Physics

UPSC Physics 2026 — Paper I

All 8 questions from UPSC Civil Services Mains Physics 2026 Paper I (400 marks total). Every stem reproduced in full, with directive-word analysis, marks, word limits, and answer-approach pointers.

8Questions
400Total marks
2026Year
Paper IPaper

A

Q1
50M Compulsory explain

(a) A uniform rod of length L and mass m stands vertically upright on a rough floor and then tips over. What is the rod's angular velocity when it hits the floor? (10 marks) (b) A cardiologist reports to her patient that the radius of the left anterior descending artery of the heart has narrowed by 10%. What percent increase in the blood pressure is required to maintain the normal blood flow through this artery? Assume that the viscosity of the blood and the length of the artery remain unchanged. (10 marks) (c) Light of wavelength 6000 Å is incident on a slit of width 0·40 mm. The screen is placed 2 m away from the slit. Find (i) the position of the first dark fringe and (ii) the width of the central bright fringe. (10 marks) (d) Find the required thickness of the calcite plate to convert plane polarized light (λ = 6000 Å) into circularly polarized light. (For calcite, μ_O = 1·658 and μ_E = 1·486) (10 marks) (e) A particle executes simple harmonic motion of amplitude A and angular frequency ω. A damping force proportional to velocity acts on the particle. Derive the expression for the displacement of the particle as a function of time and discuss the effect of damping on amplitude and frequency. Also, calculate the time at which the amplitude reduces to half its initial value, if the damping coefficient is b and mass is m. (10 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) L लम्बाई और m द्रव्यमान की एक एकसमान छड़, एक खुरदरी सतह पर ऊर्ध्वाधर रूप से सीधी खड़ी है और फिर गिर (लुढ़क) जाती है। जब यह छड़ सतह से टकराती है, तो इसका कोणीय वेग क्या होगा? (10 अंक) (b) एक हृदय रोग विशेषज्ञ (कार्डियोलॉजिस्ट) अपने मरीज को बताती है कि हृदय की बाईं अग्र अवरोही धमनी (लेफ्ट ऐंटीरियर डिसेंडिंग आर्टरी) की त्रिज्या 10% कम हो गई है। इस धमनी (आर्टरी) से रक्त का सामान्य प्रवाह बनाए रखने के लिए रक्तचाप में कितनी प्रतिशत वृद्धि की आवश्यकता होगी? यह मान लीजिए कि रक्त की श्यानता और धमनी की लम्बाई अपरिवर्तित रहती है। (10 अंक) (c) 6000 Å तरंगदैर्ध्य का प्रकाश 0·40 mm चौड़ाई के रेखाछिद्र (स्लिट) पर आपतित होता है। पर्दे को स्लिट से 2 m की दूरी पर रखा गया है। (i) प्रथम अदीप्त फ्रिन्ज की स्थिति और (ii) केन्द्रीय दीप्त फ्रिन्ज की चौड़ाई ज्ञात कीजिए। (10 अंक) (d) समतल ध्रुवित प्रकाश (λ = 6000 Å) को वृत्तीय ध्रुवित प्रकाश में बदलने (रूपांतरित करने) के लिए कैल्साइट पट्टिका (प्लेट) की आवश्यक मोटाई ज्ञात कीजिए। (कैल्साइट के लिए μ_O = 1·658 और μ_E = 1·486) (10 अंक) (e) एक कण आयाम A और कोणीय आवृत्ति ω के साथ सरल आवर्त गति करता है। कण पर वेग के समानुपाती एक अवमंदन बल कार्य करता है। समय के फलन के रूप में कण के विस्थापन के लिए व्यंजक व्युत्पन्न कीजिए और आयाम तथा आवृत्ति पर अवमंदन के प्रभाव की चर्चा कीजिए। साथ ही, उस समय की गणना कीजिए जब आयाम घटकर अपने प्रारंभिक मान का आधा रह जाता है, यदि अवमंदन गुणांक b और द्रव्यमान m है। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) Find the angular velocity of a uniform rod (length L, mass m) standing vertically on a rough floor at the instant it strikes the floor after tipping over. The rough floor means the lower end does not slip, so the rod rotates about that fixed contact point and mechanical energy is conserved. (b) Using Poiseuille's law for viscous laminar flow, compute the percentage increase in blood pressure (pressure difference across the artery) needed to keep the volume flow rate unchanged when the artery radius falls by 10%, with viscosity and length held fixed. (c) For Fraunhofer single-slit diffraction with lambda = 6000 A, slit width a = 0.40 mm and screen distance D = 2 m, compute (i) the position of the first dark fringe (distance from the centre of the pattern) and (ii) the width of the central bright fringe. (d) Compute the minimum thickness of a calcite plate (a quarter-wave plate) that converts plane polarized light of lambda = 6000 A into circularly polarized light, given mu_O = 1.658 and mu_E = 1.486. (e) Set up and solve the damped-oscillator equation for a particle of mass m with a velocity-proportional damping force (coefficient b) to obtain x(t); discuss the effect of damping on amplitude and on frequency; and compute the time at which the amplitude falls to half its initial value.

  • Rough floor ⇒ no slipping; rotation about the fixed lower end
  • I about the end = mL²/3
  • Energy conservation mg(L/2) = ½Iω² (centre of mass falls L/2)
  • Result ω = √(3g/L), independent of m
  • Poiseuille's law Q = πΔP r⁴/(8ηl)
  • At constant Q, η, l: ΔP ∝ r⁻⁴
  • r′ = 0.9r ⇒ ΔP′/ΔP = 1/0.6561 = 1.524
  • Required increase ≈ 52.4%
  • Minima condition a sin θ = nλ, n = 1, 2, …
  • Small-angle position y₁ = Dλ/a
  • (i) y₁ = 3.0 mm from the centre
  • (ii) central fringe width = 2Dλ/a = 6.0 mm
  • Quarter-wave plate: path difference λ/4 (phase difference π/2)
  • Plane of vibration at 45° to the optic axis for equal amplitudes
  • t = λ/[4(μ_O − μ_E)] with μ_O − μ_E = 0.172
  • t = 8.72 × 10⁻⁷ m ≈ 0.872 μm
  • Equation mẍ + bẋ + kx = 0 with k = mω²
  • Underdamped solution x = A e^{−bt/2m} cos(ω′t + φ), ω′ = √(ω² − b²/4m²), valid for b < 2mω
  • Effects: amplitude decays exponentially; frequency is lowered (ω′ < ω)
  • t₁/₂ = (2m/b) ln 2 ≈ 1.386 m/b
Q2
50M derive

(a) What is meant by achromatic combination of lenses? Derive the condition for achromatization of a pair of lenses separated by a distance x. The two lenses have different dispersive powers. (20 marks) (b) Using Fraunhofer diffraction theory, derive the expression for the intensity distribution due to a circular aperture and obtain the condition for the first minimum. Using this result, derive the expression for the resolving power of an optical instrument. Finally, calculate the minimum angular separation that can be resolved by a telescope of aperture diameter D = 10 cm for light of wavelength 500 nm. (15 marks) (c) Consider a symmetric top of mass M, with its tip held fixed, rotating in a gravitational field. Assuming that the origins of the fixed and body coordinate systems coincide, determine the Lagrangian of the top. Are there any angular momenta which are conserved? If yes, find their expressions. (15 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) लेन्सों के अवर्णक संयोजन से क्या तात्पर्य है? x दूरी से पृथक्कृत लेन्सों के एक युग्म के अवर्णकरण के लिए शर्त को व्युत्पन्न कीजिए। दोनों लेन्सों की परिक्षेपण क्षमताएँ भिन्न हैं। (20 अंक) (b) फ्राउनहोफर विवर्तन सिद्धांत का उपयोग करते हुए एक वृत्ताकार द्वारक (छिद्र) के कारण तीव्रता वितरण के लिए व्यंजक व्युत्पन्न कीजिए और प्रथम निम्निष्ठ के लिए शर्त प्राप्त कीजिए। इस परिणाम का उपयोग करके, किसी प्रकाशीय यंत्र की विभेदन क्षमता के लिए व्यंजक व्युत्पन्न कीजिए। अंत में उस न्यूनतम कोणीय पृथक्करण की गणना कीजिए, जिसे D = 10 cm द्वारक वाले एक दूरबीन द्वारा 500 nm तरंगदैर्ध्य के प्रकाश के लिए विभेदित किया जा सकता है। (15 अंक) (c) M द्रव्यमान वाले एक सममित लट्टू (टॉप) पर विचार कीजिए, जिसका सिरा (टिप) स्थिर रखा गया है और जो एक गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में घूम रहा है। यह मानते हुए कि स्थिर और काय निर्देशांक प्रणालियों के मूल-बिंदु संपाती हैं, लट्टू का लैग्रेंजियन निर्धारित कीजिए। क्या कोई ऐसे कोणीय संवेग हैं, जो संरक्षित रहते हैं? यदि हाँ, तो उनके व्यंजकों को ज्ञात कीजिए। (15 अंक)

Answer approach & key points

(a) Define an achromatic combination of lenses, and derive the condition for achromatism of two thin lenses of different dispersive powers (omega_1, omega_2) separated by a distance x, obtaining x = (omega_1 f_2 + omega_2 f_1)/(omega_1 + omega_2). (b) Derive the Fraunhofer intensity distribution for a circular aperture (Airy pattern) and the first-minimum condition, use it to obtain the resolving power/Rayleigh criterion for an optical instrument, and compute the minimum resolvable angular separation of a telescope with D = 10 cm at lambda = 500 nm. (c) For a heavy symmetric top of mass M with its tip fixed and rotating in a uniform gravitational field, write the Lagrangian in terms of the Euler angles (theta, phi, psi), and identify which angular momenta are conserved, giving their expressions.

  • Definition: focal length/power the same for two wavelengths
  • dP = ωP from P = (μ − 1)K, with ω = (μ_B − μ_R)/(μ_Y − 1)
  • P = P₁ + P₂ − xP₁P₂ and dP = 0
  • x = (ω₁f₂ + ω₂f₁)/(ω₁ + ω₂)
  • Amplitude integral over the aperture giving I = I₀[2J₁(v)/v]², v = (πD/λ) sin θ
  • First zero of J₁ at v = 3.832 ⇒ sin θ₁ = 1.22λ/D
  • Rayleigh criterion ⇒ θ_min = 1.22λ/D, resolving power D/(1.22λ)
  • θ_min = 6.1 × 10⁻⁶ rad ≈ 1.26″
  • Euler angles θ, φ, ψ defined; I₁ = I₂ ≠ I₃ about the fixed tip
  • L = ½I₁(θ̇² + φ̇² sin²θ) + ½I₃(ψ̇ + φ̇ cos θ)² − Mgl cos θ
  • φ and ψ cyclic ⇒ conjugate momenta conserved
  • p_ψ = I₃(ψ̇ + φ̇ cos θ) and p_φ = I₁φ̇ sin²θ + I₃(ψ̇ + φ̇ cos θ) cos θ
Q3
50M prove

(a) The energy of a photon is expressed as E = hν, where h is the Planck's constant and ν is the frequency of the photon. The momentum of the photon is hν/c, where c is the speed of light. Show that if a photon scatters from a free electron (of mass m_e), the scattered photon has energy E' = E [1 + (E/(m_e c^2))(1 − cos θ)]^{-1} where θ is the angle through which the photon scatters. Also, show that the electron acquires a kinetic energy T = (E^2/(m_e c^2)) [ (1 − cos θ) / (1 + (E/(m_e c^2))(1 − cos θ)) ] (20 marks) (b) A pion at rest decays into a muon and a neutrino (see the figure) : π • (Before) ↑ μ ↓ ν (After) Find the velocity of the muon. (15 marks) (c) The aperture width of a laser light source of wavelength 6000 Å is 3 mm and its power is 20 mW. Calculate the light intensity at a distance of 200 m from the light source. (15 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) एक फोटॉन की ऊर्जा E = hν के रूप में व्यक्त की जाती है, जहाँ h प्लांक नियतांक है तथा ν फोटॉन की आवृत्ति है। फोटॉन का संवेग hν/c है, जहाँ c प्रकाश का वेग है। दर्शाइए कि यदि कोई फोटॉन किसी मुक्त इलेक्ट्रॉन (द्रव्यमान m_e) से प्रकीर्णित होता है, तो प्रकीर्णित फोटॉन की ऊर्जा E' = E [1 + (E/(m_e c^2))(1 − cos θ)]^{-1} होती है, जहाँ θ वह कोण है जिससे फोटॉन प्रकीर्णित होता है। यह भी दर्शाइए कि इलेक्ट्रॉन गतिज ऊर्जा T = (E^2/(m_e c^2)) [ (1 − cos θ) / (1 + (E/(m_e c^2))(1 − cos θ)) ] प्राप्त करता है। (20 अंक) (b) विरामावस्था में स्थित एक पाइऑन, एक म्यूऑन और एक न्यूट्रिनो में विघटित हो जाता है (चित्र देखिए) : π • (पहले) ↑ μ ↓ ν (बाद में) म्यूऑन का वेग ज्ञात कीजिए। (15 अंक) (c) 6000 Å तरंगदैर्ध्य के लेसर प्रकाश स्रोत के द्वारक की चौड़ाई 3 mm तथा शक्ति 20 mW है। प्रकाश स्रोत से 200 m की दूरी पर प्रकाश की तीव्रता की गणना कीजिए। (15 अंक)

Answer approach & key points

(a) Starting from relativistic energy and momentum conservation for Compton scattering of a photon of energy E off a free electron of mass m_e at rest, prove E' = E[1 + (E/m_e c^2)(1 - cos theta)]^-1 for the scattered photon, and then prove that the electron's kinetic energy is T = (E^2/m_e c^2)(1 - cos theta)/[1 + (E/m_e c^2)(1 - cos theta)]. (b) A charged pion at rest decays to a muon plus a (massless) neutrino emitted back-to-back, as in the figure; find the velocity of the muon using relativistic energy-momentum conservation. (c) For a laser of wavelength 6000 A, aperture width 3 mm and output power 20 mW, use diffraction-limited beam divergence to find the beam spot size at 200 m and hence compute the light intensity there.

  • Energy conservation E + mₑc² = E′ + Eₑ with Eₑ² = pₑ²c² + mₑ²c⁴
  • Momentum components squared and added: pₑ²c² = E² + E′² − 2EE′ cos θ
  • 1/E′ − 1/E = (1 − cos θ)/(mₑc²) ⇒ E′ = E[1 + (E/mₑc²)(1 − cos θ)]⁻¹
  • T = E − E′ = (E²/mₑc²)(1 − cos θ)/[1 + (E/mₑc²)(1 − cos θ)]
  • Zero initial momentum ⇒ muon and neutrino back-to-back with equal p; E_ν = pc (massless neutrino)
  • pc = (m_π² − m_μ²)c²/(2m_π) = 29.8 MeV, E_μ = (m_π² + m_μ²)c²/(2m_π) = 109.8 MeV
  • v_μ/c = pc/E_μ = (m_π² − m_μ²)/(m_π² + m_μ²)
  • v_μ ≈ 0.271c ≈ 8.14 × 10⁷ m/s
  • Diffraction angular spread θ = λ/a = 2.0 × 10⁻⁴ rad
  • Spot size at 200 m: r = Lθ = 4.0 cm
  • Intensity I = P/(spot area) with P = 0.020 W
  • I ≈ 4.0 W/m² (with πr²) or ≈ 12.5 W/m² (textbook areal spread (Lθ)²)
Q4
50M discuss

(a) (i) In Newton's ring experiment, the space between planoconvex lens and glass plate is filled with a liquid of refractive index μ. Explain how interference pattern changes as compared to air. Starting from the condition for interference, derive an expression for the radius of the nth dark ring. Discuss how the ring system changes if the refractive index increases. (10 marks) (ii) A Fabry-Pérot interferometer is illuminated by monochromatic light of wavelength λ = 500 nm. The mirror separation is d = 0·8 mm. It is observed that two successive transmitted maxima correspond to wavelengths λ and λ + Δλ, both satisfying the condition for normal incidence. Determine the smallest wavelength difference Δλ that can be resolved by the interferometer. Explain physically why this quantity depends on mirror separation. (10 marks) (b) A monochromatic parallel beam of wavelength λ = 600 nm is incident on a single slit of width a = 0·3 mm. A convex lens of focal length f = 1 m forms the Fraunhofer diffraction pattern on a screen. Determine the angular width and linear width of the central maximum on the screen. If the slit width is halved, explain quantitatively how diffraction pattern changes. A second wavelength 450 nm is added. Will the minima of the two wavelengths coincide? Justify mathematically. (15 marks) (c) Consider a particle of mass m in two dimensions experiencing a central force F⃗ = −k r⃗, where k is a positive constant and r⃗ is the radius vector of the particle relative to the force center. (i) What is the angular momentum J⃗ of the particle relative to the force center? Show that J⃗ is conserved. (ii) Write down the system of equations of motion in two dimensions in polar coordinates. Reduce this system to a one-equation problem and find the equation for the effective potential energy U_eff. (15 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) (i) न्यूटन वलय के प्रयोग में, समतल-उत्तल लेंस और काँच की प्लेट के बीच का स्थान μ अपवर्तनांक वाले एक द्रव से भरा होता है। समझाइए कि हवा की तुलना में व्यतिकरण प्रतिरूप में किस प्रकार परिवर्तन आता है। व्यतिकरण की शर्त से प्रारंभ करते हुए nवें अदीप्त वलय की त्रिज्या के लिए एक व्यंजक व्युत्पन्न कीजिए। विवेचना कीजिए कि यदि अपवर्तनांक बढ़ता है, तो वलय प्रणाली में किस प्रकार परिवर्तन आता है। (10 अंक) (ii) एक फैब्रि-पेरोट व्यतिकरणमापी (इंटरफेरोमीटर) को λ = 500 nm तरंगदैर्ध्य वाले एकवर्णी प्रकाश से प्रकाशित किया जाता है। दर्पणों के बीच की दूरी d = 0·8 mm है। यह देखा जाता है कि दो क्रमागत पारगमित उच्चिष्ठ, तरंगदैर्ध्य λ और λ + Δλ के संगत होते हैं, और ये दोनों अभिलंब आपतन की शर्त को संतुष्ट करते हैं। उस न्यूनतम तरंगदैर्ध्य अंतर Δλ का मान ज्ञात कीजिए, जिसे यह व्यतिकरणमापी विभेदित कर सकता है। भौतिक रूप से समझाइए कि यह राशि दर्पणों के बीच की दूरी पर क्यों निर्भर करती है। (10 अंक) (b) तरंगदैर्ध्य λ = 600 nm की एक एकवर्णी समांतर किरणपुंज a = 0·3 mm चौड़ाई वाली एक एकल झिरी (स्लिट) पर आपतित होती है। फोकस दूरी f = 1 m का एक उत्तल लेंस पर्दे पर फ्राउनहोफर विवर्तन प्रतिरूप बनाता है। पर्दे पर बनने वाले केंद्रीय उच्चिष्ठ की कोणीय चौड़ाई और रेखीय चौड़ाई ज्ञात कीजिए। यदि स्लिट की चौड़ाई आधी कर दी जाए, तो मात्रात्मक रूप से समझाइए कि विवर्तन प्रतिरूप में क्या परिवर्तन आएगा। यदि 450 nm का एक दूसरा तरंगदैर्ध्य भी इसमें जोड़ दिया जाए, तो क्या दोनों तरंगदैर्ध्यों के निम्निष्ठ संपाती होंगे? गणितीय रूप से इसकी पुष्टि कीजिए। (15 अंक) (c) दो विमाओं में स्थित m द्रव्यमान वाले एक कण पर विचार कीजिए, जिस पर एक केंद्रीय बल F⃗ = −k r⃗ कार्यरत है, जहाँ k एक धनात्मक नियतांक है तथा r⃗ बल केंद्र के सापेक्ष कण का त्रिज्या सदिश है। (i) बल केंद्र के सापेक्ष कण का कोणीय संवेग J⃗ क्या है? दर्शाइए कि J⃗ संरक्षित रहता है। (ii) ध्रुवीय निर्देशांकों में दो विमाओं में गति का समीकरण-निकाय लिखिए। इस निकाय को एक समीकरण वाली समस्या में समानीत कीजिए और प्रभावी स्थितिज ऊर्जा U_eff के लिए समीकरण ज्ञात कीजिए। (15 अंक)

Answer approach & key points

(a(i)) Explain how the Newton's rings pattern changes when the air film between the plano-convex lens and the glass plate is replaced by a liquid of refractive index mu; derive, starting from the interference condition, the radius of the nth dark ring; and discuss the effect of increasing mu. (a(ii)) For a Fabry-Perot interferometer with mirror separation d = 0.8 mm illuminated at lambda = 500 nm at normal incidence, determine the smallest resolvable wavelength difference Delta lambda (the separation of successive transmitted maxima, i.e. the free spectral range), and explain physically why this quantity depends on the mirror separation. (b) For single-slit Fraunhofer diffraction with lambda = 600 nm, a = 0.3 mm and a lens of f = 1 m: (i) find the angular and linear widths of the central maximum; (ii) state quantitatively how the pattern changes if the slit width is halved; (iii) decide, with mathematical justification, whether the minima of 600 nm and 450 nm coincide. (c) For a particle of mass m moving in two dimensions under the central force F = -k r (isotropic harmonic oscillator): (i) write the angular momentum J about the force centre and prove it is conserved; (ii) write the polar-coordinate equations of motion, reduce them to a single radial equation, and obtain the effective potential energy U_eff.

  • Path difference 2μt + λ/2 ⇒ dark rings 2μt = nλ
  • t = rₙ²/2R from the lens geometry
  • rₙ = √(nλR/μ): rings shrink by 1/√μ compared with air, centre stays dark
  • Higher μ: rings contract further and crowd; contrast falls as μ approaches the glass index
  • Maxima at normal incidence: 2d = mλ; m = 2d/λ = 3200
  • Successive orders: Δλ ≈ λ/m = λ²/2d
  • Δλ = 1.56 × 10⁻¹⁰ m = 0.156 nm
  • Dependence on d explained: phase 4πd/λ varies faster with λ for larger d; higher order, resolving power mF grows
  • (i) Angular width 2λ/a = 4.0 × 10⁻³ rad; linear width 2fλ/a = 4.0 mm
  • (ii) Halving a doubles the widths (8.0 × 10⁻³ rad, 8.0 mm); peak intensity falls to 1/4
  • (iii) Condition m₁λ₁ = m₂λ₂ ⇒ m₁/m₂ = 3/4
  • 3rd minimum of 600 nm coincides with the 4th of 450 nm at 6.0 mm (first minima do not)
  • J = r × p = mr²θ̇; torque r × F = 0 ⇒ J conserved
  • Polar equations m(r̈ − rθ̇²) = −kr and d(mr²θ̇)/dt = 0
  • Reduced equation mr̈ = −kr + J²/(mr³)
  • U_eff(r) = ½kr² + J²/(2mr²)

B

Q5
50M Compulsory calculate

(a) Calculate the effective resistance of the following combination of resistances as shown in the figure and determine the voltage drop across each resistance when a potential difference of 120 volts is applied between points A and B : (10 marks) (b) A charge of –3·30 μC is fixed at a point. From a horizontal distance of 0·0455 m, a charged particle of mass 7·35 × 10⁻³ kg and charge –7·45 μC is fired with an initial velocity 62·5 m/s directly towards the fixed charge. How far does this charge travel before its speed becomes zero? (10 marks) (c) In a homogeneous non-conducting region where μᵣ = 1, find εᵣ and ω, if E = 30π e^{j[ωt – (4/3)y]} a_z (V/m) H = 1·0 e^{j[ωt – (4/3)y]} a_x (A/m) (10 marks) (d) What are the limitations of the first law of thermodynamics? One mole of a gas, assumed to be perfect, at 0 °C is heated at constant pressure till its volume is twice its initial value. Calculate the amount of heat absorbed. Given, Cᵥ = 20·9 J mol⁻¹ K⁻¹ and R = 8·3 J mol⁻¹ K⁻¹. (10 marks) (e) Two solids A and B have Debye temperatures 200 K and 300 K respectively. At T = 20 K, compare their specific heats. (10 marks)

हिंदी में पढ़ें

(a) चित्र में दर्शाए अनुसार प्रतिरोधों के निम्नलिखित संयोजन के प्रभावी प्रतिरोध की गणना कीजिए तथा जब बिंदु A और B के बीच 120 वोल्ट का विभवांतर लगाया जाता है, तो प्रत्येक प्रतिरोध पर वोल्टता पात का निर्धारण कीजिए : (10 अंक) (b) एक बिंदु पर –3·30 μC का एक आवेश स्थिर है। 0·0455 m की क्षैतिज दूरी से 7·35 × 10⁻³ kg द्रव्यमान और –7·45 μC आवेश वाले एक आवेशित कण को 62·5 m/s के प्रारंभिक वेग से सीधे स्थिर आवेश की ओर प्रक्षेपित किया जाता है। यह आवेश अपनी गति शून्य होने से पहले कितनी दूरी तय करता है? (10 अंक) (c) एक समांगी अचालक क्षेत्र में, जहाँ μᵣ = 1 है, εᵣ और ω का मान ज्ञात कीजिए, यदि E = 30π e^{j[ωt – (4/3)y]} a_z (V/m) H = 1·0 e^{j[ωt – (4/3)y]} a_x (A/m) (10 अंक) (d) उष्मागतिकी के प्रथम नियम की क्या सीमाएँ हैं? 0 °C पर किसी गैस के एक मोल, जिसे आदर्श गैस माना गया है, को स्थिर दाब पर तब तक गर्म किया जाता है जब तक कि उसका आयतन उसके प्रारंभिक मान का दोगुना न हो जाए। अवशोषित उष्मा की मात्रा की गणना कीजिए। दिया गया है, Cᵥ = 20·9 J mol⁻¹ K⁻¹ और R = 8·3 J mol⁻¹ K⁻¹. (10 अंक) (e) दो ठोस A और B के डेबाई तापमान क्रमशः 200 K और 300 K हैं। T = 20 K पर उनकी विशिष्ट ऊष्माओं की तुलना कीजिए। (10 अंक)

Answer approach & key points

(a) From the printed figure the candidate must (i) reduce the network between A and B to a single effective resistance R_eff and (ii) with 120 V applied across A-B, compute the main and branch currents and hence the voltage drop across EVERY individual resistor. The network is: from A the upper branch is 3 Ω in parallel with 6 Ω, that pair in series with 18 Ω; the lower branch is a single 5 Ω; the two branches are in parallel between A and node X; and 8 Ω runs from X to B. Both parts carry marks; a bare R_eff is a half answer. (b) Using conservation of mechanical energy for two like (both negative, hence mutually repelling) point charges, find the distance of closest approach of the moving charge and hence how far it travels from its starting point before its speed falls to zero. (c) For the given uniform plane wave in a lossless non-conducting medium with μ_r = 1, determine (i) the relative permittivity ε_r from the intrinsic impedance ratio E₀/H₀ and (ii) the angular frequency ω from the given phase constant β = 4/3 rad/m. (d) Two parts: (i) state the limitations of the first law of thermodynamics (it says nothing about direction/feasibility, no concept of entropy or unavailable energy, cannot distinguish reversible from irreversible, gives no efficiency limit), and (ii) numerically compute the heat absorbed when one mole of an ideal gas at 0 °C is heated isobarically until its volume doubles, given C_V = 20.9 and R = 8.3 J mol⁻¹ K⁻¹. (e) Using the Debye T³ law, compare the lattice specific heats of solids A (θ_D = 200 K) and B (θ_D = 300 K) at T = 20 K, first justifying that 20 K lies in the low-temperature regime for both, and obtaining the ratio C_A/C_B.

  • Correct series–parallel reduction: 3 ∥ 6 = 2 Ω, upper branch 20 Ω, 20 ∥ 5 = 4 Ω
  • R_eff = 12 Ω and I = 10 A
  • Drops: 8 Ω 80 V, 5 Ω 40 V, 18 Ω 36 V, 3 Ω and 6 Ω 4 V each
  • Like charges repel; energy conservation ½mv² + kQq/r_i = kQq/r_min
  • ½mv² = 14.36 J, U_i = 4.86 J, E = 19.21 J
  • r_min = 1.15 × 10⁻² m; distance travelled = 3.40 × 10⁻² m
  • η = E₀/H₀ = 30π Ω and η = 120π/√εᵣ ⇒ εᵣ = 16
  • β = (ω/c)√εᵣ with β = 4/3 rad/m
  • ω = 1.0 × 10⁸ rad/s
  • At least three limitations: no direction of processes, no feasibility criterion, no limit on heat-to-work conversion/efficiency, no entropy concept
  • V ∝ T at constant P ⇒ ΔT = 273 K; C_P = C_V + R = 29.2 J mol⁻¹ K⁻¹
  • Q = C_PΔT = 7.97 × 10³ J
  • T = 20 K ≪ θ_D for both ⇒ Debye T³ law C_V = (12π⁴/5)R(T/θ_D)³
  • At fixed T, C_V ∝ 1/θ_D³
  • C_A/C_B = (300/200)³ = 3.375; A has the larger specific heat
Q6
50M discuss

(a) Discuss the origin of hysteresis in ferromagnetic materials on the basis of domain theory. Explain how domain wall motion and pinning lead to energy loss during cyclic magnetization. (20 marks) (b) Blackbody radiation in a cavity at 2000 K is subject to isothermal reversible expansion through 10³ cm³. Calculate (i) the heat transferred and (ii) the work done. If the initial volume was 10 cm³ and expansion had been adiabatic, calculate the change in temperature of the radiation. (Given, Stefan-Boltzmann constant, σ = 5·672×10⁻⁸ J m⁻² K⁻⁴ s⁻¹) (15 marks) (c) A wire of length 2 m is perpendicular to the X-Y plane. It is moved with velocity V = 2î + 3ĵ + k̂ m/s through a region of uniform magnetic induction B = î + 2ĵ Wb/m². Compute the potential difference induced between the ends of the wire. (15 marks)

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(a) प्रक्षेत्र (डोमेन) सिद्धांत के आधार पर लोहचुम्बकीय (फेरोमैग्नेटिक) पदार्थों में शैथिल्य (हिस्टेरेसिस) की उत्पत्ति की विवेचना कीजिए। समझाइए कि चक्रीय चुम्बकन के दौरान डोमेन भित्ति की गति और पिनिंग किस प्रकार ऊर्जा हानि का कारण बनती हैं। (20 अंक) (b) 2000 K तापमान पर एक गुहा (कैविटी) में कृष्णिका विकिरण का 10³ cm³ तक समतापी उत्क्रमणीय प्रसार होता है। (i) स्थानांतरित ऊष्मा और (ii) किए गए कार्य की गणना कीजिए। यदि आरंभिक आयतन 10 cm³ था, और प्रसार रुद्धोष्म होता, तो विकिरण के तापमान में होने वाले परिवर्तन की गणना कीजिए। (दिया गया है, स्टेफ़ॉन-बोल्ट्ज़मान स्थिरांक, σ = 5·672×10⁻⁸ J m⁻² K⁻⁴ s⁻¹) (15 अंक) (c) 2 m लम्बाई का एक तार X-Y तल के लम्बवत् है। इसे V = 2î + 3ĵ + k̂ m/s के वेग से एकसमान चुम्बकीय प्रेरण B = î + 2ĵ Wb/m² वाले क्षेत्र से गुजारा जाता है। तार के सिरों के बीच प्रेरित विभवांतर की गणना कीजिए। (15 अंक)

Answer approach & key points

(a) Explain the microscopic origin of the hysteresis loop in ferromagnets using Weiss domain theory, and then explain in detail how reversible and irreversible domain-wall motion, domain-wall pinning at defects, and Barkhausen jumps convert magnetic work into heat, making the loop area the energy loss per cycle per unit volume. (b) For blackbody (photon-gas) radiation: (i) compute the heat transferred and (ii) the work done in a reversible isothermal expansion at 2000 K through ΔV = 10³ cm³, and then (iii) compute the temperature change if instead the same expansion from an initial volume of 10 cm³ were carried out reversibly and adiabatically. (c) A 2 m wire lying along the z-axis (perpendicular to the X-Y plane) moves with velocity V = 2î + 3ĵ + k̂ m/s through a uniform field B = î + 2ĵ Wb/m². Compute the motional emf induced between its ends using ε = ∫(V × B)·dL.

  • Weiss domains from exchange interaction; Bloch walls (exchange vs anisotropy)
  • Magnetisation by reversible wall motion, irreversible wall jumps, then domain rotation
  • Pinning of walls at defects ⇒ Barkhausen jumps ⇒ irreversibility, remanence and coercivity
  • Loss per cycle per unit volume W = ∮H dB = loop area, dissipated as heat
  • u = aT⁴, a = 4σ/c = 7.57 × 10⁻¹⁶ J m⁻³ K⁻⁴; P = aT⁴/3; S = (4/3)aT³V
  • (i) Q = (4/3)aT⁴ΔV = 1.61 × 10⁻⁵ J
  • (ii) W = (1/3)aT⁴ΔV = 4.04 × 10⁻⁶ J
  • (iii) VT³ = constant ⇒ T₂ ≈ 429 K, ΔT ≈ −1.57 × 10³ K
  • Wire along z: L = 2k̂ m
  • ε = (V × B)·L
  • V × B = −2î + ĵ + k̂ V/m
  • ε = 2 V
Q7
50M prove

(a) A gas has only two particles a and b. Show with the help of diagrams how these two particles can be arranged in three energy states 1, 2, 3 using (i) Maxwell-Boltzmann, (ii) Fermi-Dirac and (iii) Bose-Einstein statistics. (20 marks) (b) Calculate the pressure at which water will boil at 150 °C, given that the change in specific volume when 1 gram of water is converted into steam is 1676 cm³. Given, latent heat of vaporization for steam = 540 cal per gram, J = 4·2×10⁷ ergs/cal and one atmospheric pressure = 10⁶ dynes/cm². (15 marks) (c) A very long solenoid of radius a, with n turns per unit length, carries a current I_s. Coaxial with the solenoid, at radius b >> a, is a circular ring of wire with resistance R. When the current in the solenoid is gradually reduced, a current I_r is induced in the ring. Calculate I_r in terms of dI_s/dt. Also, calculate the power dissipated through Joule effect and the electric field E⃗ near the solenoid. (15 marks)

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(a) एक गैस में केवल दो कण a और b हैं। आरेखों की सहायता से दर्शाइए कि इन दो कणों को तीन ऊर्जा अवस्थाओं 1, 2, 3 में (i) मैक्सवेल-बोल्ट्ज़मान, (ii) फर्मी-डिराक और (iii) बोस-आइंस्टीन सांख्यिकी का उपयोग करके किस प्रकार व्यवस्थित किया जा सकता है। (20 अंक) (b) उस दाब की गणना कीजिए, जिस पर 150 °C पर पानी उबलेगा, यह देखते हुए कि जब 1 ग्राम पानी भाप में परिवर्तित होता है, तो विशिष्ट आयतन में परिवर्तन 1676 cm³ होता है। दिया गया है, भाप के लिए वाष्पीकरण की गुप्त ऊष्मा = 540 cal प्रति ग्राम, J = 4·2×10⁷ ergs/cal और एक वायुमंडलीय दाब = 10⁶ dynes/cm². (15 अंक) (c) a त्रिज्या वाली बहुत लम्बी परिनालिका में, जिसकी प्रति इकाई लम्बाई में n फेरे हैं, I_s धारा प्रवाहित हो रही है। परिनालिका के साथ समाक्ष रूप से, b >> a त्रिज्या पर, R प्रतिरोध वाला एक वृत्ताकार तार का वलय (रिंग) स्थित है। जब परिनालिका में प्रवाहित धारा को धीरे-धीरे कम किया जाता है, तो वलय में I_r धारा प्रेरित हो जाती है। I_r की गणना dI_s/dt के पदों में कीजिए। साथ ही, जूल प्रभाव के कारण क्षयित शक्ति और परिनालिका के निकट विद्युत्-क्षेत्र E⃗ की गणना कीजिए। (15 अंक)

Answer approach & key points

(a) For a gas of exactly two particles a and b distributed over three energy states 1, 2, 3, enumerate and DRAW all distinct microstates under (i) Maxwell–Boltzmann, (ii) Fermi–Dirac and (iii) Bose–Einstein statistics, obtaining 9, 3 and 6 arrangements respectively, and explain the assumptions (distinguishability, spin, exclusion principle) that produce the different counts. (b) Using the Clausius–Clapeyron equation for the liquid–vapour transition, compute the pressure at which water boils at 150 °C, given L = 540 cal g⁻¹, Δv = 1676 cm³ g⁻¹, J = 4.2 × 10⁷ erg cal⁻¹ and 1 atm = 10⁶ dyne cm⁻². (c) For a long solenoid (radius a, n turns per unit length, current I_s) coaxial with a resistive ring of radius b ≫ a and resistance R, derive (i) the induced ring current I_r in terms of dI_s/dt, (ii) the Joule power dissipated in the ring, and (iii) the induced electric field E⃗ in the region near (outside) the solenoid.

  • MB: distinguishable, multiple occupancy allowed ⇒ gⁿ = 9 arrangements, all shown
  • FD: indistinguishable, Pauli exclusion ⇒ ³C₂ = 3 arrangements, all shown
  • BE: indistinguishable, no exclusion ⇒ ⁴C₂ = 6 arrangements, all shown
  • Clausius–Clapeyron dP/dT = L/[T(v₂ − v₁)] with T = 373 K
  • L = 2.268 × 10¹⁰ erg g⁻¹ ⇒ dP/dT = 3.63 × 10⁴ dyne cm⁻² K⁻¹
  • ΔP = 1.81 × 10⁶ dyne cm⁻² for ΔT = 50 K
  • P ≈ 2.81 × 10⁶ dyne cm⁻² ≈ 2.81 atm
  • B = μ₀nIₛ inside, ≈ 0 outside ⇒ flux through ring Φ = μ₀nIₛπa² (not πb²)
  • Iᵣ = −(μ₀nπa²/R) dIₛ/dt, sense given by Lenz's law
  • P = Iᵣ²R = μ₀²n²π²a⁴(dIₛ/dt)²/R
  • E = −(μ₀na²/2s)(dIₛ/dt) φ̂ for s > a (azimuthal)
Q8
50M calculate

(a) The space between the plates of a parallel-plate capacitor is filled with a dielectric material whose susceptibility varies linearly from 0 at the bottom plate (x = 0) to 1 at the top plate (x = d). The capacitor is connected to a battery of voltage V. Calculate all the bound charges and check that the total charge is zero. Assume that the battery is connected in such a way that the electric field points along the x-direction while the free charge density, σ_f, is positive at the bottom plate and negative at the top plate. (20 marks) (b) The magnetic field H of an electromagnetic wave travels in the −a_z direction in free space with a phase shift constant of 30 rad/m and an amplitude of (1/3π) A/m. If the field has the direction −a_y when t = 0 and z = 0, write the suitable expressions for E and H. Determine the frequency and wavelength of the wave. (15 marks) (c) (i) The average kinetic energy of hydrogen atoms in a certain stellar atmosphere, assumed to be in thermal equilibrium, is 1·2 eV. Calculate the ratio of the number of atoms in the second excited state (n = 3) to the number in the ground state. (10 marks) (ii) Why does the specific heat of solids depend on material at low temperatures but become independent of material at high temperatures? (5 marks)

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(a) एक समांतर-प्लेट संधारित्र की प्लेटों के बीच का स्थान एक परावैद्युत पदार्थ से भरा है, जिसकी सुग्राहिता निचली प्लेट (x = 0) पर 0 से लेकर ऊपरी प्लेट (x = d) पर 1 तक रैखिक रूप से परिवर्तित होती है। संधारित्र को V वोल्टेज वाली एक बैटरी से जोड़ा गया है। सभी बद्ध आवेशों की गणना कीजिए और जाँच कीजिए कि कुल आवेश शून्य है। मान लीजिए कि बैटरी को इस प्रकार जोड़ा गया है कि विद्युत्-क्षेत्र x-दिशा में इंगित करता है, जबकि मुक्त आवेश घनत्व, σ_f, निचली प्लेट पर धनात्मक और ऊपरी प्लेट पर ऋणात्मक है। (20 अंक) (b) एक विद्युत्-चुम्बकीय तरंग का चुम्बकीय क्षेत्र H मुक्त आकाश में −a_z दिशा में 30 rad/m के कला विस्थापन स्थिरांक और (1/3π) A/m के आयाम के साथ गति करता है। यदि t = 0 और z = 0 पर क्षेत्र की दिशा −a_y हो, तो E और H के लिए उपयुक्त व्यंजक लिखिए। तरंग की आवृत्ति और तरंगदैर्ध्य निर्धारित कीजिए। (15 अंक) (c) (i) किसी तारकीय वायुमंडल में मौजूद हाइड्रोजन परमाणुओं की औसत गतिज ऊर्जा 1·2 eV है, और यह माना गया है कि वे तापीय संतुलन में हैं। दूसरी उत्तेजित अवस्था (n = 3) में परमाणुओं की संख्या और आद्य (निम्नतम) अवस्था में परमाणुओं की संख्या का अनुपात ज्ञात कीजिए। (10 अंक) (ii) ठोसों की विशिष्ट ऊष्मा कम तापमान पर पदार्थ पर क्यों निर्भर करती है, जबकि उच्च तापमान पर यह पदार्थ से स्वतंत्र हो जाती है? (5 अंक)

Answer approach & key points

(a) For a parallel-plate capacitor filled with a dielectric of linearly graded susceptibility χ_e(x) = x/d (0 at x = 0, 1 at x = d) and held at voltage V, find the free surface charge density σ_f in terms of V, then compute ALL bound charges — the bound volume charge density ρ_b(x) and the bound surface charge densities at x = 0 and x = d — and verify that the total bound charge is zero. (b) For a plane EM wave in free space travelling along −a_z with β = 30 rad/m, |H| = 1/3π A/m and H along −a_y at t = 0, z = 0: write the complete time-domain expressions for H⃗ and E⃗ (amplitude, direction and phase), and determine the frequency and wavelength. (c(i)) From the given mean kinetic energy of 1.2 eV, obtain the temperature of the stellar hydrogen using the equipartition result (3/2)kT, then apply the Boltzmann distribution with the correct statistical weights g_n = 2n² to find the population ratio N₃/N₁ between the second excited state (n = 3) and the ground state. (c(ii)) Explain why the lattice specific heat of solids is material-dependent at low temperature (Debye T³ regime, where C ∝ (T/θ_D)³ and θ_D encodes the material's elastic constants, atomic mass and bonding) but becomes material-independent at high temperature (Dulong–Petit limit, C = 3R per mole).

  • D = σ_f uniform; E(x) = σ_f/[ε₀(1 + x/d)]; V = (σ_f d/ε₀) ln 2 ⇒ σ_f = ε₀V/(d ln 2)
  • P = σ_f x/(d + x); ρ_b = −dP/dx = −σ_f d/(d + x)²
  • σ_b(0) = 0, σ_b(d) = +σ_f/2
  • Total bound charge −σ_f/2 + 0 + σ_f/2 = 0
  • ω = βc = 9 × 10⁹ rad/s, f = 1.43 GHz, λ = 0.209 m
  • E₀ = η₀H₀ = 40 V/m; phase (ωt + 30z) for −a_z travel
  • H = −(1/3π) cos(9 × 10⁹ t + 30z) a_y A/m
  • E = 40 cos(9 × 10⁹ t + 30z) a_x V/m (from a_E × a_H = a_k)
  • (3/2)k_BT = 1.2 eV ⇒ k_BT = 0.80 eV (T ≈ 9.28 × 10³ K)
  • ΔE = E₃ − E₁ = 12.09 eV; g₃/g₁ = 18/2 = 9
  • N₃/N₁ = 9 e^{−15.11} ≈ 2.46 × 10⁻⁶
  • Only modes with ħω ≲ k_BT contribute
  • Low T: Debye T³ law with material-dependent θ_D
  • High T: all 3N modes excited, equipartition ⇒ C_V = 3R ≈ 25 J mol⁻¹ K⁻¹ for all solids

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