سوال ۷۱ · فیزیک
کنکور ریاضی ۱۴۰۵ · سوال ۷۱ · کلید رسمی سازمان سنجش
فیزیک · فیزیک ۱ (ریاضی) · فصل ۳: کار، انرژی و توان
این سوال در دفترچه شکل دارد؛ اینجا شکل بهصورت متنی توصیف شده است.
در شکل زیر، وزنه به نخی بسته شده است و در یک مسیر دایرهای حرکت میکند. وقتی نخ در حالت افقی قرار دارد، وزنه را از نقطهٔ A رها میکنیم. اگر تغییر انرژی جنبشی وزنه در طی کمان برابر و در طی کمان برابر باشد، نسبت چقدر است؟ (مقاومت هوا ناچیز فرض شود.)
شکل: نقطهٔ O مرکز دایره است. نقطهٔ A در سمت چپ O و همسطح با آن است (نخ افقی OA). نقطهٔ C دقیقاً زیر O روی خط قائم قرار دارد (OC قائم). نقطهٔ B روی کمان دایره بین A و C است و OB با OA زاویهٔ میسازد و با OC زاویهٔ . مسیر خطچین کمانی از A به B و سپس از B به C است.
نمایش پاسخ و پاسخ تشریحی
پاسخ درست: گزینهٔ ۱ (کلید رسمی سازمان سنجش)
پاسخ تشریحی
گام اول: تعیین عامل تغییر انرژی جنبشی
طبق قضیهٔ کار ــ انرژی جنبشی، تغییر انرژی جنبشی جسم برابر کار کل نیروهای وارد بر آن است؛ این قضیه برای مسیر خمیده نیز برقرار است (فیزیک ۱ (ریاضی)، صفحههای ۶۱–۶۲):
.
در این حرکت، کشش نخ در راستای شعاع و جابهجایی لحظهای وزنه در راستای مماس است؛ پس کشش نخ کاری انجام نمیدهد. با ناچیز بودن مقاومت هوا، تنها کار وزن باعث تغییر انرژی جنبشی میشود. بنابراین برای هر بخش نزولی مسیر داریم:
،
که در آن مقدار افت ارتفاع است. این افزایش انرژی جنبشی با کاهش انرژی پتانسیل گرانشی سازگار است (فیزیک ۱ (ریاضی)، صفحهٔ ۶۴).
گام دوم: محاسبهٔ افت ارتفاع دو بخش
طول نخ را مینامیم. نقطهٔ همسطح مرکز دایره است و شعاع با افق زاویهٔ میسازد؛ پس افت ارتفاع از تا برابر است با:
.
از طرف دیگر، نقطهٔ بهاندازهٔ پایینتر از است؛ بنابراین افت ارتفاع از تا میشود:
.
گام سوم: تشکیل نسبت
پس تغییر انرژی جنبشی در دو بخش برابر است:
،
.
در نتیجه:
.
نکتهٔ اصلی این است که با وجود متفاوت بودن زاویهها و طول دو کمان، افت ارتفاع آنها برابر است؛ بنابراین کار وزن و تغییر انرژی جنبشی نیز در آنها برابر خواهد بود.
پاسخ: گزینهٔ ۱
چرا گزینههای دیگر نادرستاند
- گزینهٔ ۲: ممکن است افت ارتفاع در بخش نخست را بر افت ارتفاع کل مسیر تقسیم کنید و به برسید. اما مخرج نسبت، تغییر انرژی جنبشی از تا است، نه از تا .
- گزینهٔ ۳: این مقدار ممکن است از بهکاربردن بهجای مؤلفهٔ قائم شعاع به دست آید. چون زاویه با افق داده شده است، افت ارتفاع تا با محاسبه میشود؛ ضمن اینکه باید نسبت افت ارتفاع دو بخش را به دست آورد.
- گزینهٔ ۴: ممکن است با برابر گرفتن نسبت تغییرات انرژی جنبشی با نسبت زاویههای مسیر و استفاده از این گزینه انتخاب شود. کار وزن به افت ارتفاع وابسته است، نه به نسبت زاویهها یا طول کمانها.
راهنمایی قدمبهقدم (پیش از دیدن پاسخ)
- قضیهٔ کار ــ انرژی جنبشی را از بخش کار و انرژی جنبشی به یاد آورید. بررسی کنید کدامیک از نیروهای وزن و کشش نخ در این حرکت کار انجام میدهد.
- کشش نخ در هر لحظه بر جابهجایی مماسی عمود است؛ بنابراین تغییر انرژی جنبشی هر بخش برابر کار وزن، یعنی ضربدر افت ارتفاع همان بخش است.
- اگر طول نخ باشد، افت ارتفاع از تا برابر است. برای بخش دوم، این مقدار را از افت ارتفاع کل، یعنی ، کم کنید و نسبت دو افت ارتفاع را بسازید.