جواب تمرینات آخر فصل ۳ فیزیک یازدهم تجربی - همیار آموزش

پرسش‌ها و مسئله‌های فصل ۲ صفحه ۱۰۱ ، ۱۰۲ ، ۱۰۳ ، ۱۰۴ فیزیک تجربی

/ گام به گام فصل ۳ فیزیک یازدهم تجربی /  پرسش‌ها و مسئله‌های فصل ۳

جواب صفحه ۱۰۱ فیزیک یازدهم تجربی

۱-۳ و ۲-۲ مغناطیس و قطب‌های مغناطیسی و میدان مغناطیسی
۱- با توجه به جهت گیری عقربه‌های مغناطیسی در شکل زیر، قطب‌های آهنربای میله‌ای و جهت خط‌های میدان مغناطیسی را تعیین کنید.
جواب: می دانیم عقربه مغناطیسی در جهت خطوط میدان مغناطیسی جهتگیری می کند و خطوط میدان مغناطیسی از قطب N به سمت قطب S می باشد. بنابراین:

۲- شکل زیر، خط‌های میدان مغناطیسی را در نزدیکی دو آهنربای میله‌ای نشان می‌دهد

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.
 روش اول: آهنربا را توسط نخی آویزان می کنیم و با توجه به جهت گیری آهنربای میله نسبت به زمین، می توان قطب های آهنربا را مشخص کرد.
روش دوم: استفاده از یک آهنربای دیگر و یا استفاده از عقربه مغناطیسی
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.
جواب: میدان مغناطیسی در اطراف آهنربای ۲ قوی‍‌تر است، زیرا خطوط میدان مغناطیسی در اطراف آن متراکم تر هستند.

۳- 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؟
جواب: در اثر پدیده‌ی القای مغناطیسی نوک ثابت آهنی، آهنربا می‌شود.
ب) ساختن نوک ثابت آهن چه مزیتی دارد؟
جواب: با دور یا نزدیک کردن آهنربای دائم متحرک به نوک ثابت آهنی، می‌توان قدرت آهنربایی نوک ثابت آهنی را تغییر داد.
پ) این وسیله را باید به درون گلوی کودک وارد و به سوی فلز بلعیده شده هدایت کرد؛ چرا غلاف باید انعطاف پذیر باشد؟
جواب: به خاطر اینکه جداره گلو دارای برآمدگی و فرورفتگی است؛ بنابراین غلاف باید انعطاف پذیر باشد تا به جداره گلو آسیب نرساند.
ت) پزشک می‌خواهد یک گیره آهنی کاغذ و یک واشر آلومینیومی را از گلوی کودک بیرون بیاورد؛ کدام یک را می‌توان بیرون آورد؟ چرا؟
جواب: گیره ی آهنی، زیرا جز مواد فرو مغناطیسی نرم است و به راحتی جذب آهنربا می شود.

۳-۳ نیروی مغناطیسی وارد بر ذره باردار متحرک در میدان مغناطیسی
۴- چهار ذرّه هنگام عبور از میدان مغناطیسی درون سو مسیرهایی مطابق شکل زیر می‌پیمایند. درباره نوع بار هر ذره چه می‌توان گفت؟

جواب کوتاه:
با توجه به قانون دست راست نوع بار ذره ۱ مثبت ،نوع بار ذره ۲ منفی ، چون ذره ۳ انحرافی ندارد خنثی است و نوع بار ذره ۴ منفی است.
جواب با توضیحات:
در مسیر ذره‌ی ۱: جهت حرکت ذره به سمت راست، میدان درون‌سو و نیروی وارد بر ذره به سمت بالا است. چون قاعده‌ی دست راست در این حالت برقرار است، بار ذره مثبت است.
در مسیر ذره‌ی ۲: جهت حرکت ذره به سمت پایین، میدان درون‌سو و نیروی وارد بر ذره به سمت چپ است. چون طبق قاعده‌ی دست راست نیرو باید به سمت راست باشد، پس بار این ذرّه منفی است.
در مسیر ذره‌ی ۳: چون ذره‌ی ۳ در میدان مغناطیسی منحرف نشده است بدون بار است.
در مسیر ذره‌ی ۴: جهت حرکت رو به بالا، میدان درون‌سو و نیروی وارد بر ذره به سمت راست است. چون طبق قاعده‌ی دست راست نیرو باید به سمت چپ باشد، پس بار ذره منفی است.

۵- جهت نیروی مغناطیسی وارد بر بار مثبت را در هریک از حالت‌های نشان داده در شکل زیر تعیین کنید.

۶- حلقه رسانای مستطیل شکلی که حامل جریان I است، مطابق شکل درون میدان مغناطیسی یکنواخت می‌چرخد. جهت جریان را در حلقه تعیین کنید.
جواب در تصویر : 

۷ – پروتونی با تندی ۱۰^۶m/s × ۴/۴ درون میدان مغناطیسی یکنواختی به اندازه ۱۸mT در حرکت است. جهت حرکت پروتون با جهت، زاویه ^∘۶۰ می‌سازد.
الف) اندازه نیروی وارد بر این پروتون را محاسبه کنید. ب) اگر تنها این نیرو بر پروتون وارد شود، شتاب پروتون را حساب کنید. (بار الکتریکی پروتونC ۱/۶×۱۰^−۱۹ و جرم آن را m/s ۱/۷×۱۰^−۲۷ در نظر بگیرید). 

۸- ذره باردار مثبتی با جرم ناچیز و با سرعت ^→v در امتداد محور x وارد فضایی می‌شود که میدان‌های یکنواخت و وجود دارد (شکل زیر). اندازه این میدان‌ها برابر E=۴۵۰ و B=۰/۱۸T است. تندی ذره چقدر باشد تا در همان امتداد محور x به حرکت خود ادامه دهد؟
پاسخ به روش اول: برای اینکه ذره ٔ باردار در همان امتداد محور x به حرکت خود ادامه دهد، مطابق شکل باید FB = FE. در این صورت داریم

پاسخ به روش دوم:
با توجه به شکل جهت نیروهای وارد بر ذره را مشخص میکنیم. برای اینکه ذره بدون انحراف در امتداد محور خارج شود، باید F_B = F_E شود. بنابراین:

۴-۳ نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان
۹- 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 استفاده از قاعده دست راست، جهت نیرو
الف) به سمت داخل صفحه (درون سو) است.
ب) به سمت بالا
پ) به سمت بالا.

۱۰- یک سیم حامل جریان ۱/۶ 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 ۰/۰۵mT بگیرید. پاسخ:
الف) اندازه نیروی مغناطیسی وارد بر هر متر این سیم را پیدا کنید. پاسخ:

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 (g=۹/۸N/kg). پاسخ:

عبور چنین جریان بزرگی از این سیم در عمل امکان پذیر نیست ، بنابراین ، نمیتوان انتظار داشت نیروسنج ها عدد صفر را نشان دهند.

۵-۳ میدان مغناطیسی حاصل از جریان الکتریکی
۱۱- یک آهنربای میله‌ای مطابق شکل زیر، بالای سیملوله‌ای آویزان شده است. توضیح دهید با بستن کلید K چه تغییری در وضعیت آهنربا رخ می‌دهد.

با بستن کلید و برقراری جریان، میدان مغناطیسی روبه پایینی درون سیملوله ایجاد می‌شود. این میدان به گونه‌ای است که بخش بالایی سیلملوله قطب S و بخش پایینی قطب N را دارد. جاذبه‌ی بین قطب‌های ناهمنام سیم‌لوله و آهنربا باعث جذب شدن قطب N آهنربا به سمت سیملوله می‌شود. بنابراین آهنربا به سمت چپ و پایین کشیده می‌شود.

جواب صفحه ۱۰۲ فیزیک یازدهم تجربی

۱۲- 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.

برای اینکه میدان مغناطیسی برایند در نقطه‌ی A صفر شود، باید میدان مغناطیسی سیم‌های ۱ و ۲ در نقطه‌ی A در خلاف جهت هم باشند. میدان سیم ۱ در نقطه‌ی A درون‌سو است، پس باید میدان سیم ۲ در نقطه‌ی A برون‌سو باشد. بنابراین جریان سیم ۲ از راست به چپ (در خلاف جهت جریان سیم ۱) است.

۱۳- سیملوله‌ای شامل ۲۵۰ حلقه است که دور یک لوله پلاستیکی توخالی به طول ۰/۱۴۰/۱۴ متر پیچیده شده است. اگر جریان گذرنده از سیملوله ۰/۸A۰/۸ باشد، اندازه میدان مغناطیسی درون سیملوله را حساب کنید.
پاسخ به روش اول:

پاسخ به روش دوم:

۱۴- در شکل زیر دو سیملوله P و Q هم محورند و طول برابر رند. تعداد دور سیملوله P برابر ۲۰۰ و تعداد دور سیملوله Q برابر ۳۰۰ است. اگر جریان ۱A 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 نقطه ی M صفر شود، باید میدان ناشی از سیملوله ها با هم برابر و در خلف جهت یکدیگر باشد. بنابراین:

پاسخ به روش دوم:

۶-۳ ویژگی های مغناطیسی مواد
۱۵- 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 : فرومغناطیسی نرم، زیرا با حذف میدان خارجی، حوزه‌های مغناطیسی ناهمسو شده و حالت اولیه‌ی خود را حفظ نمی‌کنند.

۱۶-  با توجه به آنچه در بخش ویژگی‌های مغناطیسی مواد دیدید، نقشه مفهومی زیر را کامل کنید.
برای بزرگنمایی روی تصویر زیر کلیک کنید.

۸-۳ قانون القای الکترومغناطیسی فاراده
۱۷- 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.)جواب: در شکل الف و ب با ورود آهن ربا به پیچه نیرو محرکه و جریانی در آن القا شده است. با این تفاوت که در شکل ب که تعداد دور های پیچه بیشتر از شکل الف است نیرو محرکه و جریان بزرگتری القا میشود.

جواب صفحه ۱۰۳ فیزیک یازدهم تجربی

۱۸- 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.) جواب: در شکل ب سرعت حرکت آهن ربا و در نتیجه آهنگ تغییر شار بیشتر از شکل الف است ؛ بنابر این نیرو محرکه القایی بیشتر است.

۱۹- 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 ولت سنج می‌شود؟
جواب: با چرخش میله، آهنربای متصل به آن نیز می چرخد و سبب تغییر شار مغناطیسی در فضای اطراف خود می شود. این امر سبب القای جریانی در سیم پیچ می شود.

ب) آیا با افزایش تندی باد، عددی که ولت سنج نشان می‌دهد تغییر می‌کند؟ چرا؟
جواب: با افزایش سرعت، آهنگ تغییر شار مغناطیسی نیز افزایش می یابد و در نتیجه جریان بزرگتری در سیم پیچ القا می شود.

پ) برای بهبود و افزایش دقت کار دستگاه دو پیشنهاد ارائه دهید.
جواب:  استفاده از سیم پیچی با تعداد دور بیشتر و آهنربای قوی تر با روغن کاری دستگاه و کاهش اصطکاک همچنین استفاده از ولت سنج دقیق تر می تواند سبب بهبود و افزایش دقت دستگاه شود.

۲۰- سطح حلقه‌های پیچه‌ای که دارای ۱۰۰۰ حلقه است، عمود بر میدان مغناطیسی یکنواختی که اندازه ۰/۰۴۰T و جهت آن از راست به چپ است، قرار دارد. میدان مغناطیسی در مدت ۰/۰۱۰sتغییر می‌کند و به ۰/۰۴۰T در خلاف جهت اولیه می‌رسد. اگر سطح هر حلقه پیچه ۵۰cm^۲باشد، اندازه نیروی محرکه القایی متوسط در پیچه را حساب کنید.

جواب به روش اول:

جواب به روش دوم:

۳-۴ قانون لنز

۲۱- قطب N یک آهنربا را مطابق شکل روبه رو به یک حلقه رسانا نزدیک می‌کنیم. جهت جریان القایی را در حلقه مشخص کنید.
جواب: طبق قانون لنز حلقه باید با نزدیک شدن آهنربا مخالفت کند، بنابراین مطابق شکل باید حلقه به آهنربایی با قطب های N و S تبدیل شود. در نتیجه جهت جریان القایی در حلقه باید ساعتگرد باشد

۲۲- 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.)
جواب: آهنربا سمت چپ کم تر فرو می رود. زیرا هنگام دور شدن آهنربای سمت چپ از درون حلقه، طبق قانون لنز حلقه با دور شدن آهنربا مخالفت خواهد کرد و قسمت پایین آهنربا مطابق شکل به قطب N تبدیل می شود که این عمل باعث کم شدن سرعت آهنربا خواهد شد.

۲۳- جهت جریان القایی را در هریک از حلقه‌های رسانای نشان داده شده در شکل‌های زیر تعیین کنید.

جواب کوتاه: الف) ساعتگرد، ب) پاد ساعتگرد، پ) جریانی القا نمی‌شود.

جواب با توضیحات:
الف) شار مغناطیسی سیم بلند در درون حلقه برون سو و درحال افزایش است طبق قانون لنز، شار مغناطیسی حلقه باید با افزایش شار مخالفت کند با توجه به قاعده دست راست جهت جریان القایی ،ساعتگرد را بوجود می آورد.

ب) شار مغناطیسی سیم بلند در درون حلقه برون سو و در حال کاهش است طبق قانون لنز، شار مغناطیسی حلقه باید با کاهش شار مخالفت کند با توجه به قاعده دست راست جهت جریان القایی ،یاد ساعتگرد را بوجود می آورد.

پ) چون جریان ثابت است شار مغناطیسی سیم بلند در درون حلقه ثابت بوده و جریان القایی صفر می شود.

جواب صفحه ۱۰۴ فیزیک یازدهم تجربی

۲۴- 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. جواب: مطابق شکل با استفاده از قاعده دست راست، جهت قطب های سیملوله را مشخص می کنیم. حال با توجه به دور شدن سیملوله، طبق قانون لنز حلقه باید با دور شدن سیملوله مخالفت کند. بنابراین سمت راست حلقه به قطب N و سمت چپ آن به قطب S تبدیل می شود. در نتیجه جهت جریان القایی درون حلقه باید پادساعتگرد باشد

۲۵- 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. جواب: در حلقه سمت چپ، چون به موازات سیم دراز حامل جریان ثابت I حرکت می کند، جریانی القا نمی شود. شار عبوری از حلقه در هر لحظه از زمان ثابت است و تغییری نمی کند. در حلقه سمت راست، جریان درجه ساعتگرد القا می شود تا کاهش شار عبوری از آن جبران شود.

۲۶- 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؟
با حرکت میله ی CD به سمت راست، مساحت حلقه افزایش یافته و در نتیجه شار گذرنده از حلقه نیز افزایش می یابد. در این حالت طبق قانون لنز جهت میدان مغناطیسی ناشی از حلقه باید برون سو باشد تا با افزایش شار مغناطیسی مخالفت کند. بنابراین جهت جریان القایی پادساعتگرد خواهد بود

۲۷- 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.
با بستن کلید شار مغناطیسی افزایش می یابد میدان سیم لوله ها خلاف جهت هم می شود. در نتیجه جریان در مقاومت R از b به a می باشد

ب) در لحظه باز کردن کلید K.
با باز کردن کلید شار مغناطیسی کاهش می یابد میدان سیم لوله ها هم c جهت هم می شود. در نتیجه جریان در مقاومت  R از a به b  می‌باشد

۲۸- حلقه رسانای مربعی شکل، به طول ضلع ۱۰cm وارد میدان مغناطیسی درون سویی به اندازه ۲۰mT 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؟
در حالت دوم – زیرا تمام حلقه درون میدان مغناطیسی قرار دارد:

ب) در کدام وضعیت (ها) شار گذرنده از حلقه تغییر می‌کند؟ جهت جریان القایی را در حلقه تعیین کنید.
درشکل ۱و ۳ هنگام ورود و خروج قاب به میدان مغناطیسی شار مغناطیسی تغییر می کند. طبق قاعده دست راست و قانون لنز جهت جریان القابی در شکل ۱ پادساعتگرد و در شکل ۳ ساعتگرد است.

۲۹- 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.

جواب کوتاه:
در حالت ۱: روبه بالا (پادساعتگرد)
در حالت ۲: جریانی القا نمی‌شود.
در حالت ۳: رو به پایین (ساعتگرد)

جواب با توضیحات:
در حالت (۱) حلقه در حال نزدیک شدن به آهن ربای میله ای بوده و شار عبوری از حلقه در حال افزایش است. در این حالت جهت جریان القایی درون حلقه باید به سمتی باشد که با افزایش شار مغناطیسی مخالفت کند. بنابراین مطابق شکل جهت جریان القایی درون حلقه به سمت بالا خواهد شد.
در حالت (۲) کل حلقه درون میدان قرار دارد و با تغییر مکان حلقه، ار مغناطیسی گذرنده از حلقه تغییری نمی کند و ثابت می ماند. بنابراین در این حالت جریانی درون حلقه القا نمی شود
در حالت (۳) حلقه در حال دور شدن به آهنربای میله ای بوده و شار عبوری از حلقه در حال کاهش است. در این حالت جهت جریان القایی درون حلقه باید به سمتی باشد که با کاهش شار مغناطیسی مخالفت کند. بنابراین مطابق شکل جهت I جریان القایی درون حلقه به سمت پایین خواهد شد.

۴-۴ القاگرها
۳۰- 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؟   

جواب: ۱- حرکت لغزنده رئوستا به سمت راست که باعث کاهش مقاومت و افزایش جریان الکتریکی مداری می شود.
۲- افزایش تعداد حلقه های القاگر

۵-۴ جریان متناوب

۳۱- جریان متناوبی که بیشینه آن ۲/۰Aو دوره آن ۰/۰۲۰sاست، 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=۱۴۰۰s، جریان چقدر است؟
جواب تمرین:

جواب تمرین به روشی دیگر: