₁(t) = 4sin(20πt + π/3) cm, x₂(t) = 3sin(20πt + π/6) cm. Calculate the amplitude, phase constant and period of resultant oscillation obtained on superposing these two collinear oscillations. (c) (i) How does a pulse differ from a wave? (ii) A progressive transverse wave is described by: y(x, t) = 0.01sin(256t – 63x) m. Determine the direction of propagation of the wave and calculate the amplitude, wavelength, frequency and velocity.

Ans. (a) For a damped oscillator, the amplitude decays exponentially with time: A(t) = A₀e⁻γᵗ where A₀ is the initial amplitude, A(t) is the amplitude at time t, and γ is the damping factor. Given: A₀ = 10 cm, A(200s) = 2.5 cm, t = 200 s. 2.5 = 10 e⁻²⁰⁰γ 0.25 = e⁻²⁰⁰γ Taking the natural logarithm of both sides: ln(0.25) = -200γ -ln(4) = -200γ => γ = ln(4) / 200 ≈ 1.386 / 200 ≈ 0.00693 s⁻¹. The oscillator completes 50 oscillations in 200 s. Therefore, the damped period (T_d) is: T_d = 200 s / 50 = 4.0 s The damped angular frequency (ω_d) is: ω_d = 2π / T_d = 2π / 4 = π/2 rad/s ≈ 1.571 rad/s. The relationship between the natural angular frequency (ω₀, without damping) and the damped angular frequency (ω_d) is: ω_d² = ω₀² – γ² ω₀² = ω_d² + γ² ω₀² = (π/2)² + (0.00693)² ≈ (1.571)² + 0.000048 ≈ 2.468 + 0.000048 = 2.468048 ω₀ = √2.468048 ≈ 1.571002 rad/s The undamped period (T₀) is: T₀ = 2π / ω₀ = 2π / 1.571002 ≈ 3.999 s Comparison: The damped period is T_d = 4.0 s, while the undamped period is T₀ ≈ 3.999 s. The two periods are nearly equal (T_d ≈ T₀). This is because the damping is very weak (the value of γ is much smaller than ω_d), so it does not significantly affect the frequency of oscillation.

(b) The two given collinear harmonic oscillations are: x₁(t) = 4sin(20πt + π/3) x₂(t) = 3sin(20πt + π/6) By the principle of superposition, the resultant displacement is x(t) = x₁(t) + x₂(t). The resultant oscillation will have the form x(t) = A_R sin(20πt + δ), where A_R is the resultant amplitude and δ is the resultant phase constant. We use the vector (phasor) addition method: A₁ = 4, φ₁ = π/3 A₂ = 3, φ₂ = π/6 Resultant Amplitude (A_R) : A_R² = A₁² + A₂² + 2A₁A₂cos(φ₁ – φ₂) The phase difference is φ₁ – φ₂ = π/3 – π/6 = π/6. A_R² = 4² + 3² + 2(4)(3)cos(π/6) = 16 + 9 + 24(√3/2) = 25 + 12√3 A_R² ≈ 25 + 12(1.732) = 25 + 20.784 = 45.784 A_R = √45.784 ≈ 6.77 cm Phase Constant (δ) : tan(δ) = (A₁sinφ₁ + A₂sinφ₂) / (A₁cosφ₁ + A₂cosφ₂) sin(π/3) = √3/2, cos(π/3) = 1/2 sin(π/6) = 1/2, cos(π/6) = √3/2 tan(δ) = [4(√3/2) + 3(1/2)] / [4(1/2) + 3(√3/2)] = (2√3 + 1.5) / (2 + 1.5√3) tan(δ) ≈ (2×1.732 + 1.5) / (2 + 1.5×1.732) = (3.464 + 1.5) / (2 + 2.598) = 4.964 / 4.598 ≈ 1.08 δ = arctan(1.08) ≈ 0.824 radians (or 47.2°) Period (T) : The angular frequency ω = 20π rad/s is the same for both oscillations. Therefore, the resultant oscillation will also have an angular frequency of 20π rad/s. T = 2π / ω = 2π / (20π) = 0.1 s .

(c) (i) Difference between a pulse and a wave:

  • Pulse: A pulse is a single, non-periodic disturbance that travels through a medium. It has a definite beginning and end and lasts for a short duration. Example: A single flick of one end of a rope.
  • Wave: A wave (or wave train) is a continuous, periodic disturbance that transfers energy and momentum through a medium. It can be thought of as a succession of pulses repeated at regular intervals. Example: A sinusoidal wave.

The key differences lie in their

duration

and

periodicity

.

(ii) The given progressive wave equation is: y(x, t) = 0.01sin(256t – 63x) m We compare this with the standard form y(x, t) = Asin(ωt – kx):

  • Direction of Propagation: Since the sign between the ‘t’ and ‘x’ terms is negative (-), the wave is propagating in the positive x-direction .
  • Amplitude (A): A = 0.01 m .
  • Angular Frequency (ω): ω = 256 rad/s. The Frequency (f) = ω / 2π = 256 / (2π) ≈ 40.74 Hz .
  • Wave Number (k): k = 63 rad/m. The Wavelength (λ) = 2π / k = 2π / 63 ≈ 0.0997 m .
  • Velocity (v): The wave velocity is given by v = ω / k. v = 256 rad/s / 63 rad/m ≈ 4.06 m/s .


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