سوال ۶۱ فیزیک کنکور تجربی ۱۴۰۳ نوبت دوم با پاسخ تشریحی

۱. جهت حرکت و تغییر انرژی را مشخص می‌کنیم. صفحهٔ بالایی مثبت و صفحهٔ پایینی منفی است؛ پس میدان الکتریکی رو به پایین است. چون بار ذره منفی است، نیروی الکتریکی خلاف جهت میدان، یعنی رو به بالا خواهد بود (فیزیک ۲، صفحهٔ ۱۸–۱۹). در حرکت آزاد ذره، نیروی الکتریکی کار مثبت انجام می‌دهد؛ بنابراین طبق رابطهٔ $\Delta U=-W_{\mathrm E}$، انرژی پتانسیل الکتریکی کاهش می‌یابد (فیزیک ۲، صفحهٔ ۲۰–۲۱).

۲. فاصلهٔ طی‌شده را به دست می‌آوریم. فاصلهٔ دو صفحه $2\,\mathrm{cm}=20\,\mathrm{mm}$ است و نقطهٔ $A$ از صفحهٔ پایینی $5\,\mathrm{mm}$ فاصله دارد. پس فاصلهٔ آن تا صفحهٔ بالایی برابر است با:
$d=20-5=15\,\mathrm{mm}$

۳. اختلاف پتانسیل مسیر را محاسبه می‌کنیم. میدان بین صفحات موازی یکنواخت است (فیزیک ۲، صفحهٔ ۱۸–۱۹)؛ بنابراین اختلاف پتانسیل با فاصله در راستای عمود بر صفحات متناسب است. اختلاف پتانسیل کل صفحات $20\,\mathrm{V}$ است، پس:
$\Delta V=V_{\text{بالا}}-V_A=\dfrac{15}{20}\times20=15\,\mathrm{V}$
علامت این اختلاف مثبت است، زیرا صفحهٔ بالایی پتانسیل بیشتری دارد؛ مقایسهٔ پتانسیل صفحات در میدان یکنواخت در مسئلهٔ مربوط به صفحات موازی نیز مطرح شده است (فیزیک ۲، صفحهٔ ۳۷–۳۸).

۴. تغییر انرژی پتانسیل را حساب می‌کنیم. با استفاده از رابطهٔ $\Delta U=q\Delta V$ داریم:
$\Delta U=(-5\times10^{-3}\,\mathrm{C})(15\,\mathrm{V})=-75\times10^{-3}\,\mathrm{J}=-75\,\mathrm{mJ}$
پس انرژی پتانسیل الکتریکی ذره به اندازهٔ $75\,\mathrm{mJ}$ کاهش می‌یابد. توجه کنید که افزایش پتانسیل الکتریکی برای بار منفی، به معنای کاهش انرژی پتانسیل است.

پاسخ: گزینهٔ ۳