|
تمرین - ۱۲ آخر فصل سوم فیزیک یازدهم -
جهت نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان را در هر یک از شکلهای الف، ب و پ و با استفاده از قاعدهٔ دست راست بیابید.
پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین ۱۲ آخر فصل سوم فیزیک یازدهم
سلام! برای پیدا کردن جهت نیروی مغناطیسی ($$\vec{F}$$) وارد بر سیم حامل جریان، از **قاعده دست راست** استفاده میکنیم.
**یادآوری قاعده دست راست برای سیم:**
1. **چهار انگشت کشیده** دست راست را در جهت **جریان (I)** قرار دهید.
2. دست خود را طوری بچرخانید که **کف دست** شما رو به جهت **میدان مغناطیسی ($$\vec{B}$$)** باشد (خطوط میدان از کف دستتان خارج شوند).
3. **انگشت شست** شما، جهت **نیروی مغناطیسی ($$\vec{F}$$)** را نشان خواهد داد.
**تحلیل حالتها:**
* **شکل الف:**
* جهت جریان (I): رو به **بالا**.
* جهت میدان ($$\vec{B}$$): از قطب N به S، یعنی به سمت **چپ**.
* *اجرای قاعده:* چهار انگشت به سمت بالا، کف دست به سمت چپ. انگشت شست به سمت **داخل صفحه (درونسو ⊗)** اشاره میکند.
* **شکل ب:**
* جهت جریان (I): **درونسو (⊗)** (عمود بر صفحه و به سمت داخل).
* جهت میدان ($$\vec{B}$$): از قطب N به S، یعنی به سمت **چپ**.
* *اجرای قاعده:* چهار انگشت به سمت داخل صفحه، کف دست به سمت چپ. انگشت شست به سمت **پایین** اشاره میکند.
* **شکل پ:**
* جهت جریان (I): رو به **راست**.
* جهت میدان ($$\vec{B}$$): از قطب N (پایین) به قطب S (بالا)، یعنی رو به **بالا**.
* *اجرای قاعده:* چهار انگشت به سمت راست، کف دست به سمت بالا. انگشت شست به سمت **خارج از صفحه (برونسو ⊙)** اشاره میکند.
تمرین - ۱۳ آخر فصل سوم فیزیک یازدهم -
یک میلهٔ 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 میلهٔ رسانا رخ میدهد؟ توضیح دهید.
پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین ۱۳ آخر فصل سوم فیزیک یازدهم
سلام! این آزمایش یک نمایش کلاسیک از **اثر موتور** است، یعنی تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی.
**تحلیل گام به گام:**
1. **برقراری جریان الکتریکی:**
* با بستن کلید K، مدار کامل شده و جریان الکتریکی از پایانه مثبت باتری خارج میشود، از طریق سیمها و کلید عبور کرده و وارد میله رسانا میشود.
* جهت جریان در میله رسانا، از **سر جلویی به سر عقبی** آن است.
2. **وجود میدان مغناطیسی:**
* میله رسانا در فضای بین دو قطب آهنربا قرار دارد.
* میدان مغناطیسی ($$\vec{B}$$) همیشه از قطب شمال (N) به قطب جنوب (S) است. در این شکل، جهت میدان از **بالا به پایین** است.
3. **ایجاد نیروی مغناطیسی:**
* ما یک **سیم (میله) حامل جریان** داریم که در یک **میدان مغناطیسی** قرار گرفته است. طبق فیزیک مغناطیس، به این سیم نیرو وارد میشود.
* برای پیدا کردن جهت این نیرو، از **قاعده دست راست برای سیم حامل جریان** استفاده میکنیم.
**اجرای قاعده دست راست:**
1. **چهار انگشت** دست راست خود را در جهت **جریان (I)** قرار دهید (به سمت **عقب**، در امتداد میله).
2. دست خود را طوری بچرخانید که **کف دست** شما رو به جهت **میدان ($$\vec{B}$$)** باشد (یعنی کف دستتان رو به **پایین** باشد).
3. **انگشت شست** شما جهت **نیرو ($$\vec{F}$$)** را نشان میدهد. در این حالت، انگشت شست به سمت **خارج از آهنربا (به سمت راست در تصویر)** اشاره میکند.
**نتیجه نهایی:**
با بستن کلید، یک نیروی مغناطیسی به سمت **خارج از دهانه آهنربا** به میله وارد میشود. از آنجایی که میله آزادانه آویزان است، این نیرو باعث میشود که میله به سمت **بیرون** (در تصویر به سمت راست) **تاب بخورد و حرکت کند**.
تمرین - ۱۴ آخر فصل سوم فیزیک یازدهم -
سیم رسانای CD به طول ۲m مطابق شکل زیر عمود بر میدان مغناطیسی درونسو با اندازهٔ ۰/۵۲T قرار گرفته است؛ اگر اندازهٔ نیروی مغناطیسی وارد بر سیم برابر ۱N باشد، جهت و مقدار جریان عبوری از سیم را تعیین کنید.
پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین ۱۴ آخر فصل سوم فیزیک یازدهم
سلام! برای حل این سوال از فرمول نیروی مغناطیسی وارد بر سیم و قاعده دست راست استفاده میکنیم.
**۱. تعیین جهت جریان:**
* **قانون:** از **قاعده دست راست برای نیروی وارد بر سیم** استفاده میکنیم، اما به صورت معکوس.
* **دادههای جهتی:**
* جهت میدان ($$\vec{B}$$): **درونسو (⊗)**.
* جهت نیرو ($$\vec{F}$$): به سمت **پایین**.
* **اجرای قاعده:**
1. **انگشت شست** دست راست خود را در جهت نیرو، یعنی به سمت **پایین**، قرار دهید.
2. **کف دست** خود را در جهت میدان، یعنی به سمت **داخل صفحه**، بگیرید.
3. در این حالت، **چهار انگشت کشیده** شما، جهت جریان را نشان میدهند که به سمت **چپ** است.
* **نتیجه:** جهت جریان در سیم از نقطه **D به C** است.
**۲. تعیین مقدار جریان:**
* **فرمول اصلی:** نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان از رابطه زیر به دست میآید:
$$ F = ILB\sin\theta $$
* **شناسایی و تحلیل دادهها:**
* نیرو: $$ F = ۱ N $$
* طول سیم: $$ L = ۲ m $$
* اندازه میدان: $$ B = ۰/۵۲ T $$
* زاویه ($$\theta$$): سیم **عمود** بر میدان قرار دارد، پس $$ \theta = ۹۰^\circ $$ و $$ \sin(۹۰^\circ) = ۱ $$.
* **بازآرایی فرمول:** ما به دنبال مقدار جریان (I) هستیم.
$$ I = \frac{F}{LB\sin\theta} $$
* **محاسبه:**
$$ I = \frac{۱ N}{(۲ m) \times (۰/۵۲ T) \times (۱)} = \frac{۱}{۱/۰۴} \approx ۰/۹۶ A $$
**خلاصه نهایی:**
* **مقدار جریان** عبوری از سیم حدود **۰/۹۶ آمپر** است.
* **جهت جریان** از **D به C** (به سمت چپ) است.
تمرین - ۱۵ آخر فصل سوم فیزیک یازدهم -
یک سیم حامل جریان ۱/۶ آمپر که به دو انتهای آن بسته شدهاند، به طور افقی و در راستای شرق - غرب قرار دارد. میدان مغناطیسی زمین را یکنواخت، به طرف شمال و اندازهٔ ۰/۵۲mT بگیرید.
الف) اندازهٔ 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 ($$g=۹/۸ N/kg$$).
پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین ۱۵ آخر فصل سوم فیزیک یازدهم
سلام! این سوال ترکیبی از نیروی مغناطیسی و تعادل نیروها (مکانیک) است.
**الف) نیروی مغناطیسی وارد بر هر متر سیم:**
1. **دادهها:**
* جریان: $$ I = ۱/۶ A $$ (جهت: شرق به غرب)
* میدان مغناطیسی زمین: $$ B = ۰/۵۲ mT = ۰/۵۲ \times ۱۰^{-۳} T $$ (جهت: شمال)
* زاویه ($$\theta$$): جریان به سمت غرب و میدان به سمت شمال است. زاویه بین این دو جهت **۹۰ درجه** است.
2. **فرمول نیروی مغناطیسی:** $$ F = ILB\sin\theta $$. ما به دنبال **نیرو بر واحد طول** هستیم، پس: $$ \frac{F}{L} = IB\sin\theta $$
3. **محاسبه اندازه:**
$$ \frac{F}{L} = (۱/۶ A) \times (۰/۵۲ \times ۱۰^{-۳} T) \times \sin(۹۰^\circ) = ۰/۸۳۲ \times ۱۰^{-۳} N/m $$
4. **تعیین جهت نیرو:**
* از **قاعده دست راست** استفاده میکنیم:
* چهار انگشت (جریان) به سمت **غرب**.
* کف دست (میدان) به سمت **شمال**.
* انگشت شست (نیرو) به سمت **پایین** اشاره میکند.
**نتیجه الف: نیروی وارد بر هر متر سیم $$۰/۸۳۲ \times ۱۰^{-۳} N$$ و جهت آن رو به پایین است.**
**ب) صفر کردن عدد نیروسنج:**
نیروسنجها در حالت عادی وزن سیم را تحمل میکنند. برای اینکه عدد صفر را نشان دهند، باید یک **نیروی رو به بالا** دقیقاً برابر با **وزن سیم** به آن وارد شود تا اثر وزن را خنثی کند. این نیرو همان نیروی مغناطیسی است.
1. **محاسبه وزن هر متر سیم ($$W/L$$):**
* چگالی طولی (جرم بر واحد طول): $$ \lambda = ۸ g/m = ۰/۰۰۸ kg/m $$
* وزن بر واحد طول: $$ \frac{W}{L} = \lambda g = (۰/۰۰۸ kg/m) \times (۹/۸ N/kg) = ۰/۰۷۸۴ N/m $$
2. **تعیین جهت جریان جدید:**
* ما به یک نیروی مغناطیسی رو به **بالا** نیاز داریم.
* از قاعده دست راست: کف دست (میدان) به سمت **شمال**، انگشت شست (نیرو) به سمت **بالا**. در این حالت چهار انگشت (جریان) به سمت **شرق** اشاره میکنند.
* **جهت جریان باید از غرب به شرق باشد.**
3. **محاسبه مقدار جریان جدید:**
* باید نیروی مغناطیسی رو به بالا برابر با وزن رو به پایین باشد: $$ F_{مغناطیسی} = W $$
* $$ I'LB\sin(۹۰^\circ) = mg \implies I'B = \frac{mg}{L} = \lambda g $$
* $$ I' = \frac{\lambda g}{B} = \frac{۰/۰۷۸۴ N/m}{۰/۵۲ \times ۱۰^{-۳} T} \approx ۱۵۰/۸ A $$
**نتیجه ب: باید جریانی به بزرگی حدود ۱۵۱ آمپر و در جهت غرب به شرق از سیم عبور کند.**
تمرین - ۱۶ آخر فصل سوم فیزیک یازدهم -
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 تشریحی و گام به گام تمرین ۱۶ آخر فصل سوم فیزیک یازدهم
سلام! برای پاسخ به این سوال، ابتدا باید سیملوله را به یک آهنربا تبدیل کنیم و سپس برهمکنش آن را با آهنربای آویزان شده بررسی کنیم.
**مراحل تحلیل:**
1. **تعیین جهت جریان در سیملوله:**
* با بستن کلید K، جریان از پایانه مثبت باتری (قطب بلندتر) خارج شده و در مدار به حرکت در میآید.
* با دنبال کردن مسیر سیم، میبینیم که جریان از پشت سیملوله بالا رفته و از **جلوی آن به سمت پایین** میآید.
2. **تعیین قطبهای سیملوله (آهنربای الکتریکی):**
* از **قاعده دست راست برای سیملوله** استفاده میکنیم:
1. **چهار انگشت** دست راست خود را در جهت پیچش جریان در **حلقههای جلویی** سیملوله قرار دهید (یعنی رو به **پایین**).
2. **انگشت شست** شما، جهت **قطب شمال (N)** سیملوله را نشان میدهد.
* در این حالت، انگشت شست شما به سمت **چپ** اشاره میکند. پس **انتهای چپ سیملوله قطب N و انتهای راست آن قطب S میشود.**
3. **بررسی برهمکنش دو آهنربا:**
* حالا ما یک آهنربای الکتریکی (سیملوله) داریم که قطب N آن در سمت چپ است.
* آهنربای میلهای آویزان، قطب N خود را بالای سیملوله قرار داده است.
* بنابراین، **قطب شمال (N) آهنربای میلهای** روبروی **قطب شمال (N) سیملوله** قرار گرفته است.
4. **نتیجه نهایی:**
* طبق قانون بنیادی مغناطیس، **قطبهای همنام یکدیگر را دفع میکنند.**
* در نتیجه، نیروی **دافعه** بین سیملوله و آهنربای میلهای ایجاد میشود.
* این نیروی دافعه باعث میشود که **آهنربای آویزان شده به سمت بالا حرکت کند.**
تمرین - ۱۷ آخر فصل سوم فیزیک یازدهم -
کدام باتری را در مدار شکل زیر قرار دهیم تا پس از بستن کلید K، عقربهٔ قطبنما که روی سیم قرار دارد، در خلاف جهت حرکت عقربههای ساعت شروع به چرخش کند؟ دلیل انتخاب خود را توضیح دهید.
پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین ۱۷ آخر فصل سوم فیزیک یازدهم
سلام! این سوال اثر مغناطیسی جریان الکتریکی (آزمایش اورستد) را بررسی میکند. بیایید گام به گام آن را حل کنیم.
**تحلیل مسئله:**
1. **حرکت مورد نظر عقربه:** ما میخواهیم عقربه قطبنما **خلاف جهت حرکت عقربههای ساعت** بچرخد. عقربه در ابتدا به سمت شمال (N) است. چرخش خلاف ساعتگرد به این معنی است که قطب شمال (N) عقربه باید به سمت **غرب (W)** منحرف شود.
2. **میدان مورد نیاز:** برای اینکه قطب N عقربه به سمت غرب منحرف شود، باید یک میدان مغناطیسی خارجی به سمت **غرب** بر آن اثر کند. این میدان توسط جریان الکتریکی در سیم ایجاد میشود.
3. **تعیین جهت جریان:** حالا باید جهت جریانی را پیدا کنیم که **روی سیم** (محل قرارگیری عقربه)، میدانی به سمت غرب ایجاد کند. از **قاعده دست راست برای سیم حامل جریان** استفاده میکنیم:
* **موقعیت:** عقربه **روی** سیم قرار دارد.
* **میدان مطلوب ($$\vec{B}$$):** به سمت **غرب** (در شکل، به سمت چپ).
* **اجرای قاعده (معکوس):** انگشتان دست راست خود را در بالای یک سیم فرضی طوری بچرخانید که به سمت چپ (غرب) اشاره کنند. برای این کار، انگشت شست شما باید در چه جهتی باشد؟ انگشت شست باید به سمت **شمال** (در شکل، رو به بالا) باشد.
* بنابراین، **جریان باید از جنوب به شمال حرکت کند.**
4. **انتخاب باتری:**
* برای اینکه جریان از جنوب به شمال در مدار حرکت کند، باید از پایانهای خارج شود که در سمت جنوب قرار دارد و به پایانهای وارد شود که در سمت شمال است.
* جریان از پایانه **مثبت** باتری خارج میشود.
* با نگاه به دو باتری:
* **باتری A:** پایانه مثبت آن در بالا (شمال) است. جریان از شمال به جنوب خواهد بود.
* **باتری B:** پایانه مثبت آن در پایین (جنوب) است. جریان از جنوب به شمال خواهد بود.
**نتیجه نهایی:**
برای ایجاد انحراف مطلوب (خلاف ساعتگرد)، جریان باید از جنوب به شمال باشد. این جریان توسط **باتری B** تأمین میشود. بنابراین، باید **باتری B** را در مدار قرار دهیم.
