گام به گام پرسش ها و مسئله های فصل 3 صفحه 104 درس 3 فیزیک (2) رشته ریاضی (مغناطیس)

1) با توجه به جهت گیری عقربه های مغناطیسی در شکل زیر، قطب های آهنربای میله ای و جهت خط های میدان مغناطیسی را تعیین کنید.

2) شکل زیر، خط های میدان مغناطیسی را در نزدیکی دو آهنربای میلهای نشان می دهد.
الف) دربارهٔ میدان مغناطیسی در نقطه A چه می توان گفت؟
ب) با رسم شکل نشان دهید عقربه قطب نما در نقطه های B و C به ترتیب در کدام جهت قرار می گیرد؟

پ) اگر مانند شکل زیر یکی از آهنرباها را بچرخانیم تا جای قطب های آن عوض شود، خط های میدان مغناطیسی را در ناحیه نقطه چین رسم کنید.

3) الف) آهنربای میله ای با قطب های نامشخص در اختیار داریم. دست کم دو روش را برای تعیین قطب های این آهنربا بیان کنید.
ب) خط های میدان مغناطیسی بین دو آهنربا در شکل زیر نشان داده شده است. اندازه میدان مغناطیسی را در نزدیکی قطب های آهنرباها با هم مقایسه کنید.

4) کودکی یک قطعه کوچک آهنی را بلعیده است. پزشک می خواهد آن را با دستگاه شکل زیر بیرون بیاورد.

الف) هنگامی که آهنربای دائمی به نوک ثابت آهنی نزدیک می شود چه اتفاقی می افتد؟
ب) ساختن نوک ثابت آهن چه مزیتی دارد؟
پ) این وسیله را باید به درون گلوی کودک وارد و به سوی فلز بلعیده شده هدایت کرد؛ چرا غلاف باید انعطاف پذیر باشد؟
ت) پزشک می خواهد یک گیره آهنی کاغذ و یک واشر آلومینیومی را از گلوی کودک بیرون بیاورد؛ کدام یک را می توان بیرون آورد؟ چرا؟

5) چهار ذره هنگام عبور از میدان مغناطیسی درون سو مسیرهایی مطابق شکل زیر می پیمایند. درباره نوع بار هر ذره چه می توان گفت؟

6) جهت نیروی مغناطیسی وارد بر بار مثبت را در هریک از حالت های نشان داده در شکل زیر تعیین کنید.

7) نیروی مغناطیسی F وارد بر الکترونی که در میدان مغناطیسی B در حرکت است، در شکل زیر، نشان داده شده است. فرض کنید راستای حرکت الکترون بر میدان مغناطیسی عمود است؛ در هریک از حالت های نشان داده شده جهت سرعت الکترون را تعیین کنید.

8) حلقه رسانای مستطیل شکلی که حامل جریان I است، مطابق شکل درون میدان مغناطیسی یکنواخت می چرخد. جهت جریان را در حلقه تعیین کنید.

9) پروتونی با تندی ⁶10 × 4/4 متر بر ثانیه درون میدان مغناطیسی یکنواختی به اندازهٔ 18mT در جرکت است. جهت حرکت پروتون با جهت B ، زاویه 60 درجه می سازد.

الف) اندازهٔ نیروی وارد بر این پروتون را محاسبه کنید.
ب) اگر تنها این نیرو بر پروتون وارد شود، شتاب پروتون را حساب کنید. (بار الکتریکی پروتون ^19-10 × 1/6 کولن و جرم آن ^27-10 × 1/7 را در نظر بگیرید.)

10) الکترونی با تندی 10⁵ × 4/4 درون میدان مغناطیسی یکنواختی در حرکت است.اندازه نیرویی که از طرف میدان مغناطیسی بر این الکترون وارد می شود، هنگامی بیشینه است که الکترون به سمت جنوب حرکت کند.

الف) اگر جهت ایـن نیروی بیشینه، رو به بالا و اندازه آن برابر ^12-10 × 6/8 باشد، اندازه و جهت میدان مغناطیسی را تعیین کنید.

ب) اندازه میدان الکتریکی چقدر باشد تا همین نیرو را ایجاد کند؟

11) ذرهٔ باردار مثبتی با جرم ناچیز و با سرعت v در امتداد محور x وارد فضایی می شود که میدان های یکنواخت E و B وجود دارد (شکل زیر). اندازه این میدان ها برابر E=450N/C و B=0/18T است. تندی ذره چقدر باشد تا در همان امتداد محور x به حرکت خود ادامه دهد؟

12) جهت نیروی الکترومغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان را در هر یک از شکل های الف، ب و پ با استفاده از قاعده دست راست بیابید.

13) یک میله رسانا به پایانه های یک باتری وصل شده و مطابق شکل در فضای بین قطب های یک آهنربای C شکل آویزان شده است و می تواند آزادانه نوسان کند. با بستن کلید  K، چه اتفاقی برای میله رسانا رخ می دهد؟ توضیح دهید.

14) سیم رسانای CD به طول 2m مطابق شکل زیر عمود بر میدان مغناطیسی درون سو با اندازه 0/5T قرار گرفته است؛ اگر اندازهٔ نیروی مغناطیسی وارد بر سیم برابر 1Nباشد، جهت و مقدار جریان عبوری از سیم را تعیین کنید.

15) یک سیم حامل جریان 1/6 آمپر مطابق شکل زیر با دو نیروسنج فنری که به دو انتهای آن بسته شده اند، به طور افقی و در راستای غرب ـ شرق قرار دارد. میدان مغناطیسی زمین را یکنواخت، به طرف شمال و اندازه 0/05mT بگیرید.

الف) اندازهٔ نیروی مغناطیسی وارد بر هر متر این سیم را پیدا کنید.

ب) اگر بخواهیم نیروسنج ها عدد صفر را نشان دهند، چه جریانی و در چه جهتی باید از سیم عبور کند؟ جرم هر متر از طول این سیم 8 گرم است (g=9/8N/kg)

16) یک آهنربای میله ای مطابق شکل زیر، بالای سیملوله ای آویزان شده است. توضیح دهید با بستن کلید K چه تغییری در وضعیت آهنربا رخ می دهد.

17) کدام باتری را در مدار شکل زیر قرار دهیم تا پس از بستن کلید K ، عقربه قطب نما که روی سیم قرار دارد، در خلاف جهت حرکت عقربه های ساعت شروع به چرخش کند؟ دلیل انتخاب خود را توضیح دهید.

18) کدام باتری را در مدار شکل زیر قرار دهیم تا آهنربای میله ای آویزان شده به طرف سیملوله جذب شود؟ دلیل انتخاب خود را توضیح دهید.

19) شکل زیر، دو سیم موازی و بلند حامل جریان را نشان می دهد. اگر میدان مغناطیسی برایند حاصل از این سیم ها در نقطه A صفر باشد، جهت جریان آن را در سیم 2 پیدا کنید.

20) سیملوله ای شامل 250 حلقه است که دور یک لوله پلاستیکی توخالی به طول 0.14 متر پیچیده شده است. اگر جریان گذرنده از سیملوله 0/8A باشد، اندازه میدان مغناطیسی درون سیملوله را حساب کنید.

21) در شکل زیر دو سیملوله P و Q هم محورند و طول برابر دارند. تعداد دور سیملوله  P برابر 200 و تعداد دور سیملوله  Qبرابر 300 است. اگر جریان 1A از سیملوله Q عبور کند، از سیملوله P چه جریانی باید عبور کند تا برایند میدان مغناطیسی ناشی از دو سیملوله در نقطه  M(روی محور دو سیملوله) صفر شود؟

22) شکل الف حوزه های مغناطیسی ماده فرومغناطیسی را درون میدان خارجی B نشان می دهد. شکل ب همان ماده را پس از حذف میدان B نشان می دهد. نوع ماده فرومغناطیسی را با ذکر دلیل تعیین کنید.

23) با توجه به آنچه در بخش ویژگی های مغناطیسی مواد دیدید، نقشه مفهومی زیر را کامل کنید.

1) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

2) الف)

1- با نخ آویزان کردن

آهن ربا را با نخ آویزان می کنیم پس از چند نوسان در امتداد شمال و جنوب جغرافیایی می ایستد قطبی که طرف شمال را نشان می دهد N و طرف دیگر S است.

2- استفاده از یک آهنربا با قطب معلوم

آهنربایی که قطب های مشخص دارد به آن نزدیک و از روی تاثیر قطب های N  و S بر یکدیگر قطب های آهن ربا مشخص می شود.

ب) چون تعداد خطوط و تراکم خطوط میدان مغناطیسی اطراف آهن ربای 2 بیشتر از تذاکم خطوط میدان آهن ربای 1 است پس B₂>B₁  است.

3) الف) 1- آهنربایی با قطب های مشخص را به یکی از قطب های آن نزدیک می کنیم. اگر جاذبه ایجاد شد، قطب ها ناهمنام و اگر دافعه ایجاد شد قطب ها همنام هستند.

2- آهنربا را از وسط با نخی آویزان می کنیم. پس از مدتی آهنربا در راستای شمال – جنوب مغناطیسی طمین قرار می گیرد. طرف رو به شمال N و سمت دیگر S است.

ب) چون هر قدر خطوط میدان مغناطیسی متراکم تر باشند، میدان مغناطیسی قوی تر است. بنابراین میدان مغناطیسی در نزدیکی قطب S آهنربای 2 قوی تر است.

4) الف) در اثر القای مغناطیسی، نوک ثابت آهنی، آهن ربا می شود.

ب) نوک ثابت از جنس آهنی، با نزدیک کردن آهن ربای دائمی به آن سریعا خاصیت مغناطیسی پیدا می کند و با دور کردن آهن ربای دائمی خاصیت آهن ربایی خود را به سرعت از دست می دهد.

پ) چون مجرای گوارشی انحنا دارد، این غلاف باید بتواند بدون آسیب به این مجرا وارد آن شود،در نتیجه باید انعطاف پذیر باشد.

ت) گیره آهنی کاغذ از جنس فرومغناطیس نرم است ، زود آهن ربا شده و جذب نوک ثابت آهنی می شود و بیرون کشیده می شود ولی آلومینیم پارا مغناطیس است و نمی توان به سهولت خاصیت مغناطیسی در آن القا کرد و به میدان مغناطیسی بسیار قوی نیاز است پس با این روش جذب نوک ثابت نخواهد شد.

5) با توجه به قانون دست راست نوع بار ذره 1 مثبت، نوع بار ذره 2 منفی،چون ذره 3 انحرافی ندارد خنثی است و نوع بار ذره 4 منفی است.

6) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

7) چون بار ذره منفی است، برای تعیین جهت سرعت می توان از قاعده دست جپ استفاده کرد. (شست دست چپ طوری در جهت F قرار می گیرد که میدان از کف دست خارج شود.)

8) چرخش حلقه به دلیل نیروی وارد بر هر یک از سیم های افقی حلقه است. (سیم هایی که جریان در آنها عمود بر راستای میدان است). طبق قاعده دست راست (اگر شست دست طوری در جهت نیرو قرار گیرد که میدان از کف دست خارج شود، چهار انگشت جهت جریان را نشان می دهد)، جریان در حلقه، پادساعتگرد است.

9) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

الف)

ب)

10) الف)

چون بار الکتریکی منفی است برای تعیین جهت میدان از قاعده دست چپ می توان استفاده کرد : شست دست چپ طوری در جهت نیرو قرار گیرد که چهار انگشت در جهت حرکت باشد، در این صورت باید میدان از کف دست خارج شود، بنابراین جهت میدان به سمت غرب است.

ب)

11) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

12) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

13) با بستن کلید، با توجه به قطب های باتری جریان ساعتگرد در مدار برقرار می شود. بنابراین به میله حامل جریان در میدان مغناطیسی آهنربا، طبق قاعده دست راست، نیرویی به سمت خارج از آهنربا وارد و آن را به سمت بیرون منحرف می کند.

14) اگر شست دست راست طوری در جهت نیرو قرار دهیم که میدان از کف دست خارج می شود، چهار انگشت جهت جریان را نشان می دهد. بنابراین جهت جریان از به D به C است.

15) الف)

ب)

عبور چنین جریان بزرگی از چنین سیم در عمل امکان پذیر نیست. بنابراین،نمی توان انتظار داشت نیروسنج ها عدد صفر را نشان دهند.

16) با وصل کردن جریان ایجاد شده در سیملوله به سمت چپ بوده و با توجه به قانون دست راست قطب های ناهمنام سیملوله مجاور قطب های آهن ربای میله ای قرار می گیرد، که در این وضعیت قطب N آهن ربای میله ای به سمت پایین کشیده می شود.

17) عقربه قطب نما همواره در جهت میدان مغناطیسی قرار می گیرد. برای اینکه عقربه به طرف چپ بچرخد، باید میدان مغناطیسی بر روی سیم به طرف چپ باشد. برای ایجاد چنین میدانی (طبق قاعده دست راست) جریان سیم باید رو به پایین باشد. این جریان توسط باتری A ایجاد می شود.

18) باتری A زیرا با قرار دادن باتری A در مدار، میدان مغناطیسی از راست به چپ درون سیملوله ایجاد می شود، بنابراین سمت راست سیملوله قطب S و سمت جپ قطب N دارد. جاذبه بین قطب های ناهمنام سبب جذب آهنربا به طرف سیملوله خواهد شد.

19) برای اینکه میدان مغناطیسی برایند در نقطه A صفر شود، باید میدان مغتاطیسی سیم های 1 و 2 در نقطه A در خلاف جهت هم باشند. میدان سیم 1 در نقطه A درون سو است، پس باید میدان سیم 2 در نقطه A برون سو باشد. بنابراین جریان سیم 2 از راست به چپ (در خلاف جهت جریان سیم 1) است.

20) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

21)

22) شکل الف و ب، ماده فرومغناطیسی نرم

زیرا بلافاصله بعد از حذف میدان خارجی علاوه بر کاهش حجم حوزه ها جهت میدان حوزه ها به حالت کاتوره ای خود برمیگردند در نتیجه برآیند میدان ها در این مواد صفر شده و دیگر خاصیت آهن ربایی ندارند.

23) پاسخ به صورت زیر خواهد بود: