تدریس فصل دوم فیزیک یازدهم ریاضی – گام به گام فصل 2

جواب فصل دوم فیزیک یازدهم ریاضی

جواب صفحه به صفحه فصل 2 فیزیک یازدهم ریاضی

جواب فعالیت صفحه 47 فیزیک یازدهم ریاضی

سرعت سوق الکترون‌های آزاد در یک رسانا می‌تواند به کندیِ سرعت حرکت یک حلزون باشد. اگر سرعت سوق الکترون‌ها این قدر کم است، پس چرا وقتی کلید برق را می‌زنیم چراغ‌های خانه به سرعت روشن می‌شوند؟ (راهنمایی: شیلنگ شفافی را در نظر بگیرید. وقتی شیر را باز می‌کنید، هنگامی که شیلنگ پر از آب است، آب بلافاصله از سر دیگر شیلنگ جاری می‌شود؛ ولی اگر لکه‌ای رنگی را درون آب چکانده باشیم، می‌بینیم این لکه رنگی به آهستگی در آب حرکت می‌کند.)

پاسخ:

با فشردن کلید، الکترون‌ های آزاد موجود در سراسر سیم تقریباً هم‌زمان به حرکت درمی‌آیند و در نتیجه چراغ روشن می‌شود. این پدیده را می‌توان به شلنگی پر از آب تشبیه کرد که با باز کردن شیر، آب بدون تأخیر از انتهای دیگر آن خارج می ‌شود

جواب تمرین صفحه 48 فیزیک یازدهم ریاضی

در رابطه Δq=I(Δt) اگر I بر حسب آمپر و Δt برحسب ساعت باشد، یکای Δq، آمپر – ساعت می‌شود. باتری خودروها با آمپر – ساعت (Ah) و باتری گوشی‌های همراه با میلی آمپر – ساعت (mAh) مشخص می‌شود. هرچه آمپر – ساعتِ یک باتری بیشتر باشد حداکثر باری که باتری می‌تواند از مدار عبور دهد تا به طور ایمن تخلیه شود، بیشتر است.

الف) باتری استاندارد خودرویی، 50Ah  است. اگر این باتری جریان متوسط 5/0 A  را فراهم سازد، چقدر طول می‌کشد تا خالی شود؟

پاسخ:

ب) روی یک باتری قلمی مقدار 1000mAh نوشته شده است. اگر این باتری جریان متوسط ۱۰۰μA را فراهم سازد، چه مدت طول می‌کشد تا خالی شود؟

پاسخ:

جواب فعالیت صفحه 51 فیزیک یازدهم ریاضی

اسباب آزمایشی را شامل یک منبع تغذیه، آمپرسنج، ولت‌سنج، سیم‌های رابط و قطعه سیم‌هایی که می‌خواهیم مقاومت آنها را به‌دست آوریم، مطابق شکل داده شده سوار کنید. آزمایش شامل سه مرحله است.

۱- قطعه سیم‌هایی از جنس یکسان، مثلاً کنستانتان (یا نیکروم) با قطر برابر ولی طول‌های متفاوت را در مدار قرار دهید و با استفاده از تعریف مقاومت، مقاومت هر کدام از سیم‌ها را با استفاده از عددی که آمپرسنج و ولت‌سنج نشان می‌دهند محاسبه و نتایج خود را در جدولی ثبت کنید. به نظر شما چه رابطه‌ای بین مقاومت سیم‌ها و طول آنها وجود دارد؟

پاسخ: نتایج محاسبات نشان می‌دهد هرچه طول سیم بیشتر شود، مقدار مقاومت آن نیز افزایش پیدا می‌کند. بنابراین بین مقاومت سیم و طول آن یک رابطه مستقیم برقرار است.

۲- آزمایش را با سیم‌هایی از جنس یکسان با طول برابر، ولی قطرهای متفاوت انجام دهید و نتایج خود را در جدولی ثبت کنید. به نظر شما چه رابطه‌ای بین مقاومت سیم‌ها و سطح مقطع آنها وجود دارد؟

پاسخ: بررسی داده‌ها نشان می‌دهد سیم‌هایی که سطح مقطع کمتری دارند، مقاومت بیشتری از خود نشان می‌دهند. در نتیجه، مقاومت سیم با سطح مقطع آن رابطه معکوس دارد.

۳- آزمایش را با دو قطعه سیم هم‌طول و با قطر یکسان انجام دهید که این بار جنس یکی از آنها کنستانتان و دیگری نیکروم است و نتایج خود را یادداشت کنید. از این فعالیت چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

پاسخ: با مقایسه مقاومت این دو سیم مشخص می‌شود که حتی در صورت برابر بودن طول و قطر، جنس سیم تأثیر مستقیمی بر مقدار مقاومت دارد؛ بنابراین مقاومت رسانا (در دمای ثابت) به طول، سطح مقطع و نوع ماده سازنده آن وابسته است.

 

جواب تمرین صفحه 58 فیزیک یازدهم ریاضی

مقدار مقاومت نشان داده شده در شکل، و مقدار مجاز انحراف از مقدار دقیق مقاومت، بر حسب اُهم چقدر است؟

پاسخ:

با 10 درصد تلورانس ، 4700 اهم

جواب فعالیت صفحه 59 فیزیک یازدهم ریاضی

ترمیستورها به دو نوع NTC و PTC تقسیم بندی می‌شوند. در مورد ساختار و کارکرد آنها تحقیق کرده و به کلاس گزارش دهید.

پاسخ:

ترمیستورهای نوع NTC از مواد نیمه‌رسانای خالص مانند سیلیسیم یا ژرمانیم ساخته می‌شوند. ویژگی اصلی آن‌ها این است که با بالا رفتن دما، مقدار مقاومت الکتریکی‌شان کاهش پیدا می‌کند. به دلیل این رفتار، این ترمیستورها در وسایلی به کار می‌روند که دقت بالایی در تشخیص تغییرات دما لازم دارند؛ مانند سامانه‌های تنظیم دما و مدارهای حفاظتی.

در مقابل، ترمیستورهای نوع PTC از سیلیسیم ناخالص تولید می‌شوند؛ به این معنا که با افزودن مقدار مشخصی ناخالصی، خاصیت هدایت الکتریکی در آن‌ها ایجاد شده است. در این نوع ترمیستور، افزایش دما باعث زیاد شدن مقاومت می‌شود. از این ویژگی معمولاً برای محافظت مدارها در برابر جریان بیش از حد استفاده می‌شود، مانند مدارهای مربوط به منبع تغذیه.

جواب پرسش صفحه 61 فیزیک یازدهم ریاضی

در کدام شکل با بستن کلید، LED روشن می‌شود؟ 

پاسخ:

مدار سمت راست به این دلیل کار می‌کند که جهت جریان در دیود و جهت جریان تولید شده توسط منبع یکسان هستند. این تطابق باعث می‌شود دیود اجازه دهد جریان از آن عبور کند و مدار به درستی عمل نماید.

جواب فعالیت صفحه 62 فیزیک یازدهم ریاضی

به کمک یک باتری، سیم‌های رابط، لامپ کوچک، ولت سنج و کلید، مداری همانند شکل روبه رو درست کنید. قبل از بستن کلید عددی را که ولت سنج نشان می‌دهد بخوانید. سپس کلید را ببندید و دوباره عددی را که ولت سنج نشان می‌دهد بخوانید. در کدام حالت ولت سنج عدد بزرگ‌تری را نشان می‌دهد؟ چرا؟
در ادامه با علت تفاوت این دو عدد آشنا خواهید شد.

پاسخ:

قبل از وصل کردن کلید، ولت‌سنج همان ولتاژ اصلی باتری را نشان می‌دهد.  اما زمانی که کلید بسته می‌شود و جریان در مدار برقرار می‌گردد، مقدار نشان داده شده توسط ولت‌سنج کاهش می‌یابد. این کاهش ولتاژ ناشی از تلفات انرژی درون خود باتری است که هنگام عبور جریان رخ می‌دهد.

جواب فعالیت 5-2 صفحه 62 فیزیک یازدهم ریاضی

میدان الکتریکی درون باتری از پایانه مثبت به سمت پایانه منفی است. توضیح دهید چرا وقتی از پایانه مثبت باتری به سمت پایانه منفی آن می‌رویم، پتانسیل کاهش می‌یابد و بالعکس.

پاسخ:

پتانسیل الکتریکی در جهت میدان کاهش می‌یابد و در جهت مخالف میدان افزایش پیدا می‌کند. به عبارت دیگر، حرکت هم‌جهت با میدان باعث افت پتانسیل و حرکت در خلاف جهت میدان باعث افزایش پتانسیل می‌شود.

جواب تمرین صفحه 65 فیزیک یازدهم ریاضی

مثال بالا را با حرکت در خلاف جهت جریان نشان داده شده، حل و نتیجه را با پاسخ مثال مقایسه کنید.

پاسخ:

الف) اگر مسیر مدار را در جهت مخالف جریان رسم شده طی کنیم،

ب)  اگر از نقطه b در خلاف­ جهت جریان I به سمت نقطه a حرکت نماییم،

در هر دو حالت، مقدار جریان مدار و اختلاف پتانسیل دو سر باتری یکسان به دست می‌آید. این نشان می‌دهد که جهت انتخاب شده برای پیمایش مدار بر نتیجه نهایی تأثیری ندارد.

جواب فعالیت صفحه 66 فیزیک یازدهم ریاضی

تفاوت یک باتری نو و فرسوده عمدتاً در مقدار مقاومت داخلی آن است که می‌تواند کمتر از یک اُهم برای باتری نو تا چند هزار اُهم برای باتری فرسوده باشد. برای اندازه گیری مقاومت داخلی یک باتری مدار ساده‌ای متشکل از یک باتری، یک کلید قطع و وصل، و یک مقاومت یا لامپ کوچک را سوار کنید. نخست درحالی که کلید قطع است، ولتاژ دو سر باتری را با یک ولت سنج اندازه بگیرید و آن گاه پس از بستن کلید، دوباره ولتاژ دو سر باتری را اندازه بگیرید. همچنین در این حالت، جریان عبوری از مدار را نیز باید به کمک یک آمپرسنج اندازه بگیرید. اکنون با استفاده از رابطه ۲-۷ مقاومت داخلی باتری را محاسبه کنید (البته در یک اندازه گیری دقیق‌تر معمولاً از یک مقاومت متغیر استفاده می‌شود و مقاومت داخلی پس از چندین اندازه گیری محاسبه می‌شود). آزمایش را یک بار برای باتری نو و یک بار برای باتری فرسوده انجام دهید.

پاسخ:

هر چه باتری بیشتر استفاده شود و فرسوده‌تر شود، مقاومت داخل آن بیشتر می‌شود. بنابراین باتری نو همیشه مقاومت داخلی کمتری نسبت به باتری فرسوده دارد.

جواب فعالیت صفحه 68 فیزیک یازدهم ریاضی

قانون ژول بیان می‌دارد گرمای تولید شده توسط جریان Iی عبوری از یک مقاومت R در مدت زمان t برابر با RI²T  است. این قانون را می‌توان به روش گرماسنجی با یک گرماسنج که در فیزیک دهم با آن آشنا شدید تحقیق کرد. اسباب این آزمایش در شکل نشان داده شده است. درباره چگونگی این آزمایش تحقیق کنید.

پاسخ:

ابتدا مقاومت رسانا را با استفاده از اهم‌سنج اندازه‌گیری می‌کنیم. سپس آن را درون آب قرار داده و جریان عبوری را با آمپر‌سنج می‌سنجیم. انرژی مصرفی در مدت زمان مشخص از فرمول U = RI²t محاسبه می‌شود. همزمان با اندازه‌گیری دمای آب و استفاده از رابطه Q = mcΔθ، مقدار گرمای تولید شده را به دست می‌آوریم. مشاهده می‌شود که این دو مقدار تقریباً با هم برابر هستند.

جواب فعالیت 8-2 صفحه 68 فیزیک یازدهم ریاضی

همانند شکل با یک اهم متر، مقاومت رشته سیم داخل لامپ ۱۰۰واتی را اندازه گیری کنید. سپس با استفاده از رابطه ۲-۱۰ و با داشتن مشخصات روی لامپ، مقاومت آن را در حالت روشن محاسبه کنید. نتیجه محاسبه را با مقدار اندازه گیری شده مقایسه کنید و نتیجه را پس از گفت‌وگوی گروهی گزارش دهید.

پاسخ الف:

مقاومت لامپ در حالت روشن بیشتر از مقاومت آن در حالت خاموش است. رابطه P = V²/R برای محاسبه مقاومت لامپ در حالت سرد (خاموش) کاربرد دارد که همان مقاومت اسمی است. وقتی لامپ روشن می‌شود و دمای آن افزایش می‌یابد، مقاومت آن نیز بیشتر می‌شود و دیگر از این رابطه پیروی نمی‌کند.

پاسخ ب:

جواب پرسش صفحه 68 فیزیک یازدهم ریاضی

اگر لامپ‌های رشته‌ای (التهابی) را با لامپ‌های LED جایگزین کنیم، درخواهیم یافت که در مصرف انرژی تفاوت چشمگیری حاصل می‌شود. مثلاً درحالی که لامپ هالوژن یک کلاه ایمنی چند باتری را در ۳ ساعت مصرف می‌کند، نوع LED همان لامپ، آن باتری‌ها را در ۳۰ ساعت به مصرف می‌رساند. دلیل این اختلاف را بیان کنید.

پاسخ:

در لامپ‌های معمولی رشته‌ای، انرژی برق ابتدا در رشته‌ی داخلی به گرما تبدیل می‌شود و سپس بخشی از این گرما به نور تبدیل می‌گردد. اما در لامپ‌های LED، انرژی الکتریکی مستقیماً و بدون واسطه به نور تبدیل می‌شود. به همین دلیل، لامپ‌های LED انرژی کمتری مصرف می‌کنند و بازده بالاتری دارند.

جواب تمرین صفحه 70 فیزیک یازدهم ریاضی

با توجه به قانون ژول (فعالیت ۲-۷) و تعریف نیروی محرکه الکتریکی، برای یک حلقه ساده، شامل یک باتری و یک مقاومت نشان دهید که قاعده حلقه یا قانون ولتاژها چیزی جز پایستگی انرژی نیست.

پاسخ:

نتیجه: کار انجام شده در انتقال بار توسط منبع نیروی محرکه ی الکتریکی برابر با انرژی گرمایی تولید شده در مقاومت است.

جواب تمرین صفحه 71 فیزیک یازدهم ریاضی

در شکل زیر، سه مقاومت به همراه یک آمپرسنج به صورت متوالی به یک باتری وصل شده‌اند و مقاومت آمپرسنج صفر است (آمپرسنج آرمانی). اگر مقاومت معادل مقاومت‌های R1, R2 و R3 برابر با 13/0 Ω باشد:

الف) مقاومت R3 چقدر است؟

پاسخ:

ب) جریانی را که آمپر سنج نشان می دهد به دست آورید.

پاسخ:

پ) نشان دهید توان خروجی باتری با مجموع توان های مصرفی مقاومت های R1, R2  و R3 در مدار برابر است.

پاسخ:

جواب پرسش صفحه 72 فیزیک یازدهم ریاضی

برای نقطه انشعاب نشان داده شده در شکل، رابطه بین جریان‌ها را بنویسید.

پاسخ:

جواب فعالیت صفحه 73 فیزیک یازدهم ریاضی

مداری مانند مدار مثال ۲-۱۲ ببندید و در هر شاخه آن، یک آمپرسنج قرار دهید. با خواندن آمپرسنج ‌ها، رابطه بین جریان‌ها را بررسی کنید.

پاسخ:

جواب تمرین صفحه 74 فیزیک یازدهم ریاضی

در شکل رو به رو سه مقاومت موازی به همراه یک آمپرسنج آرمانی به دو سر یک باتری وصل شده‌اند. اگر مقاومت معادل این ترکیب 1/6 Ω باشد،

الف) مقاومت R3 چقدر است؟

پاسخ:

ب) جریانی که آمپر سنج نشان می دهد را به دست آورید.

پاسخ:

پ) نشان دهید توان خروجی باتری با مجموع توان های مصرفی مقاومت های R1, R2  و R3 برابر است.

پاسخ:

جواب تمرین صفحه 76 فیزیک یازدهم ریاضی

شکل زیر پنج مقاومت 8/00 اهمی را نشان می دهد.

الف) مقاومت معادل بین نقطه های F و H چقدر است؟

پاسخ:

ب)مقاومت معادل بین نقطه های F و G چقدر است؟

پاسخ: در این تمرین برای به‌دست‌آوردن مقاومت بین نقاط F و G، باید مقاومت‌ها را به‌صورت موازی در نظر بگیریم و مراحل را گام‌به‌گام انجام دهیم: