سوال ۴۶ · فیزیک
کنکور ریاضی ۱۴۰۵ · سوال ۴۶ · کلید رسمی سازمان سنجش
فیزیک · فیزیک ۳ (ریاضی) · فصل ۱: حرکت بر خط راست
این سوال در دفترچه شکل دارد؛ اینجا شکل بهصورت متنی توصیف شده است.
نمودار مکان ـ زمان متحرکی که در امتداد محور با شتاب ثابت حرکت میکند، مطابق شکل است. اگر سرعت متوسط متحرک در بازهٔ زمانی تا ، باشد، تندی متوسط آن در همین بازهٔ زمانی چند متر بر ثانیه است؟
شکل: نمودار x بر حسب t (s): سهمی که در t=0 از مقدار مثبت (بالای محور t) شروع میشود، کاهش مییابد تا در t=4 s به کمینه (زیر محور t) میرسد، سپس افزایش یافته و محور t را در زمانی بعد از ۴ قطع میکند و بالا میرود. روی محور t عدد ۴ (رأس سهمی) مشخص شده است.
نمایش پاسخ و پاسخ تشریحی
پاسخ درست: گزینهٔ ۲ (کلید رسمی سازمان سنجش)
پاسخ تشریحی
گام اول: تشخیص تغییر جهت
در رأس نمودار مکان ـ زمان، شیب نمودار و در نتیجه سرعت لحظهای صفر است. پیش از رأس، مکان کاهش و پس از آن افزایش مییابد؛ بنابراین متحرک در لحظهٔ تغییر جهت میدهد. برای یافتن تندی متوسط باید مسافت دو بخش حرکت را جمع کنیم، نه اینکه فقط جابهجایی را در نظر بگیریم. تفاوت تندی متوسط و اندازهٔ سرعت متوسط در پرسشهای شناخت حرکت نیز مطرح شده است (فیزیک ۳ (ریاضی)، صفحهٔ ۲۵).
گام دوم: محاسبهٔ شتاب
در حرکت با شتاب ثابت، سرعت تابعی خطی از زمان است (فیزیک ۳ (ریاضی)، صفحهٔ ۱۵). با توجه به صفر بودن سرعت در رأس، داریم:
پس سرعتهای ابتدا و انتهای بازه برابرند با:
چون سرعت بهصورت خطی تغییر میکند، سرعت متوسط برابر میانگین سرعتهای دو سر بازه است:
بنابراین:
گام سوم: محاسبهٔ مسافت کل
زمان رسیدن از ابتدای بازه به نقطهٔ بازگشت و زمان حرکت از نقطهٔ بازگشت تا انتهای بازه است. با استفاده از معادلهٔ مکان در حرکت با شتاب ثابت و صفر بودن سرعت در نقطهٔ بازگشت، اندازهٔ فاصلهٔ هر نقطه از رأس برابر است:
پس مسافت کل برابر است با:
برای بررسی، جابهجایی برابر است و تقسیم آن بر مدت بازه، همان سرعت متوسط دادهشده را میدهد. تعریف سرعت متوسط بهصورت نسبت جابهجایی به زمان در کتاب آمده است (فیزیک ۳ (ریاضی)، صفحهٔ ۸).
گام چهارم: محاسبهٔ تندی متوسط
پاسخ: گزینهٔ ۲
چرا گزینههای دیگر نادرستاند
- گزینهٔ ۱: ممکن است با کمبرآورد کردن مسافت طیشده در بخش رفت یا برگشت، مقدار به دست آید. این مقدار مستلزم مسافت کل است، درحالیکه مجموع مسافت دو بخش حرکت است.
- گزینهٔ ۳: ممکن است دانشآموز بهجای محاسبهٔ مسافت کل، از سرعتهای ابتدا و انتهای بازه بهدرستی استفاده نکند و به این عدد برسد. مقدار با تقسیم مجموع مسافت دو بخش حرکت بر مدت کل بازه سازگار نیست.
- گزینهٔ ۴: این مقدار با تقسیم مسافت کل بر نصف مدت بازه به دست میآید: . تغییر جهت باعث نصف شدن زمان نمیشود؛ مدت کل حرکت در بازهٔ خواستهشده است.
راهنمایی قدمبهقدم (پیش از دیدن پاسخ)
- تفاوت سرعت متوسط و تندی متوسط را به یاد بیاورید: اولی از جابهجایی و دومی از مسافت کل به دست میآید. رأس نمودار مکان ـ زمان نیز محل صفر شدن سرعت است.
- در لحظهٔ سرعت صفر است؛ پس با شتاب ثابت میتوان نوشت . سرعتهای دو سر بازه را برحسب شتاب بنویسید و از رابطهٔ استفاده کنید.
- پس از یافتن شتاب، مسافتهای قبل و بعد از لحظهٔ تغییر جهت را جداگانه از رابطهٔ حرکت با شتاب ثابت و سرعت صفر در رأس پیدا کنید. مجموع این دو مسافت را بر کل مدت بازه، نه مدت یکی از دو بخش، تقسیم کنید.