سوال ۶۷ · فیزیک
کنکور ریاضی ۱۴۰۴ نوبت دوم · سوال ۶۷ · کلید رسمی سازمان سنجش
فیزیک · فیزیک ۲ (ریاضی) · فصل ۳: مغناطیس
این سوال در دفترچه شکل دارد؛ این‌جا شکل به‌صورت متنی توصیف شده است.
در شکل زیر، الکترونی در جهت نشان‌داده‌شده وارد ناحیه‌ای با میدان مغناطیسی یکنواخت می‌شود که به طرف بیرون صفحه (برون‌سو) است. اولین انحراف الکترون پس از ورود به این ناحیه به کدام سمت است؟
شکل: ناحیه‌ای مستطیلی در سمت راست شامل نقطه‌های (⊙) میدان مغناطیسی برون‌سو در ۴ سطر و ۳ ستون. در سمت چپ ناحیه، الکترون (e) با بردار سرعت به سمت راست (به‌طرف ناحیهٔ میدان) در حرکت است و وارد ناحیه می‌شود.
نمایش پاسخ و پاسخ تشریحی
پاسخ درست: گزینهٔ ۴ (کلید رسمی سازمان سنجش)
پاسخ تشریحی
۱. جهت‌های داده‌شده را مشخص می‌کنیم: سرعت الکترون به سمت راست است و نماد میدان مغناطیسیِ رو به بیرون صفحه را نشان می‌دهد. مسئله از نوع تعیین جهت نیروی مغناطیسی بر ذرهٔ باردار است؛ در تمرین‌های همین مبحث نیز تعیین جهت نیرو برای بار مثبت و بررسی جهت‌های نیرو، سرعت و میدان برای الکترون مطرح شده است (فیزیک ۲ (ریاضی)، صفحهٔ ۱۰۵).
۲. نیروی مغناطیسی از رابطهٔ پیروی می‌کند و بر هر دو بردار سرعت و میدان عمود است. پس در این شکل، نیرو باید در صفحه و رو به بالا یا پایین باشد؛ نه به داخل یا بیرون صفحه.
۳. ابتدا جهت نیرو را برای بار مثبت پیدا می‌کنیم. با قرار دادن انگشتان دست راست در جهت سرعت، یعنی به سمت راست، و خم کردن آن‌ها به سوی میدانِ برون‌سو، شست به سمت پایین اشاره می‌کند. بنابراین جهت پایین صفحه است.
۴. بار الکترون منفی است؛ یعنی . در نتیجه، نیروی وارد بر آن خلاف جهت به‌دست‌آمده برای بار مثبت و به سمت بالای صفحه است. شتاب و در نتیجه نخستین انحراف الکترون نیز به سمت بالا خواهد بود.
پاسخ: گزینهٔ ۴
چرا گزینه‌های دیگر نادرست‌اند
- گزینهٔ ۱: ممکن است دانش‌آموز تصور کند چون بار الکترون منفی است، نیروی مغناطیسی خلاف جهت میدان وارد می‌شود. اما نیروی مغناطیسی بر جهت میدان عمود است، نه در خلاف جهت آن.
- گزینهٔ ۲: این انتخاب از یکسان گرفتن جهت میدان و جهت نیرو ناشی می‌شود. نیروی مغناطیسی وارد بر ذرهٔ متحرک بر میدان عمود است؛ بنابراین نمی‌تواند به سمت بیرون صفحه باشد.
- گزینهٔ ۳: اگر قاعدهٔ دست راست را به کار ببریم ولی منفی بودن بار الکترون را فراموش کنیم، جهت پایین به دست می‌آید. این جهت برای بار مثبت درست است و برای الکترون باید وارونه شود.
راهنمایی قدم‌به‌قدم (پیش از دیدن پاسخ)
- مبحث نیروی مغناطیسی وارد بر ذرهٔ باردار متحرک را به یاد بیاور: نیرو هم بر سرعت و هم بر میدان عمود است و جهت آن به علامت بار بستگی دارد.
- ابتدا الکترون را موقتاً یک ذرهٔ مثبت فرض کن و برای سرعت به سمت راست و میدان برون‌سو، جهت نیرو را با قاعدهٔ دست راست تعیین کن.
- قاعدهٔ دست راست برای بار مثبت در این وضعیت، نیرویی به سمت پایین نشان می‌دهد. اکنون فقط اثر منفی بودن بار الکترون را بر این جهت اعمال کن.