دانشجو؟ ۵۰۰ هزار تومان هدیه همین حالادانشجو؟ با کارت دانشجویی یا ایمیل دانشگاهی ۵۰۰٬۰۰۰ تومان هدیه بگیر، و اگر دانشگاهت تا ۱۶ آذر به ۵۰ دانشجوی فعال برسد ۲ میلیون تومان دیگرجدول دانشگاه‌هادانشجو؟ ۵۰۰ هزار تومان هدیه همین حالادانشجو؟ با کارت دانشجویی یا ایمیل دانشگاهی ۵۰۰٬۰۰۰ تومان هدیه همین حالا، و ۲ میلیون تومان دیگر اگر دانشگاهت تا ۱۶ آذر به ۵۰ دانشجوی فعال برسدجدول دانشگاه‌ها
1xAi
کنکور ریاضی ۱۴۰۵ · فیزیک

سوال ۵۱ فیزیک کنکور ریاضی ۱۴۰۵ با پاسخ تشریحی

سوال ۵۱ دفترچهٔ اختصاصی کنکور ریاضی ۱۴۰۵، با کلید رسمی سازمان سنجش. پاسخ تشریحی، دلیل نادرستی گزینه‌های دیگر و راهنمایی‌ها را هوش مصنوعی 1xAi بر پایهٔ همین کلید و متن کتاب درسی نوشته است.

سوال ۵۱ · فیزیک

کنکور ریاضی ۱۴۰۵ · سوال ۵۱ · کلید رسمی سازمان سنجش

فیزیک · فیزیک ۳ (ریاضی) · فصل ۲: دینامیک و حرکت دایره‌ای

این سوال در دفترچه شکل دارد؛ این‌جا شکل به‌صورت متنی توصیف شده است.

در شکل زیر، جسمی به جرم mm را با نیروی افقی FF به دیوار قائم می‌فشاریم و جسم به حال سکون می‌ماند. FF را به‌تدریج کاهش می‌دهیم تا جسم در آستانهٔ لغزش قرار گیرد. در مدت تغییر FF، بزرگی نیروی اصطکاک چگونه تغییر می‌کند؟

شکل: دیوار قائم در سمت چپ (با خطوط مورب نشان‌دهندهٔ دیوار)، جسمی مستطیلی به جرم m چسبیده به دیوار و یک پیکان افقی با برچسب F که از سمت راست به جسم وارد می‌شود و آن را به دیوار می‌فشارد.

  1. گزینهٔ ۱: پیوسته برابر با mgmg است.
  2. گزینهٔ ۲: پیوسته بزرگ‌تر از mgmg است.
  3. گزینهٔ ۳: در هر لحظه برابر با μsF\mu_s F است.
  4. گزینهٔ ۴: به تدریج کاهش می‌یابد تا برابر mgmg شود.
نمایش پاسخ و پاسخ تشریحی

پاسخ درست: گزینهٔ ۱ (کلید رسمی سازمان سنجش)

پاسخ تشریحی

۱. نیروهای وارد بر جسم را مشخص می‌کنیم: وزن mgmg رو به پایین، اصطکاک ایستایی fsf_s رو به بالا، نیروی افقی FF به سمت دیوار و نیروی عمودی سطح FNF_N از طرف دیوار در جهت مخالف آن. اصطکاک رو به بالاست، زیرا جسم تمایل دارد بر اثر وزن به پایین بلغزد.

۲. جسم در تمام مدت کاهش نیرو، تا رسیدن به آستانهٔ لغزش، ساکن است؛ بنابراین شتاب آن صفر است و طبق قانون دوم نیوتون، برآیند نیروها در هر راستا صفر خواهد بود (فیزیک ۳ (ریاضی)، صفحهٔ ۳۲). در راستای افقی داریم:
FN−F=0⇒FN=FF_N-F=0\quad\Rightarrow\quad F_N=F
در راستای قائم نیز:
fs−mg=0⇒fs=mgf_s-mg=0\quad\Rightarrow\quad f_s=mg
پس چون وزن جسم ثابت است، بزرگی نیروی اصطکاک نیز در تمام این مدت ثابت می‌ماند.

۳. نکتهٔ اصلی، تفاوت اصطکاک ایستایی با بیشینهٔ آن است. طبق کتاب، رابطهٔ عمومی اصطکاک ایستایی fs≤μsFNf_s\leq\mu_s F_N است و تساوی فقط در آستانهٔ حرکت برقرار می‌شود (فیزیک ۳ (ریاضی)، صفحه‌های ۴۰ و ۴۱). در این مسئله:
fs,max=μsFN=μsFf_{s,\mathrm{max}}=\mu_s F_N=\mu_s F
با کاهش FF، مقدار بیشینهٔ اصطکاک ایستایی کاهش می‌یابد؛ اما خود اصطکاک همچنان وزن را خنثی می‌کند. در آستانهٔ لغزش، این مقدار بیشینه به اصطکاک لازم برای تعادل می‌رسد:
fs,max=fs=mgf_{s,\mathrm{max}}=f_s=mg
بنابراین کاهش نیروی فشاری، ظرفیت بیشینهٔ اصطکاک را کم می‌کند، نه اصطکاک واقعی را؛ اصطکاک واقعی پیوسته برابر وزن جسم است.

پاسخ: گزینهٔ ۱

چرا گزینه‌های دیگر نادرست‌اند

  • گزینهٔ ۲: ممکن است تصور شود برای جلوگیری از سقوط، اصطکاک باید از وزن بیشتر باشد؛ اما اگر fs>mgf_s>mg باشد، نیروی خالص رو به بالا می‌شود و جسم نمی‌تواند ساکن بماند.
  • گزینهٔ ۳: این انتخاب از اشتباه گرفتن اصطکاک ایستایی با مقدار بیشینهٔ آن ناشی می‌شود. رابطهٔ fs=μsFf_s=\mu_s F فقط در آستانهٔ لغزش برقرار است؛ پیش از آن، اصطکاک به اندازهٔ لازم برای تعادل جسم تنظیم می‌شود.
  • گزینهٔ ۴: با کاهش نیروی فشاری، بیشینهٔ اصطکاک ایستایی کاهش می‌یابد، نه لزوماً خود اصطکاک. در این مسئله، اصطکاک از ابتدا وزن جسم را خنثی می‌کند و تا آستانهٔ لغزش تغییری نمی‌کند.

راهنمایی قدم‌به‌قدم (پیش از دیدن پاسخ)

  1. تفاوت «نیروی اصطکاک ایستایی» و «بیشینهٔ نیروی اصطکاک ایستایی» را از فیزیک ۳ (ریاضی)، صفحه‌های ۴۰ و ۴۱، مرور کنید؛ این دو فقط در آستانهٔ لغزش برابرند.
  2. نیروهای وارد بر جسم را در دو راستای افقی و قائم مشخص کنید. نیروی فشاری و نیروی عمودی دیوار افقی‌اند؛ برای تعادل قائم، کدام نیروها باید یکدیگر را خنثی کنند؟
  3. تا آستانهٔ لغزش، شتاب قائم صفر است. معادلهٔ تعادل قائم را بنویسید و بررسی کنید آیا نیروی فشاری در آن حضور دارد؛ سپس تغییر ظرفیت بیشینهٔ اصطکاک را از تغییر خود اصطکاک جدا کنید.

فیزیک ۳ (ریاضی) · فصل ۲: دینامیک و حرکت دایره‌ای

سوال‌های رسمی دیگر کنکور تجربی از همین فصل:

فصل «دینامیک و حرکت دایره‌ای» را در پنل یادگیری تمرین کن

در پنل یادگیری 1xAi سوال‌هایی مثل همین را جواب می‌دهی و جوابت ثبت می‌شود؛ پیش از دیدن پاسخ، سه راهنمایی پله‌پله داری و معلم هوشمند بی‌آن‌که جواب را لو بدهد کمکت می‌کند. تمرین و آزمون رایگان است؛ معلم هوشمند هم سهمیهٔ روزانهٔ رایگان دارد.

ساختن حساب رایگان است و بعد از ثبت‌نام مستقیم به همین بخش از پنل برمی‌گردی.

فیزیک · ریاضی ۱۴۰۵