📁 सामान्य विज्ञान (General Science) 📖 भौतिकशास्त्र: मूलभूत राशी, गतीचे नियम, कार्य, ऊर्जा, शक्ती व गुरुत्वाकर्षण (Mechanics & Gravitation) ⏱️ 20 मिनिटे वाचन 👁️ 532 views
मापन पद्धती, मूलभूत व साधित राशी आणि SI एकके (Units & Measurements in Physics)
मापन पद्धती, मूलभूत व साधित राशी आणि SI एकके (Units & Measurements in Physics) या घटकामध्ये मापनाच्या पद्धती (Systems of Units), पूरक राशी (Supplementary Quantities), परीक्षेसाठी 'स्मरण ट्रिक्स' व वन या मुद्द्यांचा सविस्तर समावेश आहे.
लेखक: Mahasarav Team• २५ ऑगस्ट, २०२६
१. प्रास्ताविक (Introduction to Measurement & Physics)
भौतिकशास्त्र (Physics) हे निसर्गातील मूलभूत नियम, ऊर्जा आणि पदार्थाच्या गुणधर्मांचा अभ्यास करणारे शास्त्र आहे. कोणत्याही भौतिक घटनेचे अचूक वर्णन करण्यासाठी व तुलना करण्यासाठी मापन (Measurement) अत्यंत आवश्यक असते. स्पर्धा परीक्षांमध्ये (MPSC, पोलीस भरती, तलाठी, TCS/IBPS) एकके, राशींचे प्रकार आणि मापन उपकरणांवर हमखास प्रश्न विचारले जातात.
२. भौतिक राशींचे प्रकार (Classification of Physical Quantities)
ज्या राशींचे मोजमाप करता येते, त्यांना भौतिक राशी (Physical Quantities) म्हणतात. दिशा व परिमाणाच्या आधारे त्यांचे दोन प्रमुख प्रकार पडतात:
| अ.क्र. | अदिश राशी (Scalar Quantity) | सदिश राशी (Vector Quantity) |
|---|---|---|
| १. व्याख्या | ज्या राशी केवळ परिमाणाने (Magnitude) पूर्णपणे व्यक्त होतात, त्यांना अदिश राशी म्हणतात. (दिशेची गरज नसते). | ज्या राशी व्यक्त करण्यासाठी परिमाण आणि दिशा (Magnitude + Direction) या दोन्हीची आवश्यकता असते. |
| २. उदाहरणे | लांबी, वस्तुमान, वेळ, तापमान, चाल (Speed), कार्य, ऊर्जा, शक्ती, विद्युतप्रवाह, घनता, क्षेत्रफळ, आकारमान, दाब. | विस्थापन (Displacement), वेग (Velocity), प्रवेग (Acceleration), बल (Force), संवेग (Momentum), वजन (Weight), चुंबकीय तीव्रता. |
| ३. बेरीज नियम | साध्या अंकगणितीय नियमाने बेरीज करता येते. | सदिश बीजगणितीय नियमाने (Vector Addition) बेरीज करावी लागते. |
३. मापनाच्या पद्धती (Systems of Units)
ऐतिहासिकदृष्ट्या मापनाच्या विविध पद्धती वापरल्या जात होत्या:
- CGS पद्धत: सेंटीमीटर (Centimetre), ग्रॅम (Gram), सेकंद (Second).
- MKS पद्धत: मीटर (Metre), किलोग्रॅम (Kilogram), सेकंद (Second).
- FPS पद्धत (ब्रिटिश पद्धत): फूट (Foot), पाउंड (Pound), सेकंद (Second).
- SI पद्धत (Systeme International d'Unites): १९६० च्या ११ व्या आंतरराष्ट्रीय वजन व मापे परिषदेत (CGPM) स्वीकारलेली जागतिक सर्वमान्य मापन पद्धत. ही MKS पद्धतीची आधुनिक व सुधारित आवृत्ती आहे.
४. SI पद्धतीतील मूलभूत राशी व एकके (7 Fundamental Units)
ज्या राशी इतर कोणत्याही राशींवर अवलंबून नसतात, त्यांना मूलभूत राशी (Fundamental Quantities) म्हणतात. SI पद्धतीत ७ मूलभूत राशी (7 Base Units) आहेत:
| अ.क्र. | मूलभूत राशी (Quantity) | SI एकक (SI Unit) | संकेत चिन्ह (Symbol) | MPSC / परीक्षेसाठी महत्त्वाचा संदर्भ |
|---|---|---|---|---|
| १ | लांबी (Length) | मीटर (Metre) | m | प्रकाशाने निर्वात जागेत १/२९,९७,९२,४५८ सेकंदात पार केलेले अंतर. |
| २ | वस्तुमान (Mass) | किलोग्रॅम (Kilogram) | kg | प्लॅटिनम-इरिडियम धातूच्या दंडगोलाचे वस्तुमान (सेव्ह्रेस, फ्रान्स - ऐतिहासिक संदर्भ). २०१९ च्या आधुनिक SI पुनर्परिभाषित नियमांनुसार, किलोग्रॅम हा प्लँक स्थिरांक (Planck constant, $h = 6.62607015 \times 10^{-34}\text{ J s}$) च्या अचूक मूल्याशी बांधलेला आहे. |
| ३ | काळ / वेळ (Time) | सेकंद (Second) | s | सिझियम-१३३ (Cs-133) अणूच्या ९,१९,२६,३१,७७० कंपनांचा कालावधी. |
| ४ | तापमान (Temperature) | केल्व्हिन (Kelvin) | K | परम शून्य तापमान = -२७३.१५°C = ० K. |
| ५ | विद्युतधारा (Electric Current) | अँपिअर (Ampere) | A | व्यावहारिक संबंध: १ सेकंदात १ कूलॉम्ब प्रभार वाहिल्यास १ अँपिअर विद्युतधारा ($I = Q/t$). २०१९ च्या सुधारित SI व्याख्येनुसार, अँपिअर हा मूलभूत विद्युतप्रभार (Elementary charge, $e = 1.602176634 \times 10^{-19}\text{ C}$) च्या अचूक निश्चित मूल्यावर आधारलेला आहे. |
| ६ | प्रदीपन तीव्रता (Luminous Intensity) | कँडेला (Candela) | cd | ज्योतीची किंवा प्रकाशाची तीव्रता मोजण्याचे एकक. |
| ७ | पदार्थाचे प्रमाण (Amount of Substance) | मोल (Mole) | mol | १ मोल = ६.०२२ × १०²³ कण (अ‍ॅव्होगॅड्रो संख्या - $N_A$). |
पूरक राशी व आधुनिक SI स्थिती (Status of Supplementary Units):
⚠️ महत्त्वाचा परीक्षा बदल (BIPM 1995 निर्णय):
आंतरराष्ट्रीय वजन व मापे परिषदेने (BIPM / CGPM) १९९५ मध्ये स्वतंत्र ‘पूरक एकके’ (Supplementary Units) ही श्रेणी अधिकृतपणे रद्द केली आहे. आधुनिक SI पद्धतीमध्ये केवळ 7 मूलभूत एकके (7 Base Units) आणि साधित एकके (Derived Units) अशीच अधिकृत विभागणी केली जाते.
- समतल कोन (Plane Angle): एकक - रेडियन (Radian - rad).
- घन कोन (Solid Angle): एकक - स्टेरेडियन (Steradian - sr).
(टीप: रेडियन व स्टेरेडियन ही आता स्वतंत्र पूरक नसून मितीहीन साधित एकके (Dimensionless Derived Units) मानली जातात.)
५. महत्त्वाची साधित एकके (Derived Units in Physics)
मूलभूत राशींचा वापर करून तयार केलेल्या राशींना साधित राशी (Derived Quantities) म्हणतात:
| भौतिक राशी | सूत्र (Formula) | SI एकक (SI Unit) | विशेष नाव / संबंध |
|---|---|---|---|
| क्षेत्रफळ (Area) | लांबी × रुंदी | $m^2$ (चौरस मीटर) | - |
| घनता (Density) | वस्तुमान / आकारमान ($m/V$) | $kg/m^3$ | पाण्याची घनता ४°C वर सर्वाधिक ($१००० kg/m^3$). |
| चाल / वेग (Speed / Velocity) | अंतर किंवा विस्थापन / वेळ | $m/s$ (मीटर/सेकंद) | $1 km/h = \frac{5}{18} m/s$ |
| प्रवेग (Acceleration) | वेगातील बदल / वेळ | $m/s^2$ | पृथ्वीचा गुरुत्वीय प्रवेग $g = 9.8 m/s^2$. |
| बल (Force) | वस्तुमान × प्रवेग ($F = m \times a$) | न्यूटन (Newton - N) | १ न्यूटन = $1 kg \cdot m/s^2 = 10^5$ डाईन (Dyne). |
| दाब (Pressure) | बल / क्षेत्रफळ ($P = F/A$) | पास्कल (Pascal - Pa) | १ पास्कल = $1 N/m^2$; १ बार = $10^5 Pa$. |
| कार्य व ऊर्जा (Work & Energy) | बल × विस्थापन ($W = F \times s$) | ज्यूल (Joule - J) | १ ज्यूल = $1 N \cdot m = 10^7$ अर्ग (Erg). |
| शक्ती (Power) | कार्य / वेळ ($P = W/t$) | वॅट (Watt - W) | १ हॉर्स पॉवर (1 HP) = ७४६ वॅट (746 Watts). |
| विद्युत प्रभार (Electric Charge) | विद्युतधारा × वेळ ($Q = I \times t$) | कूलॉम्ब (Coulomb - C) | १ इलेक्ट्रॉन प्रभार = $1.6 \times 10^{-19} C$. |
| विभवांतर / व्होल्टेज (Potential Difference) | कार्य / प्रभार ($V = W/Q$) | व्होल्ट (Volt - V) | १ व्होल्ट = १ ज्यूल/कूलॉम्ब. |
| विद्युत रोध (Resistance) | व्होल्टेज / विद्युतधारा ($R = V/I$) | ओहम ($\Omega$) | ओहमचा नियम. |
| वारंवारता (Frequency) | १ / आवर्तकाळ ($f = 1/T$) | हर्ट्झ (Hertz - Hz) | प्रति सेकंद होणारी कंपने. |
६. अतिसूक्ष्म व अतिप्रचंड मापनाची एकके (Astronomical & Micro Units)
- प्रकाशवर्ष (Light Year): प्रकाशाने एका वर्षात निर्वात पोकळीत पार केलेले अंतर = $९.४६ \times १०^{१२}$ किमी ($९.४६ \times १०^{१५}$ मीटर).
- खगोलीय एकक (Astronomical Unit - AU): सूर्य आणि पृथ्वी यांच्यातील सरासरी अंतर = $१.४९६ \times १०^{११}$ मीटर (~१५ कोटी किमी).
- पारसेक (Parsec - Parallactic Second): खगोलशास्त्रातील सर्वात मोठे अंतराचे एकक = ३.२६ प्रकाशवर्ष = $३.०८ \times १०^{१६}$ मीटर.
- अँगस्ट्रॉम ($\text{Å}$): प्रकाशाची तरंगलांबी मोजण्याचे एकक = $१०^{-१०}$ मीटर ($१०^{-८}$ सेमी).
- फर्मी / फेम्टोमीटर (Fermi - fm): अणू केंद्रकाचा आकार मोजण्याचे एकक = $१०^{-१५}$ मीटर.
- नॅनोमीटर (nm): $१०^{-९}$ मीटर.
- मायक्रॉन / मायक्रोमीटर ($\mu m$): $१०^{-६}$ मीटर.
७. प्रमुख वैज्ञानिक मापन उपकरणे (Scientific Measuring Instruments)
| उपकरण (Device) | कशाचे मापन करण्यासाठी वापरतात? |
|---|---|
| अ‍ॅमीटर (Ammeter) | विद्युत परिपथातील विद्युतधारा (Electric current) मोजण्यासाठी. (एकसर जोडणीत जोडतात). |
| व्होल्टमीटर (Voltmeter) | दोन बिंदूंमधील विभवांतर (Voltage) मोजण्यासाठी. (समांतर जोडणीत जोडतात). |
| गॅल्व्हानोमीटर (Galvanometer) | परिपथातील अतिसूक्ष्म विद्युत प्रवाहाचे अस्तित्व व दिशा ओळखण्यासाठी. |
| बॅरोमीटर (Barometer) | वातावरणाचा दाब (Atmospheric pressure) मोजण्यासाठी (टॉरिसेली यांनी शोध लावला). |
| लॅक्टोमीटर (Lactometer) | दुधाची शुद्धता व सापेक्ष घनता मोजण्यासाठी. |
| हायग्रोमीटर (Hygrometer) | हवेतील आर्द्रता (Humidity) मोजण्यासाठी. |
| हायड्रोमीटर (Hydrometer) | द्रवांची विशिष्ट सापेक्ष घनता (Relative Density) मोजण्यासाठी. |
| स्फिग्मोमॅनोमीटर (Sphygmomanometer) | मानवी रक्तदाब (Blood Pressure - सामान्य १२०/८० mmHg) मोजण्यासाठी. |
| सोनार (SONAR) | समुद्राची खोली व पाण्याखालील वस्तूंचे अंतर मोजण्यासाठी (Sound Navigation and Ranging). |
| रडार (RADAR) | विमानांची दिशा, गती व अंतर मोजण्यासाठी (Radio Detection and Ranging). |
| पायरोमीटर (Pyrometer) | अत्युच्च तापमान (उदा. सूर्य व भट्टीचे तापमान) मोजण्यासाठी. |
| सिस्मोग्राफ (Seismograph) | भूकंप लहरींची नोंद करणारे उपकरण (Seismometer). भूकंपाची महत्ता (Magnitude) रिश्टर स्केलवर (Richter Scale) व ऊर्जा विसर्जन मोजले जाते; तर स्थानिक हादरे/तीव्रता (Intensity) मर्काली स्केलवर (Mercalli Scale) मोजली जाते. |
८. परीक्षेसाठी 'स्मरण ट्रिक्स' व वन-लाइनर तथ्ये (Quick Revision Points)
- ✅ १ हॉर्स पॉवर (HP) = ७४६ वॅट (Watts) - वारंवार विचारला जाणारा प्रश्न.
- ✅ १ ज्यूल = १०⁷ अर्ग (Ergs); १ न्यूटन = १०⁵ डाईन (Dynes).
- ✅ १ नॉटिकल मैल (Nautical Mile) = १.८५२ किमी (समुद्रातील अंतर मोजण्यासाठी).
- ✅ १ बॅरल खनिज तेल = १५९ लिटर (अंदाजे).
- ✅ विद्युत ऊर्जेचे व्यावसायिक एकक: किलोवॅट-तास (kWh) किंवा १ युनिट = ३.६ × १०⁶ ज्यूल.
📐 भौतिक राशींची परिमाणे (Dimensions - M, L, T विश्लेषण)
कोणत्याही भौतिक राशीचे मूलभूत राशींमध्ये (वस्तुमान-M, लांबी-L, वेळ-T) केलेले सूत्रीकरण म्हणजे परिमाण (Dimensions) होय. आयोगाच्या परीक्षेत वारंवार विचारली जाणारी प्रमुख परिमाणे खालीलप्रमाणे आहेत:
| भौतिक राशी | मूलभूत सूत्र | SI एकक | परिमाण (Dimensions) |
|---|---|---|---|
| चाल / वेग (Speed / Velocity) | अंतर / वेळ किंवा विस्थापन / वेळ | मी/से (m/s) | [M⁰ L¹ T⁻¹] |
| प्रवेग (Acceleration) | वेगातील बदल / वेळ | मी/से² (m/s²) | [M⁰ L¹ T⁻²] |
| बल (Force) | वस्तुमान × प्रवेग ($F = m \times a$) | न्यूटन (N) | [M¹ L¹ T⁻²] |
| कार्य / ऊर्जा (Work / Energy) | बल × विस्थापन ($W = F \times s$) | ज्यूल (J) | [M¹ L² T⁻²] |
| शक्ती (Power) | कार्य / वेळ ($P = W / t$) | वॅट (W) | [M¹ L² T⁻³] |
| दाब / ताण (Pressure / Stress) | बल / क्षेत्रफळ ($P = F / A$) | पास्कल (Pa) / N/m² | [M¹ L⁻¹ T⁻²] |
| संवेग / आवेग (Momentum / Impulse) | वस्तुमान × वेग ($p = mv$) | किग्रॅ·मी/से किंवा N·s | [M¹ L¹ T⁻¹] |
| पृष्ठताण (Surface Tension) | बल / लांबी ($T = F / l$) | न्यूटन/मीटर (N/m) | [M¹ L⁰ T⁻²] |
| वैश्विक गुरुत्वाकर्षण स्थिरांक ($G$) | $G = F \cdot r^2 / (m_1 \cdot m_2)$ | N·m²/kg² | [M⁻¹ L³ T⁻²] |
🌌 खगोलीय व सूक्ष्म अंतराची अत्यंत महत्त्वाची एकके (Special Astronomical & Micro Units)
१ प्रकाशवर्ष (Light Year): प्रकाशाने निर्वात जागेत एका वर्षात पार केलेले अंतर = $9.46 \times 10^{15}$ मीटर. (हे अंतराचे एकक आहे, काळाचे नव्हे).
१ पारसेक (Parsec): खगोलीय अंतराचे सर्वात मोठे व्यावहारिक एकक = ३.२६ प्रकाशवर्ष = $3.08 \times 10^{16}$ मीटर.
१ खगोलीय एकक (Astronomical Unit - AU): सूर्य व पृथ्वीमधील सरासरी अंतर = $1.496 \times 10^{11}$ मीटर (सुमारे १५ कोटी किमी).
१ नॉटिकल मैल (Nautical Mile): सागरी अंतर मोजण्याचे एकक = १.८५२ किलोमीटर (१८५२ मीटर). जहाजाचा वेग 'नॉट' (Knots) मध्ये मोजतात.
१ अँगस्ट्रॉम (Å): अणूची त्रिज्या व प्रकाशाची तरंगलांबी मोजण्याचे एकक = $10^{-10}$ मीटर.
१ फर्मी (Fermi / Femtometer): अणुकेंद्रकाचा (Nucleus) आकार मोजण्याचे एकक = $10^{-15}$ मीटर.
⚡ १० च्या धन व ऋण घातांकांची संक्षिप्त नावे (Prefixes Trick)
• डेका (da) = $10^1$
• हेक्टो (h) = $10^2$
• किलो (k) = $10^3$
• मेगा (M) = $10^6$
• गिगा (G) = $10^9$
• टेरा (T) = $10^{12}$
• पेटा (P) = $10^{15}$
• एक्झा (E) = $10^{18}$
• डेसी (d) = $10^{-1}$
• सेंटि (c) = $10^{-2}$
• मिलि (m) = $10^{-3}$
• मायक्रो ($\mu$) = $10^{-6}$
• नॅनो (n) = $10^{-9}$
• पिको (p) = $10^{-12}$
• फेम्टो (f) = $10^{-15}$
• अ‍ॅटो (a) = $10^{-18}$
👮♂️ पोलीस भरती व सरळसेवा 'गोल्डन' वन-लाइनर तथ्ये (Direct Exam Facts)
📌 प्रकाशाची तीव्रता मोजण्याचे SI एकक: कँडेला (Candela - cd).
📌 पदार्थाच्या प्रमाणाचे SI एकक: मोल (Mole - mol), मूल्य: $6.022 \times 10^{23}$ (अ‍ॅव्होगॅड्रो संख्या).
📌 तापमानाचे SI एकक: केल्व्हिन (K); $0^\circ\text{C} = 273.15\text{ K}$. निरपेक्ष शून्य तापमान $= 0\text{ K} = -273.15^\circ\text{C}$.
📌 दाबाचे SI एकक: पास्कल (Pa); CGS पद्धतीत: डाईन/सेंमी²; १ बार $= 10^5\text{ Pa}$.
📌 विद्युत रोधाचे एकक: ओहम ($\Omega$); विशिष्ट रोधाचे एकक: ओहम-मीटर ($\Omega\cdot\text{m}$).
📌 लेंस/भिंगाची शक्ती: डायॉप्टर (Dioptre - D); सूत्र: $P = 1/f$ (मीटरमध्ये).
📌 ध्वनी तीव्रता (Sound Intensity): SI एकक W/m² (वॅट प्रति चौरस मीटर) आहे; ध्वनी पातळी (Sound Level) मोजण्यासाठी डेसिबल (dB) हे लॉगरिथमिक एकक वापरतात. (परीक्षेचा सापळा: dB हे ध्वनी तीव्रतेचे SI एकक नाही!).
📌 वारंवारतेचे (Frequency) SI एकक: हर्ट्झ (Hertz - Hz); १ Hz = १ कंपन प्रति सेकंद.
📌 चुंबकीय क्षेत्राच्या तीव्रतेचे SI एकक: टेस्ला (Tesla - T); CGS एकक: गॉस (Gauss); १ टेस्ला $= 10^4$ गॉस.
📌 रेडिओॲक्टिव्हिटीचे (किरणोत्सारिता) SI एकक: बेक्वेरेल (Bq); पारंपारिक एकक: क्युरी (Ci).
📌 विद्युत प्रभाराचे (Electric Charge) SI एकक: कूलॉम (Coulomb - C).
📌 १ अश्वशक्ती (Horse Power - HP): ७४६ वॅट (Watt).
📌 १ बॅरल (कच्चे तेल): सुमारे १५९ लिटर (४२ यूएस गॅलन).
📌 १ कॅलरी (उष्णता): ४.१८४ ज्यूल (Joule).
📌 १ नॉटिकल मैल: १.८५२ किमी; १ मैल (जमिनीवरील) $= 1.609$ किमी.
📝 MPSC Combine व राज्यसेवा मागील वर्षांचे सराव प्रश्न (PYQs)
प्र. १. 'प्रकाशवर्ष' (Light Year) हे खालीलपैकी कशाचे एकक आहे? [MPSC Group C]
(A) वेळ / काळ
(B) प्रकाश तीव्रता
(C) खगोलीय अंतर
(D) प्रकाशाचा वेग
उत्तर: (C) खगोलीय अंतर. स्पष्टीकरण: प्रकाशाने एका वर्षात पार केलेले अंतर म्हणजे प्रकाशवर्ष ($9.46 \times 10^{15}$ m) होय. हा काळाचा नव्हे तर अंतराचा दर्शक आहे.
प्र. २. खालीलपैकी कोणती जोडी अचूक जुळलेली नाही? [MPSC Combine Group B]
(A) कार्य — ज्यूल
(B) शक्ती — वॅट
(C) दाब — पास्कल
(D) चुंबकीय प्रवृत्ती — अँपिअर
उत्तर: (D). स्पष्टीकरण: चुंबकीय प्रवृत्ती (Magnetic Susceptibility, $\chi$) ही चुंबकीय तीव्रता ($M$) आणि चुंबकीय क्षेत्राची तीव्रता ($H$) यांचे गुणोत्तर ($\chi = M/H$) असते. $M$ आणि $H$ या दोन्ही राशींचे एकक अँपिअर/मीटर ($\text{A/m}$) असल्याने चुंबकीय प्रवृत्ती ही एककहीन व मितीहीन (Dimensionless / Unitless) राशी आहे. (अँपिअर हे विद्युतधारेचे एकक आहे).
🎯 सराव परीक्षा (Practice Quiz)
भौतिकशास्त्र: राशी, गतीचे नियम, कार्य, ऊर्जा व गुरुत्वाकर्षण चाचणी ०१
या घटकाचा अभ्यास पूर्ण झाला असल्यास लगेच चाचणी सोडून सराव करा.
📝
4 टेस्ट्स या घटकावर आधारित मोफत सराव टेस्ट्स (Free Practice Tests)
1
भौतिकशास्त्र: राशी, गतीचे नियम, कार्य, ऊर्जा व गुरुत्वाकर्षण चाचणी ०१
⏱️ 15 मि.•🏆 20 गुण मोफत
2
भौतिकशास्त्र - गती, न्यूटनचे नियम, बल, कार्य व ऊर्जा - सराव चाचणी
⏱️ 15 मि.•🏆 15 गुण मोफत
3
4
सामान्य विज्ञान - Topic 06: शास्त्रीय उपकरणे, शोध व शास्त्रज्ञ
⏱️ 25 मि.•🏆 25 गुण