سوال ۵۹ · فیزیک
کنکور ریاضی ۱۴۰۵ · سوال ۵۹ · کلید رسمی سازمان سنجش
فیزیک · فیزیک ۲ (ریاضی) · فصل ۱: الکتریسیتهٔ ساکن
این سوال در دفترچه شکل دارد؛ اینجا شکل بهصورت متنی توصیف شده است.
در شکل زیر، بارهای الکتریکی نقطهای یکسان در رأسهای مربعی قرار دارند. نیروی الکتریکی خالص که بر وارد میشود، چند برابر نیروی الکتریکی است که بر وارد میکند؟
شکل: مربعی که سه رأس آن بار نقطهای یکسان دارند: در رأس پایین چپ، در رأس بالا چپ، در رأس بالا راست. رأس پایین راست خالی است.
نمایش پاسخ و پاسخ تشریحی
پاسخ درست: گزینهٔ ۱ (کلید رسمی سازمان سنجش)
پاسخ تشریحی
ضلع مربع را و مقدار هر یک از بارهای یکسان را مینامیم.
گام اول: نیروهای وارد بر را تعیین میکنیم.
طبق اصل برهمنهی، نیروی خالص وارد بر یک بار، جمع برداری نیروهایی است که بارهای دیگر بهطور جداگانه بر آن وارد میکنند (فیزیک ۲ (ریاضی)، صفحهٔ ۸).
بارها همناماند؛ بنابراین نیروی بر رو به بالا و نیروی بر رو به چپ است. فاصلهٔ هر یک از این دو بار تا برابر است؛ پس با استفاده از قانون کولن، اندازهٔ هر دو نیرو برابر است با:
کاربرد قانون کولن برای محاسبهٔ جداگانهٔ نیروها در مثال کتاب نیز آمده است (فیزیک ۲ (ریاضی)، صفحهٔ ۹).
گام دوم: اندازهٔ نیروی خالص وارد بر را مییابیم.
این دو نیرو عمود برهماند؛ بنابراین مانند روش مثال نیروهای عمود برهم در کتاب، اندازهٔ برایند را با رابطهٔ فیثاغورس حساب میکنیم (فیزیک ۲ (ریاضی)، صفحههای ۹–۱۰):
گام سوم: نیرویی را که بر وارد میکند محاسبه میکنیم.
فاصلهٔ این دو بار، قطر مربع است:
پس طبق قانون کولن:
گام چهارم: نسبت خواستهشده را تشکیل میدهیم.
پاسخ: گزینهٔ ۱
چرا گزینههای دیگر نادرستاند
- گزینهٔ ۲: این گزینه از مقایسهٔ نیروی خالص با نیروی بین دو بارِ مجاور به دست میآید. اما نیروی مبنای سؤال بین و است که روی قطر مربع قرار دارند و نیروی بین آنها نصف نیروی بین دو بارِ مجاور است.
- گزینهٔ ۳: ممکن است دانشآموز فقط نسبت نیروی بین دو بارِ مجاور به نیروی بین دو بارِ قطری را حساب کند و اثر یکی از نیروهای وارد بر را نادیده بگیرد. در حالی که باید برایند هر دو نیروی عمود برهم را محاسبه کرد.
- گزینهٔ ۴: این نتیجه با جمع جبری اندازهٔ دو نیروی وارد بر به دست میآید. چون این دو نیرو عمود برهماند، اندازهٔ برایند از رابطهٔ فیثاغورس به دست میآید، نه از جمع اندازهها.
راهنمایی قدمبهقدم (پیش از دیدن پاسخ)
- قانون کولن و اصل برهمنهی نیروها را مرور کن؛ نیروی خالص، جمع برداری نیروهای وارد بر بار است، نه لزوماً جمع اندازهٔ آنها (فیزیک ۲ (ریاضی)، صفحههای ۸ و ۹).
- ضلع مربع را بگیر. دو نیروی وارد بر هماندازه و عمود برهماند، اما فاصلهٔ تا برابر قطر مربع، یعنی است.
- اگر اندازهٔ نیروی بین دو بارِ مجاور را بنامی، نیروی خالص وارد بر برابر است. اکنون نیروی بین دو بارِ قطری را با قانون کولن برحسب بنویس و نسبت خواستهشده را تشکیل بده.