جواب تمرین های دوره ای فصل سوم فیزیک یازدهم تجربی
جواب تمرین های آخر فصل 3 فیزیک یازدهم تجربی
جواب صفحه 100 فیزیک یازدهم تجربی
1-3 و 2-2 مغناطیس و قطبهای مغناطیسی و میدان مغناطیسی
1 – با توجه به جهت گیری عقربههای مغناطیسی در شکل زیر، قطبهای آهنربای میلهای و جهت خطهای میدان مغناطیسی را تعیین کنید.
پاسخ: میدانیم عقربهی مغناطیسی همیشه در راستای خطوط میدان قرار میگیرد و از آنجا که میدان مغناطیسی از قطب N به سمت S امتداد دارد، پس:
2 – الف) آهن ربای میله ای با قطب های نامشخص در اختیار داریم. دست کم دو روش را برای تعیین قطب های این آهنربا بیان کنید.
پاسخ الف:
روش اول: استفاده از قطب نمای مغناطیسی
یک قطبنما را نزدیک یکی از سرهای آهنربا قرار دهید.
عقربه قطبنما به سمت قطب N آهنربا با انتهای S خود جذب میشود و از قطب Sآهنربا با انتهای N خود دفع میشود.
با مشاهده جهت عقربه میتوان تشخیص داد که کدام سر آهنربا N و کدام سر S است.
روش دوم: استفاده از یک آهن ربای معلوم
یک آهنربای دیگر که قطبهای آن مشخص است بردارید.
سر معلوم آهنربا (مثلاً قطب N آن) را به یکی از سرهای آهنربای مجهول نزدیک کنید.
اگر جذب شد، سر آهنربای مجهول قطب مخالف (S) است.
اگر دفع شد، سر آهنربای مجهول قطب همنام (N) است.
همین کار را برای سر دیگر نیز تکرار کنید تا قطبها مشخص شوند.
ب) خط های میدان مغناطیسی بین دو آهنربا در شکل زیر نشان داده شده است. اندازه میدان مغناطیسی را در نزدیکی قطب های آهنرباها با هم مقایسه کنید.
پاسخ ب: میدان مغناطیسیِ آهنربای ۲ شدت بیشتری دارد، چون خطوط میدان در اطراف آن با تراکم بالاتری دیده میشود.
3– کودکی یک قطعه کوچک آهنی را بلعیده است. پزشک میخواهد آن را با دستگاه شکل زیر بیرون بیاورد.
الف) هنگامی که آهنربای دائمی به نوک ثابت آهنی نزدیک میشود چه اتفاقی میافتد؟
ب) ساختن نوک ثابت آهن چه مزیتی دارد؟
پ) این وسیله را باید به درون گلوی کودک وارد و به سوی فلز بلعیده شده هدایت کرد؛ چرا غلاف باید انعطاف پذیر باشد؟
ت) پزشک میخواهد یک گیره آهنی کاغذ و یک واشر آلومینیومی را از گلوی کودک بیرون بیاورد؛ کدام یک را میتوان بیرون آورد؟ چرا؟
پاسخ:
الف: در نتیجهی القای مغناطیسی، سرِ ثابتِ میلهی آهنی خاصیت آهنربایی پیدا میکند.
ب: با نزدیک یا دور کردن آهنربای متحرکِ دائم از نوک آهنیِ ثابت، میتوان مقدار آهنربایی آن را کم یا زیاد کرد.
پ: به دلیل وجود برجستگیها و فرورفتگیهای دیوارهی گلو، لازم است غلاف انعطافپذیر باشد تا هنگام قرارگیری در گلو آسیبی ایجاد نکند.
ت: گیرهی آهنی مناسبتر است، چون از جنس مواد فرومغناطیس نرم بوده و بهسادگی توسط آهنربا جذب میشود.
3 – 3 نیروی مغناطیسی وارد بر ذره باردار متحرک در میدان مغناطیسی
4 – چهار ذرّه هنگام عبور از میدان مغناطیسی درون سو مسیرهایی مطابق شکل زیر میپیمایند. درباره نوع بار هر ذره چه میتوان گفت؟
پاسخ:
ذرهی ۱:
حرکت این ذره به سمت راست است و میدان مغناطیسی به طرف صفحه (درونسو) قرار دارد. نیرویی که به ذره وارد میشود رو به بالاست. اگر دست راست را مطابق قانون دست راست قرار دهیم، باید جهت نیرو همین سمت بالا باشد؛ بنابراین چنین وضعیتی فقط زمانی رخ میدهد که بار ذره مثبت باشد. پس ذرهی ۱ مثبت است.
ذرهی ۲:
این ذره رو به پایین حرکت میکند و مثل قبل، میدان مغناطیسی به داخل صفحه است. نیروی وارد بر آن به سمت چپ گزارش شده. اگر برای یک ذرهی مثبت قانون دست راست را بهکار ببریم، باید نیرو به سمت راست باشد؛ اما چون در شکل نیرو برخلاف آن یعنی به چپ است، نتیجه میگیریم که این ذره منفی است. چون بار منفی باعث میشود جهت نیرو معکوس شود.
ذرهی ۳:
ذرهی سوم هنگام ورود به میدان مغناطیسی، هیچ گونه انحرافی پیدا نمیکند. ذرهای که در میدان مغناطیسی منحرف نشود، یا سرعتش دقیقاً در راستای میدان باشد، یا اصلاً بار الکتریکی نداشته باشد. در این سؤال، جهت حرکت عمود بر میدان است اما باز هم انحراف ندارد؛ بنابراین این ذره فاقد بار است (ذرهی خنثی).
ذرهی ۴:
این ذره رو به بالا حرکت میکند، میدان مثل قبل درونسو است، و نیرو به سمت راست وارد میشود. اگر بار ذره مثبت بود، طبق قاعدهی دست راست باید نیرو به سمت چپ میبود. چون جهت مشاهدهشده عکس آن است، پس این ذره نیز دارای بار منفی است.
5 – جهت نیروی مغناطیسی وارد بر بار مثبت را در هریک از حالت های نشان داده در شکل زیر تعیین کنید.
پاسخ:
جواب صفحه 101 فیزیک یازدهم تجربی
6 – حلقه رسانای مستطیل شکلی که حامل جریان I است، مطابق شکل درون میدان مغناطیسی یکنواخت میچرخد. جهت جریان را در حلقه تعیین کنید.
پاسخ: جهت جریان در حلقه، پاد ساعتگرد است.
7 – پروتونی با تندی درون میدان مغناطیسی یکنواختی به اندازه 18mT در حرکت است. جهت حرکت پروتون با جهت B زاویه 60 درجه می سازد.
الف) اندازه نیروی وارد بر این پروتون را محاسبه کنید.
ب) اگر تنها این نیرو بر پروتون وارد شود، شتاب پروتون را حساب کنید.
پاسخ:
8 – ذره باردار مثبتی با جرم ناچیز و با سرعت v در امتداد محور x وارد فضایی میشود که میدان های یکنواخت E و B وجود دارد (شکل زیر).
اندازه این میدان ها برابر E=450N/C و B=0/18T است. تندی ذره چقدر باشد تا در همان امتداد محور x به حرکت خود ادامه دهد؟
پاسخ: برای اینکه ذره ی باردار در راستای محور x به حرکتش ادامه دهد، طبق شکل باید نیروی FB برابر با FE باشد. بنابراین میتوان نوشت:
4-3 نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان
9 – جهت نیروی الکترومغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان را در هر یک از شکلهای الف، ب و پ با استفاده از قاعده دست راست بیابید.
پاسخ: با توجه به قاعدهی دست راست، جهت نیروی وارد بر ذره به شرح زیر است:
الف) به سمت داخل صفحه (درونسو)
ب) به سمت بالا
پ) به سمت بالا
10 – یک سیم حامل جریان 1/6 آمپر مطابق شکل زیر با دو نیروسنج فنری که به دو انتهای آن بسته شدهاند، به طور افقی و در راستای غرب شرق قرار دارد. میدان مغناطیسی زمین را یکنواخت، به طرف شمال و اندازه 0/05mT بگیرید.
الف) اندازه نیروی مغناطیسی وارد بر هر متر این سیم را پیدا کنید.
ب) اگر بخواهیم نیروسنجها عدد صفر را نشان دهند، چه جریانی و در چه جهتی باید از سیم عبور کند؟ جرم هر متر از طول این سیم ۸ گرم است.
پاسخ:
عبور جریان به این شدت از سیم در عمل امکان پذیر نیست، بنابراین نمیتوان انتظار داشت که نیروسنج ها عدد صفر را نمایش دهند.
5 – 3 میدان مغناطیسی حاصل از جریان الکتریکی
11- یک آهنربای میلهای مطابق شکل زیر، بالای سیملولهای آویزان شده است. توضیح دهید با بستن کلید K چه تغییری در وضعیت آهنربا رخ میدهد.
پاسخ:
با وصل کردن کلید و عبور جریان، درون سیملولهی حلقوی میدان مغناطیسی رو به پایین ایجاد میشود. این میدان باعث میشود بخش بالایی سیملوله قطب S و بخش پایینی آن قطب N شود. به دلیل جاذبه بین قطبهای ناهمنام، قطب N آهنربا به سمت سیملوله جذب میشود و در نتیجه آهنربا به سمت چپ و پایین حرکت میکند.
جواب صفحه 102 فیزیک یازدهم تجربی
12- شکل زیر، دو سیم موازی و بلند حامل جریان را نشان میدهد. اگر میدان مغناطیسی برایند حاصل از این سیمها در نقطه A صفر باشد، جهت جریان آن را در سیم ۲ پیدا کنید.
پاسخ: برای اینکه میدان مغناطیسی خالص در نقطهی A صفر شود، میدانهای سیمهای ۱ و ۲ باید در جهتهای مخالف هم باشند. با توجه به اینکه میدان سیم ۱ در نقطهی A به سمت داخل صفحه است، میدان سیم ۲ باید به سمت خارج صفحه باشد. بنابراین جریان سیم ۲ باید از راست به چپ، مخالف جهت جریان سیم ۱، عبور کند.
13 – سیملوله ای شامل 250 حلقه است که دور یک لوله پلاستیکی تو خالی به طول 0/14 متر پیچیده شده است. اگر جریان گذرنده از سیملوله 0/8A باشد، اندازه میدان مغناطیسی درون سیملوله را حساب کنید.
پاسخ:
14 – در شکل زیر دو سیملوله P و Q هم محورند و طول برابر دارند. تعداد دور سیملوله P برابر 200 و تعداد دور سیملوله Q برابر 300 است. اگر جریان 1A از سیملوله Q عبور کند، از سیملوله P چه جریانی باید عبور کند تا برایند میدان مغناطیسی ناشی از دو سیملوله در نقطه M (روی محور دو سیملوله) صفر شود؟
پاسخ: برای اینکه میدان مغناطیسی در نقطهی M خالصاً صفر شود، میدانهای ایجاد شده توسط سیملولهها باید اندازهای برابر و جهتهایی مخالف داشته باشند. به این ترتیب، نیروهای مغناطیسی یکدیگر را خنثی میکنند.
6 – 3 ویژگی های مغناطیسی مواد
15 – شکل الف حوزههای مغناطیسی ماده فرومغناطیسی را درون میدان خارجی →B نشان میدهد. شکل ب همان ماده را پس از حذف میدان →B نشان میدهد. نوع ماده فرومغناطیسی را با ذکر دلیل تعیین کنید.
پاسخ: این ماده فرومغناطیسی نرم است، زیرا وقتی میدان خارجی حذف شود، حوزههای مغناطیسی دوباره ناهمسو شده و ماده به حالت اولیه خود بازمیگردد.
16 – با توجه به آنچه در بخش ویژگیهای مغناطیسی مواد دیدید، نقشه مفهومی زیر را کامل کنید.
پاسخ:
3 – 8 قانون القای الکترومغناطیسی فاراده
17 – دو سیملوله با حلقههای با مساحت یکسان ولی با تعداد دور متفاوت را مطابق شکلهای زیر به ولت سنج حساسی وصل کردهایم. دریافت خود را از این شکلها بنویسید. (آهنرباها مشابهاند و با تندی یکسانی به طرف سیملولهها حرکت میکنند.)
پاسخ: در هر دو شکل «الف» و «ب»، با وارد شدن آهنربا به داخل پیچه، نیروی محرکهی القایی و جریان در پیچه به وجود میآید. اما چون در شکل «ب» تعداد دورهای سیمپیچ بیشتر است، مقدار نیروی محرکهی القایی و در نتیجه جریان ایجادشده در آن نسبت به شکل «الف» بزرگتر خواهد بود.
جواب صفحه 103 فیزیک یازدهم تجربی
18 – دو سیملوله مشابه را مطابق شکلهای زیر به ولت سنج حساسی وصل کردهایم. دریافت خود را از شکلهای زیر بنویسید. (آهنرباها مشابهاند ولی با تندی متفاوتی به طرف سیملوله حرکت میکنند.)
پاسخ: در شکل ب چون آهنربا با سرعت بیشتری حرکت میکند، میزان تغییر شار مغناطیسی در زمان کمتر بیشتر است. به همین دلیل، نیرو محرکهٔ القایی قویتری نسبت به شکل الف تولید میشود.
19 – شکل داده شده ساختمان یک بادسنج را نشان میدهد. اگر این بادسنج را روی بام خانه نصب کنیم، به هنگام وزیدن باد میله آن میچرخد و ولت سنج عددی را نشان میدهد.
الف) چرا چرخش میله سبب انحراف عقربه ولتسنج میشود؟
پاسخ:
با چرخیدن میله، آهنربایی که به آن متصل است نیز دوران میکند و باعث میشود مقدار شار مغناطیسی عبوری از سیمپیچ پیوسته تغییر کند. این تغییر شار، ولتاژ و جریان القایی ایجاد میکند و ولتسنج آن را به صورت انحراف عقربه نشان میدهد.
ب) آیا با افزایش تندی باد، عددی که ولتسنج نشان میدهد تغییر میکند؟ چرا؟
پاسخ:
بله. هرچه سرعت باد بیشتر باشد، میله و آهنربا با سرعت بالاتری میچرخند و تغییرات شار سریعتر اتفاق میافتد. در نتیجه ولتاژ القایی افزایش مییابد و ولتسنج مقدار بزرگتری را نمایش میدهد.
پ) برای بهبود و افزایش دقت کار دستگاه دو پیشنهاد ارائه دهید.
پاسخ:
از یک سیمپیچ با تعداد دور بیشتر و آهنربایی با قدرت بالاتر میتوان استفاده کرد تا ولتاژ القایی افزایش پیدا کند. همچنین کاهش اصطکاک با روغنکاری بخشهای متحرک و بهرهگیری از یک ولتسنج حساستر باعث دقت بیشتر دستگاه خواهد شد.
20 – سطح حلقههای پیچهای که دارای ۱۰۰۰ حلقه است، عمود بر میدان مغناطیسی یکنواختی که اندازه 0/040T و جهت آن از راست به چپ است، قرار دارد. میدان مغناطیسی در مدت 0/010s تغییر میکند و به 0/040T در خلاف جهت اولیه میرسد. اگر سطح هر حلقه پیچه 50cm2 باشد، اندازه نیروی محرکه القایی متوسط در پیچه را حساب کنید.
پاسخ:
3 – 9 قانون لنز
21 – قطب N یک آهنربا را مطابق شکل روبه رو به یک حلقه رسانا نزدیک میکنیم. جهت جریان القایی را در حلقه مشخص کنید.
پاسخ: براساس قانون لنز، حلقه تمایل دارد با حرکت آهنربا مخالفت کند، بنابراین در این حالت حلقه مانند یک آهنربا با قطبهای N و S عمل میکند. به همین دلیل جهت جریان القایی در حلقه باید به صورت ساعتگرد باشد.
22 – دو آهنربای میلهای مشابه را مطابق شکل، به طور قائم از ارتفاع معینی نزدیک سطح زمین رها میکنیم به طوری که یکی از آنها از حلقه رسانایی عبور میکند. اگر سطح زمین در محل برخورد آهنرباها نرم باشد، مقدار فرورفتگی آهنرباها را در زمین با یکدیگر مقایسه کنید. (تأثیر میدان مغناطیسی زمین روی آهنرباها را نادیده بگیرید.)
پاسخ: آهنربای سمت چپ کمتر فرو میرود، زیرا وقتی از درون حلقه فاصله میگیرد، طبق قانون لنز حلقه در برابر حرکت آن مقاومت میکند. در این حالت، بخش پایین آهنربا مانند قطب N عمل میکند و این نیرو باعث کاهش سرعت حرکت آهنربا میشود.
23 – جهت جریان القایی را در هریک از حلقههای رسانای نشان داده شده در شکلهای زیر تعیین کنید.
پاسخ:
الف) ساعتگرد: وقتی شار مغناطیسی سیم بلند در داخل حلقه رو به افزایش و به سمت برونسو است، طبق قانون لنز حلقه سعی میکند با این افزایش مقابله کند. بنابراین جهت جریان القایی در حلقه مطابق قاعده دست راست به صورت ساعتگرد ایجاد میشود.
ب) پاد ساعتگرد: وقتی شار مغناطیسی سیم بلند در داخل حلقه رو به کاهش و به سمت برونسو است، حلقه مطابق قانون لنز با کاهش شار مخالفت میکند. در نتیجه، جهت جریان القایی باز هم به صورت ساعتگرد خواهد بود.
پ) جریانی القا نمی شود: اگر جریان در سیم بلند ثابت باشد، شار مغناطیسی داخل حلقه نیز ثابت است و بنابراین هیچ جریانی در حلقه القا نمیشود.
جواب صفحه 104 فیزیک یازدهم تجربی
24 – شکل زیر سیملوله حامل جریانی را نشان میدهد که در حال دور شدن از یک حلقه رساناست. جهت جریان القایی را در حلقه با ذکر دلیل تعیین کنید.
پاسخ: با توجه به شکل و با استفاده از قاعده دست راست، جهت قطبهای سیملوله مشخص میشود. هنگامی که سیملوله از حلقه دور میشود، طبق قانون لنز، حلقه سعی میکند با این حرکت مقابله کند. بنابراین سمت راست حلقه به قطب N و سمت چپ آن به قطب S تبدیل میشود و در نتیجه جهت جریان القایی در حلقه به صورت پادساعتگرد خواهد بود.
25 – دو حلقه رسانا در نزدیکی یک سیم دراز حامل جریان ثابت I قرار دارند؛ این دو حلقه با تندی یکسان، ولی در جهتهای متفاوت مطابق شکل زیر حرکت میکنند. جهت جریان القایی را در هر حلقه با ذکر دلیل تعیین کنید.
پاسخ: در حلقهی سمت چپ، حرکت موازی با سیم حامل جریان ثابت I باعث میشود که هیچ جریانی القا نشود، زیرا شار مغناطیسی عبوری از حلقه در طول زمان ثابت باقی میماند و تغییر نمیکند. اما در حلقهی سمت راست، جریانی به سمت ساعتگرد القا میشود تا کاهش شار عبوری از حلقه جبران شود.
26 – شکل زیر رسانای U شکلی را درون میدان مغناطیس یکنواخت →B که عمود بر صفحه شکل و رو به داخل صفحه است نشان میدهد. وقتی میله فلزی CD به طرف راست حرکت کند، جهت جریان القایی در مدار در چه جهتی است؟
پاسخ: وقتی میلهی CD به سمت راست حرکت میکند، مساحت حلقه بزرگتر شده و شار مغناطیسی عبوری از حلقه افزایش مییابد. طبق قانون لنز، میدان مغناطیسی القایی باید مخالف افزایش شار باشد، بنابراین جهت جریان القایی در حلقه به صورت پادساعتگرد خواهد بود.
27 – در مدار نشان داده شده در شکل زیر، جهت جریان القایی را در مقاومت R در هریک از دو حالت زیر با ذکر دلیل پیدا کنید:
الف) در لحظه بستن کلید K ، ب) در لحظه باز کردن کلید K
با بسته شدن کلید، شار مغناطیسی در مدار افزایش مییابد. میدانهای سیملولهها در جهت مخالف یکدیگر قرار میگیرند، بنابراین جریان القایی در مقاومت R از نقطه B به A جریان می یابد.
پاسخ ب:
با باز شدن کلید، شار مغناطیسی کاهش مییابد و میدانهای سیملولهها همجهت میشوند. در نتیجه جریان القایی در مقاومت R از نقطه A به B برقرار میشود.
28 – حلقه رسانای مربعی شکل، به طول ضلع 10cm وارد میدان مغناطیسی درون سویی به اندازه 20mT و سپس از آن خارج میشود.
الف) در کدام مرحله شار عبوری از حلقه بیشینه است؟ مقدار شار گذرنده از حلقه در این حالت چقدر است؟
ب) در کدام وضعیت (ها) شار گذرنده از حلقه تغییر میکند؟ جهت جریان القایی را در حلقه تعیین کنید.
حالت دوم: چون کل حلقه داخل میدان مغناطیسی قرار گرفته است،
در شکل ۱ و ۳ هنگام وارد یا خارج شدن قاب از میدان، شار مغناطیسی تغییر میکند.
بر اساس قانون لنز و قاعده دست راست، جهت جریان القایی در شکل ۱ پادساعتگرد و در شکل ۳ ساعتگرد خواهد بود.
29 – حلقه رسانایی به طرف یک آهنربای میلهای حرکت میکند. شکل زیر، حلقه را در سه وضعیت نسبت به آهنربا نشان میدهد. جهت جریان القایی را در حلقه برای هر وضعیت به طور جداگانه تعیین کنید.
پاسخ:
حالت ۱: پادساعتگرد (جهت بالا) : حلقه به سمت آهنربای میلهای نزدیک میشود و شار مغناطیسی عبوری از آن افزایش مییابد. طبق قانون لنز، جریان القایی باید به گونهای باشد که با افزایش شار مقابله کند، بنابراین جریان در حلقه به سمت بالا (پادساعتگرد) خواهد بود.
حالت ۲: جریانی القا نمیشود: کل حلقه داخل میدان مغناطیسی ثابت قرار دارد، بنابراین با حرکت حلقه تغییر شار وجود ندارد و جریانی القا نمیشود.
حالت ۳: ساعتگرد (جهت پایین): حلقه از آهنربای میلهای دور میشود و شار عبوری کاهش مییابد. جریان القایی در حلقه جهت مخالف کاهش شار را جبران میکند، بنابراین جریان در حلقه به سمت پایین (ساعتگرد) خواهد بود.
3 – 10 القاگر ها
30 – شکل زیر مداری را نشان میدهد؛ شامل یک القاگر (سیملوله)، باتری، رئوستا و آمپرسنج که به طور متوالی به یکدیگر بسته شدهاند. اگر بخواهیم بدون تغییر ولتاژ باتری، انرژی ذخیره شده در القاگر را زیاد کنیم چه راهی پیشنهاد میکنید؟
پاسخ:
1 – جابه جایی لغزنده رئوستا به سمت راست، که مقاومت مدار را کاهش داده و جریان عبوری را افزایش میدهد.
2 – افزایش تعداد حلقه های القاگر
3 –11 جریان متناوب
31 – جریان متناوبی که بیشینه آن 2/0A و دوره آن 0/020s است، از یک رسانای ۵ اهمی میگذرد.
الف) اولین لحظهای که در آن جریان بیشینه است چه لحظهای است؟ در این لحظه نیروی محرکه القایی چقدر است؟
ب) در لحظه t=1/400s ، جریان چقدر است؟
پاسخ:






































