سوال ۴۳ · فیزیک
کنکور ریاضی ۱۴۰۴ نوبت اول · سوال ۴۳ · 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.
شکل زیر، آهنربای تیغه‌ای را نشان می‌دهد که از سیم‌لوله دور می‌شود. در این حالت، جریان الکتریکی القایی که از گالوانومتر می‌گذرد، به کدام جهت است و در A و B، به‌ترتیب چه قطب‌های مغناطیسی ایجاد می‌شود؟
شکل: سیم‌لوله‌ای افقی در سمت چپ با دو سر A (سمت راست سیم‌لوله) و B (سمت چپ سیم‌لوله). دو سر سیم‌لوله از پایین به گالوانومتر G وصل شده‌اند؛ نقطه a در سمت چپ و نقطه b در سمت راست گالوانومتر. در سمت راست سیم‌لوله یک آهنربای تیغه‌ای قرار دارد که قطب S آن در سمت چپ (نزدیک سیم‌لوله) و قطب N آن در سمت راست است و یک پیکان زیر آن به سمت راست، یعنی دور شدن از سیم‌لوله را نشان می‌دهد.
نمایش پاسخ و پاسخ تشریحی
پاسخ درست: گزینهٔ ۱ (کلید رسمی سازمان سنجش)
پاسخ تشریحی
گام اول ـ تشخیص تغییر شار: قطب آهنربا روبه‌روی سر سیم‌لوله است. میدان آهنربا در محل سیم‌لوله به سوی این قطب، یعنی به سمت راست، است. با دور شدن آهنربا، میدان آن در محل سیم‌لوله ضعیف‌تر می‌شود و شار مغناطیسی عبوری از حلقه‌ها کاهش می‌یابد. تغییر شار عامل ایجاد نیروی محرکهٔ القایی است (فیزیک ۲ (ریاضی)، صفحه‌های ۱۲۲–۱۲۳).
گام دوم ـ تعیین قطب‌های سیم‌لوله: مطابق قانون لنز، جریان القایی باید با کاهش شار مخالفت کند؛ بنابراین میدان القایی درون سیم‌لوله باید به سمت راست باشد تا کاهش میدان آهنربا را جبران کند. این همان روشی است که در تمرین‌های تعیین جهت جریان القایی به کار می‌رود (فیزیک ۲ (ریاضی)، صفحه‌های ۱۲۸–۱۲۹، بخش قانون لنز). چون میدان درون سیم‌لوله از قطب به قطب است، سر راست، یعنی ، قطب و سر چپ، یعنی ، قطب می‌شود. از دید نیرو نیز همین نتیجه به دست می‌آید: سر باید قطب آهنربای دورشونده را جذب کند و با دور شدن آن مخالفت کند.
گام سوم ـ تعیین جهت جریان: با قاعدهٔ دست راست، برای آنکه سر قطب باشد، جریان حلقه‌ها از دید ناظرِ سمت آهنربا پادساعت‌گرد است. با دنبال کردن این جریان در پیچش و سیم‌های رابطِ شکل، جهت عبور جریان از گالوانومتر از به به دست می‌آید.
پس جریان گالوانومتر از به است و در و ، به‌ترتیب قطب‌های و ایجاد می‌شوند.
پاسخ: گزینهٔ ۱
چرا گزینه‌های دیگر نادرست‌اند
- گزینهٔ ۲: در این گزینه قطب‌های سیم‌لوله درست تعیین شده‌اند، اما جهت جریان در گالوانومتر وارونه است. برای جلوگیری از این خطا باید پس از تعیین قطب‌ها، قاعدهٔ دست راست را به کار برد و مسیر جریان را در سیم‌های رابط دنبال کرد.
- گزینهٔ ۳: این انتخاب ممکن است از این تصور نادرست ناشی شود که سیم‌لوله همواره باید قطب نزدیک آهنربا را دفع کند. هنگام دور شدن آهنربا، سیم‌لوله باید آن را جذب کند تا با کاهش شار مخالفت شود؛ بنابراین قطب‌های پیشنهادی این گزینه نادرست‌اند.
- گزینهٔ ۴: اگر دور شدن آهنربا با نزدیک شدن آن اشتباه گرفته شود، قطب‌های سیم‌لوله و جهت جریان هر دو وارونه تعیین می‌شوند. در این حالت، هم قطب‌های پیشنهادی و هم جهت جریان گالوانومتر با وضعیت مسئله ناسازگارند.
راهنمایی قدم‌به‌قدم (پیش از دیدن پاسخ)
- قانون لنز را به یاد آورید: اثر جریان القایی با تغییر شار مغناطیسی مخالفت می‌کند، نه لزوماً با خود میدان مغناطیسی. تمرین‌های قانون لنز در فیزیک ۲ (ریاضی)، صفحه‌های ۱۲۸–۱۲۹، بر همین تشخیص تکیه دارند.
- قطب نزدیک به سیم‌لوله در حال دور شدن است؛ پس شار ناشی از آهنربا کاهش می‌یابد. سیم‌لوله باید طوری مغناطیسی شود که آهنربای دورشونده را جذب کند، نه اینکه آن را دفع کند.
- پس از تعیین قطبِ سرِ نزدیک آهنربا، با قاعدهٔ دست راست جهت گردش جریان در حلقه‌ها را پیدا کنید؛ سپس مسیر آن را با توجه به نحوهٔ پیچش سیم‌لوله و سیم‌های رابط تا گالوانومتر دنبال کنید.