Light, Optics & Lens Devices

Complete SSC CGL Physics Guide: Concepts, Formulas, PYQs & Mock Testसंपूर्ण SSC CGL भौतिकी गाइड: अवधारणाएं, सूत्र, PYQ और मॉक टेस्ट

Quick Overview त्वरित अवलोकन

Light is a form of energy that produces the sensation of vision. Optics is the branch of physics that deals with the study of light, its properties, and its interaction with matter. This section covers fundamental phenomena such as reflection, refraction, total internal reflection, dispersion, scattering, spherical mirrors, lenses, and human eye defects—topics frequently asked in SSC CGL exams.
प्रकाश ऊर्जा का एक रूप है जो दृष्टि की संवेदना उत्पन्न करता है। प्रकाशिकी (Optics) भौतिकी की वह शाखा है जो प्रकाश, इसके गुणों और पदार्थ के साथ इसकी अन्योन्यक्रिया के अध्ययन से संबंधित है। यह अध्याय परावर्तन, अपवर्तन, पूर्ण आंतरिक परावर्तन, विक्षेपण, प्रकीर्णन, गोलीय दर्पण, लेंस और मानव नेत्र दोषों जैसी मूलभूत घटनाओं को कवर करता है, जो SSC CGL परीक्षाओं में बार-बार पूछे जाते हैं।

Learning Objectives अध्ययन के उद्देश्य

Concept Introduction अवधारणा परिचय

Light behaves both as a wave (transverse electromagnetic wave) and as a particle (photon). It travels in straight paths in a homogeneous medium, a phenomenon known as the rectilinear propagation of light. The speed of light in a vacuum is a fundamental physical constant, approximately $3 \times 10^8 \text{ m/s}$.
प्रकाश एक तरंग (अनुप्रस्थ विद्युत चुंबकीय तरंग) और एक कण (फोटॉन) दोनों की तरह व्यवहार करता है। यह एक समांगी माध्यम में सीधी रेखा में गमन करता है, जिसे प्रकाश का ऋजुरेखीय संचरण कहा जाता है। निर्वात में प्रकाश की चाल एक मूलभूत भौतिक नियतांक है, जो लगभग 3 × 108 मी/से होती है।
Previous Year Insight: SSC CGL frequently tests the nature of light waves (transverse electromagnetic waves) and the speed of light in different optical media (vacuum > air > water > glass).
विगत वर्षों की झलक (PYQ): SSC CGL में अक्सर प्रकाश तरंगों की प्रकृति (अनुप्रस्थ विद्युत चुंबकीय तरंगें) और विभिन्न प्रकाशीय माध्यमों में प्रकाश की चाल (निर्वात > वायु > जल > कांच) पर प्रश्न पूछे जाते हैं।

Important Definitions & Terms महत्वपूर्ण परिभाषाएं और शब्दावली

Term पद / शब्द Definition परिभाषा SI Unit / Symbol SI मात्रक / प्रतीक
Refractive Index ($n$) अपवर्तनांक (n) Ratio of the speed of light in vacuum to its speed in a given medium ($n = c / v$). निर्वात में प्रकाश की चाल और किसी दिए गए माध्यम में प्रकाश की चाल का अनुपात (n = c / v)। Dimensionless (No unit) विमाहीन (कोई मात्रक नहीं)
Focal Length ($f$) फोकस दूरी (f) Distance between the pole/optical center and the principal focus. ध्रुव/प्रकाशिक केंद्र और मुख्य फोकस के बीच की दूरी। Meter ($\text{m}$) मीटर (m)
Power of Lens ($P$) लेंस की क्षमता (P) Reciprocal of focal length expressed in meters ($P = 1 / f$). मीटर में व्यक्त फोकस दूरी का व्युत्क्रम (P = 1 / f)। Diopter ($\text{D}$) डायोप्टर (D)
Critical Angle ($\theta_c$) क्रांतिक कोण (θc) Angle of incidence in denser medium for which angle of refraction in rarer medium is $90^\circ$. सघन माध्यम में वह आपतन कोण जिसके लिए विरल माध्यम में अपवर्तन कोण 90° होता है। Degree ($^\circ$) डिग्री (°)

Detailed Explanation विस्तृत व्याख्या

1. Reflection of Light & Spherical Mirrors 1. प्रकाश का परावर्तन और गोलीय दर्पण

Laws of Reflection:
  1. The angle of incidence ($\angle i$) is equal to the angle of reflection ($\angle r$).
  2. The incident ray, the reflected ray, and the normal to the surface at the point of incidence lie in the same plane.
Types of Spherical Mirrors:
  • Concave Mirror (Converging): Inner curved surface is reflecting. Focus is real ($f$ is negative). Used in searchlights, dentist mirrors, and solar furnaces.
  • Convex Mirror (Diverging): Outer curved surface is reflecting. Focus is virtual ($f$ is positive). Always forms virtual, erect, and diminished images. Used as rear-view mirrors in vehicles.
परावर्तन के नियम:
  1. आपतन कोण (∠i) सदैव परावर्तन कोण (∠r) के बराबर होता है।
  2. आपतित किरण, परावर्तित किरण तथा आपतन बिंदु पर अभिलंब, तीनों एक ही तल में होते हैं।
गोलीय दर्पणों के प्रकार:
  • अवतल दर्पण (अभिसारी): अंदर की ओर झुकी हुई सतह परावर्तक होती है। फोकस वास्तविक होता है (f ऋणात्मक होता है)। इसका उपयोग सर्चलाइट, दंत चिकित्सकों के दर्पण और सौर भट्टी में किया जाता है।
  • उत्तल दर्पण (अपसारी): बाहर की ओर उभरी सतह परावर्तक होती है। फोकस आभासी होता है (f धनात्मक होता है)। यह सदैव आभासी, सीधा और छोटा प्रतिबिंब बनाता है। इसका उपयोग वाहनों में रियर-व्यू (पश्च-दृश्य) दर्पण के रूप में किया जाता है।
Key Rule for Plane Mirrors: The minimum height of a plane mirror required to view a full-length image of a person is half the height of the person ($H/2$). The image formed is virtual, erect, laterally inverted, and of the same size.
समतल दर्पण का मुख्य नियम: किसी व्यक्ति का पूरा प्रतिबिंब देखने के लिए समतल दर्पण की न्यूनतम ऊंचाई व्यक्ति की ऊंचाई की आधी (H/2) होनी चाहिए। बना हुआ प्रतिबिंब आभासी, सीधा, पार्श्व रूप से उल्टा और समान आकार का होता है।

2. Refraction of Light & Total Internal Reflection (TIR) 2. प्रकाश का अपवर्तन और पूर्ण आंतरिक परावर्तन (TIR)

When light travels from one medium to another, it bends due to a change in speed.
  • Rarer to Denser: Bends towards the normal.
  • Denser to Rarer: Bends away from the normal.
Snell's Law: $\frac{\sin i}{\sin r} = \frac{n_2}{n_1} = \text{constant}$

Total Internal Reflection (TIR): Occurs when light travels from a denser medium to a rarer medium and the angle of incidence exceeds the critical angle ($\theta_i > \theta_c$).
$$\sin \theta_c = \frac{1}{n}$$ Applications of TIR: Optical fibers (telecommunication), mirage formation in deserts, sparkling of diamonds, endoscopes in medical diagnosis.
जब प्रकाश एक माध्यम से दूसरे माध्यम में जाता है, तो चाल में परिवर्तन के कारण यह मुड़ जाता है।
  • विरल से सघन: अभिलंब की ओर झुकता है।
  • सघन से विरल: अभिलंब से दूर हटता है।
स्नेल का नियम: sin i / sin r = n2 / n1 = नियतांक

पूर्ण आंतरिक परावर्तन (TIR): यह तब होता है जब प्रकाश सघन माध्यम से विरल माध्यम में जाता है और आपतन कोण क्रांतिक कोण से अधिक हो जाता है (θi > θc)।
sin θc = 1 / n
TIR के अनुप्रयोग: ऑप्टिकल फाइबर (दूरसंचार), रेगिस्तान में मरीचिका (Mirage) का बनना, हीरे का टिमटिमाना/चमकना, चिकित्सा निदान में एंडोस्कोप।

3. Dispersion & Scattering of Light 3. प्रकाश का विक्षेपण और प्रकीर्णन

  • Dispersion: The splitting of white light into its seven constituent colors (VIBGYOR) when passing through a prism. Violet light bends the most (shortest wavelength), while Red light bends the least (longest wavelength).
  • Scattering: Rayleigh's Law states that intensity of scattered light $I \propto \frac{1}{\lambda^4}$. Violet/Blue light is scattered most, which explains why the sky appears blue. Red light is scattered least, making it ideal for danger signals.
  • वर्ण विक्षेपण (Dispersion): प्रिज्म से गुजरने पर श्वेत प्रकाश का अपने सात घटक रंगों (VIBGYOR / बैजानीपीनाला) में विभाजन। बैंगनी प्रकाश सबसे अधिक मुड़ता है (सबसे छोटी तरंगदैर्घ्य), जबकि लाल प्रकाश सबसे कम मुड़ता है (सबसे लंबी तरंगदैर्घ्य)।
  • प्रकीर्णन (Scattering): रैले के नियमानुसार प्रकीर्णित प्रकाश की तीव्रता I ∝ 1 / λ4 होती है। बैंगनी/नीला प्रकाश सबसे अधिक प्रकीर्णित होता है, जिससे आकाश नीला दिखाई देता है। लाल प्रकाश सबसे कम प्रकीर्णित होता है, इसलिए इसका उपयोग खतरे के संकेतों के लिए किया जाता है।

4. Lens Devices & Human Eye Defects 4. लेंस उपकरण और मानव नेत्र के दोष

Vision Defect दृष्टि दोष Cause / Description कारण / विवरण Corrective Lens निवारक लेंस
Myopia (Short-sightedness) निकटदृष्टि दोष (Myopia) Nearby objects clear; distant objects blurred. Image formed in front of retina. पास की वस्तुएं स्पष्ट; दूर की धुंधली। प्रतिबिंब रेटिना के आगे बनता है। Concave Lens (Diverging) अवतल लेंस (Concave Lens)
Hypermetropia (Far-sightedness) दूरदृष्टि दोष (Hypermetropia) Distant objects clear; nearby objects blurred. Image formed behind retina. दूर की वस्तुएं स्पष्ट; पास की धुंधली। प्रतिबिंब रेटिना के पीछे बनता है। Convex Lens (Converging) उत्तल लेंस (Convex Lens)
Presbyopia जरा-दूरदर्शिता (Presbyopia) Loss of elasticity of eye lens due to old age; difficulty reading nearby. वृद्धावस्था के कारण आंखों के लेंस की लोच में कमी; पास की वस्तुओं को देखने में कठिनाई। Bifocal Lens द्विफोकसी लेंस (Bifocal Lens)
Astigmatism अबिंदुकता (Astigmatism) Irregular curvature of cornea; cannot focus on horizontal & vertical lines simultaneously. कॉर्निया की वक्रता में अनियमितता; एक साथ क्षैतिज और ऊर्ध्वाधर रेखाओं पर ध्यान केंद्रित करने में असमर्थ। Cylindrical Lens बेलनाकार लेंस (Cylindrical Lens)

Key Formulas & Physical Constants मुख्य सूत्र और भौतिक नियतांक

Concept अवधारणा Formula (English / LaTeX) सूत्र (हिंदी संकेत) Sign Convention & Notes चिह्न परिपाटी एवं मुख्य बिंदु
Mirror Formula दर्पण सूत्र
$$\frac{1}{f} = \frac{1}{v} + \frac{1}{u}$$
1/f = 1/v + 1/u
$u$ is always negative. $f$ is negative for concave, positive for convex. u सदैव ऋणात्मक होता है। f अवतल के लिए ऋणात्मक, उत्तल के लिए धनात्मक होता है।
Lens Formula लेंस सूत्र
$$\frac{1}{f} = \frac{1}{v} - \frac{1}{u}$$
1/f = 1/v − 1/u
$f$ is positive for convex lens, negative for concave lens. f उत्तल लेंस के लिए धनात्मक, अवतल लेंस के लिए ऋणात्मक होता है।
Power of Lens लेंस की क्षमता
$$P = \frac{1}{f \text{ (in meters)}}$$
P = 1 / f (मीटर में)
Power of convex lens is positive; concave lens is negative. उत्तल लेंस की क्षमता धनात्मक; अवतल लेंस की क्षमता ऋणात्मक होती है।
Magnification ($m$) आवर्धन (m)
$$m = \frac{h_i}{h_o} = -\frac{v}{u} \text{ (Mirror)} = \frac{v}{u} \text{ (Lens)}$$
m = hi / ho = −v / u (दर्पण) = v / u (लेंस)
If $m < 0$, image is real and inverted. If $m > 0$, virtual and erect. यदि m < 0 है, तो प्रतिबिंब वास्तविक व उल्टा होता है। यदि m > 0 है, तो आभासी व सीधा।

Examples & Numerical Illustrations उदाहरण और आंकिक प्रश्न

Example 1: A convex lens has a focal length of $+20\text{ cm}$. Calculate its optical power in Diopters.
Solution:
Given, $f = +20\text{ cm} = +0.2\text{ m}$.
Power $P = \frac{1}{f} = \frac{1}{+0.2} = +5\text{ D}$.
The power of the lens is $+5\text{ D}$.
उदाहरण 1: एक उत्तल लेंस की फोकस दूरी +20 सेमी है। डायोप्टर में इसकी प्रकाशीय क्षमता की गणना करें।
हल:
दिया गया है, f = +20 सेमी = +0.2 मीटर।
क्षमता P = 1 / f = 1 / (+0.2) = +5 D।
लेंस की क्षमता +5 D है।

Example 2: The speed of light in a glass slab is $2 \times 10^8\text{ m/s}$. Calculate the refractive index of glass. (Speed of light in vacuum $c = 3 \times 10^8\text{ m/s}$).
Solution:
Refractive Index $n = \frac{c}{v} = \frac{3 \times 10^8}{2 \times 10^8} = 1.5$.
The refractive index of glass is 1.5.
उदाहरण 2: कांच के एक स्लैब में प्रकाश की चाल 2 × 108 मी/से है। कांच के अपवर्तनांक की गणना करें। (निर्वात में प्रकाश की चाल c = 3 × 108 मी/से)।
हल:
अपवर्तनांक n = c / v = (3 × 108) / (2 × 108) = 1.5।
कांच का अपवर्तनांक 1.5 है।

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Exam Tips & Common Mistakes परीक्षा टिप्स और सामान्य गलतियां

Common Mistake: Confusing sign conventions in Mirror and Lens formulas. Remember: Mirror formula has a plus sign ($\frac{1}{f} = \frac{1}{v} + \frac{1}{u}$), whereas Lens formula has a minus sign ($\frac{1}{f} = \frac{1}{v} - \frac{1}{u}$).
सामान्य गलती: दर्पण और लेंस सूत्रों में चिह्न परिपाटी को लेकर भ्रमित होना। याद रखें: दर्पण सूत्र में धन (+) चिह्न होता है (1/f = 1/v + 1/u), जबकि लेंस सूत्र में ऋण (−) चिह्न होता है (1/f = 1/v − 1/u)।
Exam Tip: Focal length must ALWAYS be converted into meters before calculating Power in Diopters ($P = 1/f$). If $f = 25\text{ cm}$, convert to $0.25\text{ m}$ first ($P = +4\text{ D}$).
परीक्षा टिप: डायोप्टर में क्षमता (P = 1/f) की गणना करने से पहले फोकस दूरी को हमेशा मीटर में बदला जाना चाहिए। यदि f = 25 सेमी है, तो पहले इसे 0.25 मीटर में बदलें (P = +4 D)।

Practice Questions अभ्यास प्रश्न

Q1. Which defect of vision is corrected using a concave lens?
(a) Hypermetropia
(b) Myopia
(c) Presbyopia
(d) Astigmatism

Answer: (b)
Explanation: Myopia (short-sightedness) causes distant objects to focus in front of the retina. A diverging (concave) lens spreads the light rays to shift the image back onto the retina.
Q1. अवतल लेंस का उपयोग करके किस दृष्टि दोष को ठीक किया जाता है?
(a) दूरदृष्टि दोष (Hypermetropia)
(b) निकटदृष्टि दोष (Myopia)
(c) जरा-दूरदर्शिता (Presbyopia)
(d) अबिंदुकता (Astigmatism)

उत्तर: (b)
व्याख्या: निकटदृष्टि दोष (Myopia) में दूर की वस्तुओं का प्रतिबिंब रेटिना के आगे बनता है। अवतल (अपसारी) लेंस प्रकाश किरणों को फैलाकर प्रतिबिंब को वापस रेटिना पर केंद्रित करता है।

Q2. Total Internal Reflection takes place when light travels from:
(a) Air to glass
(b) Vacuum to air
(c) Glass to water
(d) Water to glass

Answer: (c)
Explanation: Total Internal Reflection (TIR) requires light to travel from an optically denser medium to an optically rarer medium. Glass ($n \approx 1.5$) is denser than water ($n \approx 1.33$).
Q2. पूर्ण आंतरिक परावर्तन तब होता है जब प्रकाश गमन करता है:
(a) वायु से कांच में
(b) निर्वात से वायु में
(c) कांच से जल में
(d) जल से कांच में

उत्तर: (c)
व्याख्या: पूर्ण आंतरिक परावर्तन (TIR) के लिए प्रकाश को प्रकाशीय रूप से सघन माध्यम से विरल माध्यम में जाना आवश्यक है। कांच (n ≈ 1.5) जल (n ≈ 1.33) की तुलना में अधिक सघन है।

Q3. What is the power of a concave lens having a focal length of $50\text{ cm}$?
(a) $+2\text{ D}$
(b) $-2\text{ D}$
(c) $+0.5\text{ D}$
(d) $-0.5\text{ D}$

Answer: (b)
Explanation: For a concave lens, focal length $f = -50\text{ cm} = -0.5\text{ m}$. Power $P = 1/f = 1/(-0.5) = -2\text{ D}$.
Q3. 50 सेमी फोकस दूरी वाले अवतल लेंस की क्षमता क्या होगी?
(a) +2 D
(b) −2 D
(c) +0.5 D
(d) −0.5 D

उत्तर: (b)
व्याख्या: अवतल लेंस के लिए फोकस दूरी f = −50 सेमी = −0.5 मीटर। क्षमता P = 1 / f = 1 / (−0.5) = −2 D।

Q4. Phenomenon responsible for the blue color of the clear sky is:
(a) Refraction
(b) Reflection
(c) Scattering
(d) Dispersion

Answer: (c)
Explanation: Rayleigh scattering causes shorter wavelengths (blue/violet light) to scatter much more than longer wavelengths when sunlight strikes air molecules in the atmosphere.
Q4. साफ आकाश के नीले रंग के लिए कौन सी घटना जिम्मेदार है?
(a) अपवर्तन
(b) परावर्तन
(c) प्रकीर्णन
(d) विक्षेपण

उत्तर: (c)
व्याख्या: रैले प्रकीर्णन के कारण जब सूर्य का प्रकाश वायुमंडल में हवा के अणुओं से टकराता है, तो छोटी तरंगदैर्घ्य (नीला/बैंगनी प्रकाश) लंबी तरंगदैर्घ्य की तुलना में बहुत अधिक प्रकीर्णित होती है।

Q5. Which type of mirror is used as a rear-view mirror in motor vehicles?
(a) Plane mirror
(b) Concave mirror
(c) Convex mirror
(d) Parabolic mirror

Answer: (c)
Explanation: Convex mirrors provide a wider field of view and always form an erect, diminished virtual image, allowing drivers to see traffic behind them clearly.
Q5. मोटर वाहनों में पश्च-दृश्य (रियर-व्यू) दर्पण के रूप में किस प्रकार के दर्पण का उपयोग किया जाता है?
(a) समतल दर्पण
(b) अवतल दर्पण
(c) उत्तल दर्पण
(d) परवलयाकार दर्पण

उत्तर: (c)
व्याख्या: उत्तल दर्पण एक व्यापक दृष्टि क्षेत्र (wider field of view) प्रदान करते हैं और हमेशा एक सीधा, छोटा आभासी प्रतिबिंब बनाते हैं, जिससे चालकों को पीछे का यातायात स्पष्ट दिखाई देता है।