سوال ۴۵ · فیزیک
کنکور ریاضی ۱۴۰۴ نوبت اول · سوال ۴۵ · کلید رسمی سازمان سنجش
فیزیک · فیزیک ۳ (ریاضی) · فصل ۱: حرکت بر خط راست
از نقطهای به ارتفاع هر دو ثانیه یک گلوله رها میشود. اگر در لحظهٔ رها شدن گلولهٔ سوم، گلولهٔ اول به زمین برسد، در این لحظه گلولهٔ دوم از ارتفاع چند متری عبور میکند؟ ( و مقاومت هوا ناچیز است.)
نمایش پاسخ و پاسخ تشریحی
پاسخ درست: گزینهٔ ۴ (کلید رسمی سازمان سنجش)
پاسخ تشریحی
گام اول: تعیین نوع حرکت
با ناچیز بودن مقاومت هوا، هر گلوله سقوط آزاد با شتاب ثابت رو به پایین دارد. همچنین «رها شدن» به معنی صفر بودن سرعت اولیه است؛ بنابراین مسافت سقوط پس از مدت از رابطهٔ به دست میآید (فیزیک ۳ (ریاضی)، صفحههای ۲۱–۲۲).
گام دوم: تعیین مدت سقوط گلولهها
لحظهٔ رها شدن گلولهٔ اول را میگیریم. چون گلولهها با فاصلهٔ زمانی رها میشوند، گلولهٔ دوم در و گلولهٔ سوم در رها میشوند.
پس در لحظهٔ موردنظر، گلولهٔ اول به مدت و گلولهٔ دوم به مدت سقوط کردهاند.
گام سوم: محاسبهٔ ارتفاع اولیه
گلولهٔ اول در همین لحظه به زمین میرسد؛ بنابراین کل ارتفاع اولیه را پیموده است:
.
گام چهارم: محاسبهٔ ارتفاع گلولهٔ دوم از زمین
مسافتی که گلولهٔ دوم از نقطهٔ رها شدن پایین آمده، برابر است با:
.
این مقدار، مسافت سقوط است، نه ارتفاع از زمین. پس ارتفاع گلولهٔ دوم در لحظهٔ موردنظر برابر است با:
.
پاسخ: گزینهٔ ۴
چرا گزینههای دیگر نادرستاند
- گزینهٔ ۱: این گزینه از محاسبهٔ مسافت سقوط گلولهٔ دوم، یعنی ، به دست میآید؛ اما سؤال ارتفاع گلوله از زمین را میخواهد، نه مسافتی که از نقطهٔ رها شدن پایین آمده است.
- گزینهٔ ۲: ممکن است دانشآموز تصور کند چون زمان سقوط گلولهٔ دوم نصف زمان سقوط گلولهٔ اول است، مسافت سقوط آن هم نصف ارتفاع اولیه است و ارتفاع باقیمانده را بگیرد. در سقوط آزاد از سکون، مسافت با مربع زمان متناسب است، نه با خود زمان.
- گزینهٔ ۳: این گزینه میتواند از اشتباه در شمارش فاصلههای زمانی و در نظر گرفتن زمان سقوط گلولهٔ اول برابر به دست آید؛ در این صورت یکسوم ارتفاعِ محاسبهشده بهاشتباه گرفته میشود. بین رها شدن گلولهٔ اول و سوم فقط دو فاصلهٔ زمانی وجود دارد و ارتفاع باقیمانده نیز با نسبت سادهٔ زمانها محاسبه نمیشود.
راهنمایی قدمبهقدم (پیش از دیدن پاسخ)
- مبحث سقوط آزاد را مرور کن: با صرفنظر از مقاومت هوا، حرکت شتاب ثابت دارد و «رها شدن» یعنی سرعت اولیه صفر است (فیزیک ۳ (ریاضی)، صفحههای ۲۱–۲۲).
- لحظهٔ رها شدن گلولهٔ اول را مبدأ زمان بگیر و زمان رها شدن دو گلولهٔ بعدی را مشخص کن. دقت کن که میان رها شدن گلولهٔ اول و سوم، دو فاصلهٔ زمانی وجود دارد.
- ابتدا با مدت سقوط گلولهٔ اول و رابطهٔ ارتفاع اولیه را پیدا کن؛ سپس مسافت سقوط گلولهٔ دوم را از آن کم کن: .