جواب تمرین های آخر فصل ۳ فیزیک یازدهم ریاضی - همیار آموزش

 جواب صفحه ۱۰۴، ۱۰۵، ۱۰۶، ۱۰۷ و ۱۰۸ فیزیک یازدهم ریاضی

/ جواب فصل ۳ فیزیک یازدهم / پرسش‌ها و مسئله‌های فصل ۳

فرمول های فصل سوم فیزیک یازدهم ریاضی:

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) درباره میدان مغناطیسی در نقطه A چه می‌توان گفت؟
جواب: میدان مغناطیسی خالص در نقطه‌ی A صفر است.
ب) با رسم شکل نشان دهید عقربه قطب نما در نقطه‌های B و C به ترتیب در کدام جهت قرار می‌گیرد؟

پ) اگر مانند شکل زیر یکی از آهنرباها را بچرخانیم تا جای قطب‌های آن عوض شود، خط‌های میدان مغناطیسی را در ناحیه نقطه چین رسم کنید.

۳- 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.

۴- 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
۵- 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.

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

۷- نیروی مغناطیسی $$ → \atop F $$ وارد بر الکترونی که در میدان مغناطیسی $$ → \atop B $$ در حرکت است، در شکل زیر، نشان داده شده است. فرض کنید راستای حرکت الکترون بر میدان مغناطیسی عمود است؛ در هریک از حالت‌های نشان داده شده جهت سرعت الکترون را تعیین کنید.

۸- 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 : 

۹- پروتونی با تندی ۱۰^۶m/s × ۴/۴ درون میدان مغناطیسی یکنواختی به اندازه ۱۸mT در حرکت است. جهت حرکت پروتون با جهت $$ → \atop B $$ ، 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). 

۱۰- الکترونی با تندی ۲/۴×۱۰^۵m/s درون میدان مغناطیسی یکنواختی در حرکت است. اندازه نیرویی که از طرف میدان مغناطیسی بر این الکترون وارد می‌شود، هنگامی بیشینه است که الکترون به سمت جنوب حرکت کند.
الف) اگر جهت این نیروی بیشینه، رو به بالا و اندازه آن برابر N ۶/۸×۱۰^−۱۴ باشد، اندازه و جهت میدان مغناطیسی را تعیین کنید.
ب) اندازه میدان الکتریکی چقدر باشد تا همین نیرو را ایجاد کند؟

جواب به روش اول :
جواب بخش الف) چون بار الکترون منفی است برای تعیین جهت میدان از قاعده‌ی دست چپ می‌توان استفاده کرد: شست دست چپ طوری در جهت نیرو قرار گیرد که چهار انگشت در جهت حرکت باشد، در این صورت باید میدان از کف دست خارج شود، بنابراین جهت میدان به سمت غرب است. جواب بخش ب)

جواب به روش دوم:

۱۱- ذره باردار مثبتی با جرم ناچیز و با سرعت ^→v در امتداد محور x وارد فضایی می‌شود که میدان‌های یکنواخت $$ → \atop E $$ و $$ → \atop B $$ 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
۱۲- 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.

۱۳- یک میله رسانا به پایانه‌های یک باتری وصل شده و مطابق شکل در فضای بین قطب‌های یک آهنربای C شکل آویزان شده است و می‌تواند آزادانه نوسان کند. با بستن کلید k، چه اتفاقی برای میله رسانا رخ می‌دهد؟ توضیح دهید.
پاسخ: با بستن کلید، با توجه به قطب‌های باتری جریان ساعتگرد در مدار برقرار می‌شود. بنابراین به میله حامل جریان در میدان مغناطیسی آهنربا، طبق قاعده‌ی دست راست، نیرویی به سمت خارج از آهنربا وارد و آن را به سمت بیرون منحرف می‌کند.

۱۴- سیم رسانای CD به طول ۲m مطابق شکل زیر عمود بر میدان مغناطیسی درون سو با اندازه ۰/۵T قرار گرفته است؛ اگر اندازه نیروی مغناطیسی وارد بر سیم برابر ۱N باشد، جهت و مقدار جریان عبوری از سیم را تعیین کنید.
پاسخ: اگر شست دست راست طوری در جهت نیرو قرار دهیم که میدان از کف دست خارج شود، چهار انگشت جهت جریان را نشان می‌دهد؛ بنابراین جهت جریان از D به C است.

۱۵- 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:

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
۱۶- 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 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.

۱۷- کدام باتری را در مدار شکل زیر قرار دهیم تا پس از بستن کلید K، عقربه قطب نما که روی سیم قرار دارد، در خلاف جهت حرکت عقربه‌های ساعت شروع به چرخش کند؟ دلیل انتخاب خود را توضیح دهید.
پاسخ: عقربه‌ی قطب‌نما همواره در جهت میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد. برای اینکه عقربه به طرف چپ بچرخد، باید میدان مغناطیسی بر روی سیم به طرف چپ باشد. برای ایجاد چنین میدانی (طبق قاعده‌ی دست راست) جریان سیم باید رو به پایین باشد. این جریان توسط باتری A ایجاد می‌شود.

۱۸- کدام باتری را در مدار شکل زیر قرار دهیم تا آهنربای میله‌ای آویزان شده به طرف سیملوله جذب شود؟ دلیل انتخاب خود را توضیح دهید.
پاسخ: باتری A زیرا با قرار دادن باتری A در مدار، میدان مغناطیسی از راست به چپ درون سیملوله ایجاد می‌شود، بنابراین سمت راست سیملوله قطب S و و سمت چپ قطب N دارد. جاذبه‌ی بین قطب‌های ناهمنام سبب جذب آهنربا به طرف سیملوله خواهد شد.

۱۹- 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 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.

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

۲۱- 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
۲۲- 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.

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