سوال ۶۹ · فیزیک
کنکور ریاضی ۱۴۰۴ نوبت دوم · سوال ۶۹ · کلید رسمی سازمان سنجش
فیزیک · فیزیک ۲ (ریاضی) · فصل ۴: القای الکترومغناطیسی و جریان متناوب
این سوال در دفترچه شکل دارد؛ اینجا شکل بهصورت متنی توصیف شده است.
در شکل زیر، آهنربایی از بالا رها شده تا در راستای قائم از درون حلقههای رسانا بگذرد. در لحظهٔ نشاندادهشده، از نگاه بالا، جهت جریان القایی در حلقههای ۱، ۲ و ۳ بهترتیب، چگونه است؟
شکل: آهنربایی میلهای بهصورت قائم با قطب N در بالا و قطب S در پایین، با سرعت رو به پایین در حرکت است. سه حلقهٔ رسانای افقی: حلقهٔ ۱ بالای آهنربا (بالاتر از قطب N)، حلقهٔ ۲ در میانهٔ آهنربا (دور آن)، حلقهٔ ۳ زیر آهنربا (پایینتر از قطب S). خطوط میدان مغناطیسی آهنربا از N به بیرون و به S بازمیگردند.
نمایش پاسخ و پاسخ تشریحی
پاسخ درست: گزینهٔ ۴ (کلید رسمی سازمان سنجش)
پاسخ تشریحی
۱. ملاک تعیین جهت جریان
طبق قانون لنز، جریان القایی چنان جهتی دارد که میدان مغناطیسی حاصل از آن با تغییر شار مغناطیسی مخالفت کند. بنابراین هنگام کاهش شار، میدان القایی به حفظ آن کمک میکند و هنگام افزایش شار، با افزایش آن مخالفت میکند (فیزیک ۲ (ریاضی)، صفحهٔ ۱۱۷).
از طرفی، طبق قاعدهٔ دست راست، از نگاه بالا جریان پادساعتگرد میدان رو به بالا و جریان ساعتگرد میدان رو به پایین ایجاد میکند.
۲. حلقهٔ ۱؛ بالای قطب
میدان آهنربا در محل این حلقه رو به بالاست، زیرا خطوط میدان از قطب خارج میشوند. با پایین رفتن آهنربا، قطب از حلقه دور میشود و شار رو به بالای عبوری از حلقه کاهش مییابد. طبق قانون لنز، میدان القایی باید رو به بالا باشد تا با این کاهش مخالفت کند؛ پس جریان حلقهٔ ۱ از نگاه بالا پادساعتگرد است.
۳. حلقهٔ ۲؛ در وسط آهنربا
در لحظهٔ نشاندادهشده، حلقه در صفحهٔ میانی و متقارن آهنربا قرار دارد. شار عبوری از حلقه در این موقعیت به مقدار اکسترمم میرسد و آهنگ تغییر لحظهای آن صفر است؛ بنابراین:
پس جریان القایی حلقهٔ ۲ در این لحظه صفر است. دقت کنید که علت، صفر بودنِ تغییر لحظهای شار است، نه صفر بودن خود میدان یا شار. بررسی این موقعیت با تمرین عبور حلقه از روی آهنربا و قرار گرفتن آن در وسط آهنربا نیز همخوان است (فیزیک ۲ (ریاضی)، صفحههای ۱۲۹–۱۳۰، تمرین ۱۶).
۴. حلقهٔ ۳؛ زیر قطب
میدان آهنربا در محل این حلقه نیز رو به بالاست، زیرا خطوط میدان به سمت قطب وارد میشوند. با نزدیک شدن قطب به حلقه، شار رو به بالا افزایش مییابد. میدان القایی باید رو به پایین باشد تا با این افزایش مخالفت کند؛ بنابراین جریان حلقهٔ ۳ از نگاه بالا ساعتگرد است.
در نتیجه، جهت جریانها بهترتیب پادساعتگرد، صفر و ساعتگرد است.
پاسخ: گزینهٔ ۴
چرا گزینههای دیگر نادرستاند
- گزینهٔ ۱: ممکن است دانشآموز جهت حرکت آهنربا را ملاک قرار دهد و برای همهٔ حلقهها جریان ساعتگرد در نظر بگیرد؛ اما جهت جریان به تغییر شار هر حلقه بستگی دارد، نه صرفاً جهت حرکت آهنربا. افزون بر این، در حلقهٔ میانی در لحظهٔ نشاندادهشده جریان القایی صفر است.
- گزینهٔ ۲: این انتخاب میتواند از یکسان دانستن تغییر شار در همهٔ حلقهها ناشی شود. درحالیکه آهنربا از حلقهٔ بالایی دور و به حلقهٔ پایینی نزدیک میشود؛ بنابراین جهت جریان این دو حلقه مخالف است و جریان حلقهٔ میانی نیز در این لحظه صفر است.
- گزینهٔ ۳: در این گزینه، صفر بودن جریان حلقهٔ میانی درست تشخیص داده شده، اما جهت جریان دو حلقهٔ دیگر برعکس است. این اشتباه معمولاً از مخالفت دادن میدان القایی با خود میدان آهنربا، بهجای مخالفت با تغییر شار، یا از اشتباه گرفتن نگاه بالا و پایین ناشی میشود.
راهنمایی قدمبهقدم (پیش از دیدن پاسخ)
- قانون لنز را به یاد بیاورید: میدان ناشی از جریان القایی با «تغییر شار» مخالفت میکند، نه لزوماً با میدان آهنربا؛ سپس از قاعدهٔ دست راست استفاده کنید.
- آهنربا از حلقهٔ بالایی دور و به حلقهٔ پایینی نزدیک میشود. میدان آهنربا در محل هر دو حلقه رو به بالاست؛ پس بررسی کنید شار رو به بالا در کدام حلقه افزایش و در کدام کاهش مییابد.
- برای حلقهٔ بالایی باید کاهش شار جبران شود و برای حلقهٔ پایینی باید با افزایش شار مخالفت شود. حلقهٔ میانی نیز در صفحهٔ تقارن آهنرباست؛ به تغییر لحظهای شار در این موقعیت و سپس به جهت خم شدن انگشتان دست راست از نگاه بالا توجه کنید.