سوال ۶۷ · فیزیک
کنکور ریاضی ۱۴۰۵ · سوال ۶۷ · کلید رسمی سازمان سنجش
فیزیک · فیزیک ۲ (ریاضی) · فصل ۴: القای الکترومغناطیسی و جریان متناوب
حلقهٔ مسی به قطر روی میزی قرار دارد. یک میدان مغناطیسی یکنواخت که از درون حلقه میگذرد و با خط عمود بر سطح حلقه زاویه ۶۰ درجه میسازد، در مدت از صفر تا تغییر میکند. بزرگی نیروی محرکهٔ القایی متوسط در حلقه چند ولت است؟
نمایش پاسخ و پاسخ تشریحی
پاسخ درست: گزینهٔ ۴ (کلید رسمی سازمان سنجش)
پاسخ تشریحی
گام اول: رابطهٔ مناسب را بنویسیم.
طبق تعریف شار مغناطیسی، است و زاویهٔ میدان با خط عمود بر سطح حلقه است (فیزیک ۲ ریاضی، صفحهٔ ۱۱۱). بنابراین در این سؤال است و نیازی به گرفتن زاویهٔ مکمل نداریم.
از قانون فاراده برای یک حلقه، بزرگی نیروی محرکهٔ القایی متوسط برابر است با (فیزیک ۲ ریاضی، صفحهٔ ۱۱۵). چون مساحت و زاویه ثابتاند، داریم:
.
گام دوم: مساحت حلقه و دادهها را در یکاهای SI به دست آوریم.
قطر حلقه است؛ پس شعاع آن برابر است با:
.
بنابراین:
.
با توجه به و صفر بودن میدان اولیه:
.
بازهٔ زمانی نیز برابر است با:
.
گام سوم: جایگذاری کنیم.
با استفاده از داریم:
.
در نگارش گزینهها، ممیز با علامت «/» نمایش داده شده است؛ بنابراین مقدار بهدستآمده با گزینهٔ چهارم مطابقت دارد. مسی بودن حلقه در محاسبهٔ نیروی محرکه نقشی ندارد؛ برای محاسبهٔ جریان القایی است که مقاومت حلقه اهمیت پیدا میکند.
پاسخ: گزینهٔ ۴
چرا گزینههای دیگر نادرستاند
- گزینهٔ ۱: این گزینه میتواند حاصلِ دو خطا باشد: بهکاربردن سینوس بهجای کسینوس زاویه و استفاده از مساحتِ دوبرابر مقدار درست. زاویهٔ دادهشده با خط عمود بر سطح است؛ پس باید از و مساحت استفاده کرد.
- گزینهٔ ۲: اگر بهاشتباه بهجای از استفاده کنید، این گزینه به دست میآید. در تعریف شار، زاویه با خط عمود بر سطح سنجیده میشود، نه با خود سطح حلقه.
- گزینهٔ ۳: با حذف عامل ، این گزینه به دست میآید. این کار به معنای فرضِ عمود بودن میدان بر سطح حلقه است، درحالیکه میدان با خط عمود بر سطح زاویه دارد.
راهنمایی قدمبهقدم (پیش از دیدن پاسخ)
- تعریف شار مغناطیسی و قانون فاراده را مرور کنید؛ در این مسئله مساحت و جهت حلقه ثابتاند و تنها میدان تغییر میکند. دقت کنید زاویهٔ تعریف شار با خط عمود بر سطح است (فیزیک ۲ ریاضی، صفحهٔ ۱۱۱).
- برای حلقهٔ تکدور از استفاده کنید. پیش از جایگذاری، قطر را نصف کنید و همهٔ دادهها را به یکاهای SI ببرید.
- مقادیر لازم عبارتاند از ، و . این مقادیر را همراه با در رابطهٔ نیروی محرکه قرار دهید.