سوال ۶۶ · فیزیک
کنکور ریاضی ۱۴۰۴ نوبت دوم · سوال ۶۶ · کلید رسمی سازمان سنجش
فیزیک · فیزیک ۲ (ریاضی) · فصل ۲: جریان الکتریکی و مدارهای جریان مستقیم
این سوال در دفترچه شکل دارد؛ اینجا شکل بهصورت متنی توصیف شده است.
در شکل روبهرو، آمپرسنج آرمانی چند میلیآمپر را نشان میدهد؟
شکل: مداری پلمانند: شاخهٔ بالا شامل دو مقاومت متوالی (چپ) و (راست)، شاخهٔ پایین شامل دو مقاومت متوالی (چپ) و (راست). یک آمپرسنج آرمانی (A) بین نقطهٔ وسط شاخهٔ بالا (بین ۱۰ و ۲۰) و نقطهٔ وسط شاخهٔ پایین (بین ۳۰ و ۴۰) وصل است. دو شاخه موازیاند و به یک باتری با نیروی محرکهٔ در پایین مدار وصل شدهاند.
نمایش پاسخ و پاسخ تشریحی
پاسخ درست: گزینهٔ ۳ (کلید رسمی سازمان سنجش)
پاسخ تشریحی
۱. اثر آمپرسنج آرمانی بر اتصال مقاومتها
آمپرسنج آرمانی مقاومت صفر دارد؛ بنابراین اختلاف پتانسیل دو سر آن صفر است و دو نقطهٔ میانی همپتانسیلاند. این همان حالت آرمانیِ مقاومت ناچیز آمپرسنج است که در کتاب بررسی شده است (فیزیک ۲ (ریاضی)، صفحههای ۷۱–۷۲).
پس مقاومتهای و بین گرهٔ چپ و یک پتانسیل میانی مشترک قرار دارند و موازیاند. به همین ترتیب، مقاومتهای و نیز موازیاند. توجه کنید که دو مقاومت بالایی متوالی نیستند، زیرا بین آنها انشعاب وجود دارد؛ شرط اتصال متوالی، نبودن انشعاب میان مقاومتهاست (فیزیک ۲ (ریاضی)، صفحهٔ ۷۰).
۲. محاسبهٔ مقاومت معادل و جریان باتری
با استفاده از رابطهٔ مقاومت معادل دو مقاومت موازی (فیزیک ۲ (ریاضی)، صفحهٔ ۷۴)، داریم:
این دو بخش معادل متوالیاند؛ پس:
جریان باتری برابر است با:
۳. محاسبهٔ جریانهای دو سوی گرهٔ بالایی
افت ولتاژ بخش چپ و بخش راست بهترتیب برابر است با:
بنابراین، از قانون اهم:
۴. بهکارگیری قاعدهٔ انشعاب
برای تعیین جهت جریانها، گرهٔ چپ را در پتانسیل بالاتر فرض میکنیم؛ معکوسشدن قطبهای باتری فقط جهت جریانها را عوض میکند، نه عدد آمپرسنج را. در گرهٔ بالایی، جریان ورودی از مقاومت برابر است و جریان خروجی از مقاومت برابر است. طبق قاعدهٔ انشعاب، باقی جریان باید از آمپرسنج به گرهٔ پایینی برود (فیزیک ۲ (ریاضی)، صفحههای ۷۱–۷۲):
نکتهٔ اصلی این است که همپتانسیلبودن دو سر آمپرسنج آرمانی به معنای صفر بودن جریان آن نیست.
پاسخ: گزینهٔ ۳
چرا گزینههای دیگر نادرستاند
- گزینهٔ ۱: ممکن است اختلاف جریانها را در هر دو گرهٔ میانی حساب کنید و سپس اندازهٔ آنها را با هم جمع کنید و به برسید. این دو اختلاف، جریان یک شاخهٔ مشترک را بیان میکنند و نباید با هم جمع شوند.
- گزینهٔ ۲: اگر افت ولتاژ بخش راست را بهاشتباه بگیرید، جریان مقاومت را به دست میآورید و تفاضل آن با به این گزینه میرسد. اما افت ولتاژ بخش راست باید از مقاومت معادل دو بخش محاسبه شود و برابر است.
- گزینهٔ ۴: ممکن است تفاضل جریانهای ورودی و خروجی گرهٔ بالا را به تصور تقسیمشدن آن بین دو گره، بر دو تقسیم کنید. این تفاضل، خودش تمام جریان آمپرسنج است؛ دو گرهٔ میانی دو مسیر جداگانه برای تقسیم این جریان نیستند.
راهنمایی قدمبهقدم (پیش از دیدن پاسخ)
- ویژگی آمپرسنج آرمانی را به یاد بیاورید: مقاومت آن صفر است؛ پس دو سرش همپتانسیلاند. برای تشخیص اتصال متوالی یا موازی، به گرهها توجه کنید، نه شکل ظاهری مدار.
- با همپتانسیلشدن دو نقطهٔ میانی، مقاومتهای و موازیاند؛ مقاومتهای و نیز یک ترکیب موازی دیگر میسازند. این دو ترکیب معادل را متوالی در نظر بگیرید.
- پس از محاسبهٔ ولتاژ هر ترکیب، جریان مقاومتهای و را جداگانه به دست آورید. طبق قاعدهٔ انشعاب در گرهٔ بالایی، اندازهٔ تفاضل این دو جریان همان جریان آمپرسنج است.