سوال ۶۲ · فیزیک
کنکور ریاضی ۱۴۰۴ نوبت اول · سوال ۶۲ · کلید رسمی سازمان سنجش
فیزیک · فیزیک ۲ (ریاضی) · فصل ۱: الکتریسیتهٔ ساکن
خازنی که بین صفحات آن هوا است به دو سر یک باتری وصل است. اگر با مادهای با ثابت دیالکتریک فضای بین دو صفحه را پر کنیم، انرژی خازن و میدان الکتریکی بین دو صفحه، بهترتیب چند برابر میشوند؟
نمایش پاسخ و پاسخ تشریحی
پاسخ درست: گزینهٔ ۱ (کلید رسمی سازمان سنجش)
پاسخ تشریحی
۱. تشخیص کمیت ثابت: خازن هنگام ورود دیالکتریک همچنان به باتری متصل است؛ بنابراین اختلاف پتانسیل دو سر آن ثابت میماند، یعنی . فاصلهٔ صفحات نیز تغییر نمیکند: .
۲. تغییر ظرفیت: با پر شدن کامل فضای بین صفحات از دیالکتریک، ظرفیت به اندازهٔ ثابت دیالکتریک افزایش مییابد: (فیزیک ۲ (ریاضی)، صفحهٔ ۳۴–۳۵). بنابراین با داریم: .
۳. تغییر انرژی: از رابطهٔ انرژی خازن، ، و ثابت بودن ولتاژ نتیجه میگیریم:
.
پس انرژی خازن سهبرابر میشود. توجه کنید که بار خازن ثابت نیست؛ باتری با رساندن بار اضافی به صفحات، ولتاژ را ثابت نگه میدارد.
۴. تغییر میدان الکتریکی: میدان یکنواخت بین صفحات خازن از رابطهٔ به دست میآید. چون ولتاژ و فاصلهٔ صفحات ثابتاند:
.
بنابراین میدان الکتریکی تغییر نمیکند و نسبتهای انرژی و میدان، بهترتیب، و هستند.
پاسخ: گزینهٔ ۱
چرا گزینههای دیگر نادرستاند
- گزینهٔ ۲: ممکن است با توجه به سهبرابر شدن بار، انرژی را متناسب با مربع بار فرض کنید و افزایش ظرفیت را نادیده بگیرید؛ اما در رابطهٔ ، ظرفیت نیز سهبرابر میشود، پس انرژی نهبرابر نمیشود.
- گزینهٔ ۳: این انتخاب ممکن است از این تصور ناشی شود که با سهبرابر شدن بار صفحات، میدان نیز سهبرابر میشود. اما در حضور دیالکتریک باید اثر قطبش را هم در نظر گرفت؛ چون باتری اختلاف پتانسیل را ثابت نگه میدارد، میدان تغییر نمیکند.
- گزینهٔ ۴: این گزینه حاصل دو خطاست: نادیده گرفتن افزایش ظرفیت در محاسبهٔ انرژی از روی مربع بار، و متناسب دانستن میدان با بار صفحات بدون توجه به دیالکتریک. اتصال به باتری موجب ثابت ماندن ولتاژ و میدان میشود و انرژی فقط به نسبت ظرفیت افزایش مییابد.
راهنمایی قدمبهقدم (پیش از دیدن پاسخ)
- ابتدا مشخص کنید هنگام ورود دیالکتریک، خازن همچنان به باتری وصل است یا از آن جدا شده است؛ این نکته تعیین میکند کدام کمیت ثابت میماند.
- باتری اختلاف پتانسیل را ثابت نگه میدارد. از رابطهٔ در بخش «خازن با دیالکتریک» و رابطهٔ انرژی استفاده کنید.
- نسبت انرژیها را به صورت بنویسید؛ برای میدان نیز از استفاده کنید و ثابت بودن ولتاژ و فاصلهٔ صفحات را در نظر بگیرید.