📁 सामान्य विज्ञान (General Science) 📖 भौतिकशास्त्र: मूलभूत राशी, गतीचे नियम, कार्य, ऊर्जा, शक्ती व गुरुत्वाकर्षण (Mechanics & Gravitation) ⏱️ 20 मिनिटे वाचन 👁️ 146 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 आणि २ पूरक राशी 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 (Supplementary Quantities):
- समतल कोन (Plane Angle): एकक - रेडियन (Radian - rad).
- घन कोन (Solid Angle): एकक - स्टेरेडियन (Steradian - sr).
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) | भूकंपाच्या लहरींची तीव्रता मोजण्यासाठी (रिश्टर स्केल). |
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).
📌 ध्वनीच्या तीव्रतेचे एकक: डेसिबल (Decibel - dB).
📌 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.