کتاب کار فیزیک و آزمایشگاه

Transcript

1 کتاب کار فیزیک و آزمایشگاه رشتۀ کامپیوتر زمینۀ خدمات شاخۀ متوسط فنی و حرفه ای شمارۀ درس: 4303 عنوان و نام پدیدآور: کتاب کار فیزیک و آزمایشگاه ]کتابهای درسی[: رشتۀ کامپیوتر زمینۀ خدمات/ برنامه ریزی محتوا و نظارت بر تألیف دفتر برنامه ریزی و تألیف آموزش های فنی و حرفه ای کاردانش مؤلف روح اهلل خلیلی بروجنی ]برای[ وزارت آموزش و پرورش سازمان پژوهش و برنامه ریزی آموزشی. مشخصات نشر: تهران: گویش نو مشخصات ظاهری: 96 ص.: مصور )بخشی رنگی(. فروست: شاخۀ متوسطۀ فنی و حرفه ای شمارۀ درس 12/359. شابک: وضعیت فهرست نویسی: فیپا موضوع: فیزیک موضوع: فیزیک -- آزمایش ها شناسۀ افزوده: خلیلی روح اهلل شناسۀ افزوده: سازمان پژوهش و برنامه ریزی آموزشی. دفتر برنامه ریزی درسی آموزش های فنی و حرفه ای و کاردانش شناسۀ افزوده: سازمان پژوهش و برنامه ریزی آموزشی رده بندی کنگره: 2742 ک/ QC رده بندی دیویی: 359/12 ک شمارۀ کتابشناسی ملی:

2 جمهوری اسالمی ایران وزارت آموزش و پرورش سازمان پژوهش و برنامه ریزی آموزشی همكاران محترم و دانشآموزان عزیز: پیشنهادها و نظرهای خود را دربارۀ محتواي این کتاب به نشاني تهران صندوق پستي شمارۀ 4874/15 دفتر برنامهریزي و تألیف آموزشهاي فني و حرفهاي و کاردانش ارسال فرمایند. پیامنگار )ایمیل( وبگاه )وبسایت( برنامهریزي محتوا و نظارت بر تألیف: دفتر برنامهریزی و تألیف آموزشهای فنی و حرفهای و کاردانش عنوان و کدکتاب: فیزیک و آزمایشگاه 359/12 مجری: انتشارات گویش نو مؤلف: روح اهلل خلیلی بروجنی صفحهآرا: غزاله کشمیری طراح جلد: محمدحسن معماری نوبت و سال چاپ: دوم 1391 ناشر: انتشارات گویش نو )تهران: خیابان انقالب - خیابان فخر رازی - خیابان وحید نظری شرقی - پالک 61 تلفن: ( 50 وبسایت چاپ: شرکت افست»سهامی عام«) نظارت بر چاپ و توزیع: ادارۀ کل چاپ و توزیع کتابهای درسی سازمان پژوهش و برنامهریزی آموزشی تهران ایرانشهر شمالی ساختمان شمارۀ 4 آموزش و پرورش )شهید موسوی( تلفن: دورنگار: کد پستی: وبسایت حق چاپ محفوظ است. ISBN: شابک:

3 شما عزیزان کوشش کنید که از این وابستگی بیرون آیید و احتیاجات کشور خودتان را برآورده سازید از نیروی انسانی ایمان خودتان غافل نباشید و از ات کای به اجانب بپرهیزید. امام خمینی «قد س سر ه الش ریف»

4 فصل 1 یکاها کمیت های فیزیکی و بردارها 9 استانداردها و یکاها 9 دستگاه بین المللی یکاها 12 پیشوندها و تبدیل یکاها 16 بردارها و جمع بردارها 19 آزمون تشریحی 21 آزمون چند گزینهای فصل 2 بار الکتریکی و میدان الکتریکی 25 بار الکتریکی 27 خواص الکتریکی ماده 29 باردار ساختن ماده 31 قانون کولن 34 میدان الکتریکی 39 انرژی پتانسیل الکتریکی 43 خازن 47 آزمون تشریحی 50 آزمون چند گزینهای فصل 3 جریان الکتریکی مقاومت الکتریکی و مدارهای الکتریکی 55 جریان الکتریکی 58 مقاومت و مقاومت ویژهی الکتریکی 63 نیروی محرکهی الکتریکی 66 مدارهای الکتریکی 72 آزمون تشریحی 75 آزمون چند گزینهای

5 فصل 4 مغناطیس و کاربردهای آن 81 آهنربا و قطب های مغناطیسی 82 میدانهای مغناطیسی 84 الکترومغناطیس 88 تولید الکتریسیته 91 آزمون تشریحی 94 آزمون چند گزینهای

6 آموزان دانش با سخنی الف( کامپيوتر ی رشته آزمايشگاه و فیزیک درس آموزش در شما واقعی نیاز به پاسخ در دارید پیشرو در که کتابی شوقانگیزتر و عمقبخشیدن به درسی کتاب کنار در که کتابهایی وجود امروزه است. شده تألیف و برنامهریزی کتاب محدودیتهای لحاظ به رسانند یاری را شما درسی ی برنامه هدفمند پشتیبانی همچنین و یادگیری کردن ابتدای در شما درس همچون و نهاده فراتر هم این از را پا دنیا کشورهای از بسیاری حتی است. ضرورت یک درسی سال طی را او آموزشی نیازهای تمام که میدهند قرار دانشآموز هر اختیار در آموزشی ی بسته یک تحصیلی سال میدهد. پوشش تحصیلی کتاب ساختار بخش هر کليدی مفاهیم به توجه ضمن است شده طراحی کارآمد و جديد ساختاری با که کتاب این فصل هر در طراحی متنوعی های شیوه به که است آمده مسئلههایی و پرسشها آن پی در و است آمده شده حل مثالهای تعدادی ديگری و تشريحی يکی آزمون دو نيز فصل هر پايان در است. شده گرفته نظر در نيز ها آن پاسخ برای محلی و شده است. شده ديده تدارک شما برای ای گزينه چند باهمکاران سخنی ب( به منجر که کوششی هر از راه این در عزیز همکاران است امید میسازد. را فردا دنیای امروز درس کالسهای فعالیتهای شک بدون نورزند. دریغ میشود آموزش فرایند در دانشآموزان مشارکت و یادگیری شدن شوقانگیزتر رهنمون مفاهیم عمیقتر و بهتر درک به را آنها آنکه ضمن درس کالسهای در دانشآموزان مشارکتی و جمعی تعامل خود پیرامون دنیای با بهتری نگرش با و یافته پرورش آنها مختلف مهارتهای که میشود باعث میکند داشتن کالم یک در یا و بینش و مهارت دانش امروز پرشتاب و پرحجم دنیای در آن ابزار که تعاملی باشند داشته است. خرد توجه ضمن درسی کتاب کنار در بتواند که کتابی تألیف و برنامهریزی میدانید که همانطور محترم همکاران ار شما درس کالسهای فعالیتهای و کند پشتیبانی را درسی ی برنامه درست و اصیل هدفهای واقعیتها به این مؤلف که دارد فراوانی کوشش و دانش تجربه تعامل به نیاز ببرد پیش به آسانتر و لذتبخشتر هدفمندتر برای شما پیشنهادهای و نقد پذیرای من ت سر از گذشته همچون و کوشیدهاست راه این در خود وسع قدر به کتاب است. آن احتمالی لغزشهای رفع و کتاب این کیفیت بهبود کتاب کنار در کالس در استفاده برای را آن که است شده ایعمل شیوه به کتاب این ریزی برنامه در عزیز همکاران کی فعالیتهای منظر از بلکه دانشآموزان جایگاه از تنها نه درس کالس از خارج فعالیتهای همچنین و درسی مستقیم تأثیر کتاب این از استفاده ی نحوه در شما درس کالسهای وضعیت تردید بدون است. کرده آسان نیز معلم برنامهریزی درسی کتاب ی برنامه بر مبتنی فعال آموزشی برای نیاز مورد لوازم است شده تالش کتاب این در دارد. شود. تألیف و بروجنی خلیلی روحاهلل 1390 ماه تير

7 یکاها کمیت های فیزیکی و بردارها 1 در اين فصل: استانداردها و یکاها دستگاه بینالمللی یکاها پیشوندها و تبدیل یکاها بردارها و جمع برداری آزمون تشریحی آزمون چند گزینهای

8

9 9 آزمایشگاه و فیزیک یکاها و استانداردها 1-1 میشود. نامیده فیزیکی کمیت میرود کار به فیزیکی پدیدهی یک کمی توصیف برای که عددی هر بخش این در میکنیم. اندازهگیری استاندارد یک با مقایسه راه از و خودش مخصوص یکاهای با را فیزیکی کمیت هر باشند. مختلف مکانهای در تولید باز قابلیت دارای و کنند تغییر نباید اندازهگیری یکاهای و اصلی کمیت میشود تعریف مستقل بهطور آنها یکای که فیزیکی کمیتهای از دسته آن به مینامند. اصلی یکاهای را آن یکاهای میکنیم تعریف اصلی کمیتهای و فیزیکی قانونهای کمک به را آنها یکای که کمیتهایی سایر به مینامند. فرعی یکاهای را آنها یکاهای و فرعی کمیتهای یکاها بینالمللی دستگاه 2-1 بخش این در بینالمللی دستگاه نام با میبرند کار به جهان سراسر در مهندسان و علوم دانشمندان که یکاهایی دستگاه میشود. خوانده SI یا هستند. SI اصلی کمیتهای جمله از جرم و طول زمان میشود. تعیین اتمی ساعتهای عملکرد براساس و است ثانیه SI در زمان یکای زمانی بازهی در نور که است فاصلهای برابر و است متر SI در طول یکای میپیماید خأل در ثانیه پالتین جنس از استوانهای جرم SI در )1kg( جرم استاندارد و است کیلوگرم SI در جرم یکای میشود. نگهداری پاریس نزدیکی در موزهای در که است ایریدیوم شده حل مثال است الکترون برابر چند پروتون هر جرم است. 10 9/11-31 kg الکترون جرم و 10 1/67-27 kg پروتون جرم نوشت: میتوان دهیم نشان m p با را پروتون جرم و m e با را الکترون جرم اگر حل: mp me / kg = / kg هر جرم درصد 99 از بیش که است معنی این به و است سنگینتر الکترون هر از مرتبه 1833 پروتون هر یعنی است. متمرکز آن هستهی در اتم

10 10 کار کتاب هر در انسان قلب است. 0/8s انسان قلب تپش دو بین متوسط زمان درسی کتاب 2-1 جدول به توجه با میتپد بار چند تقریبا ثانیه با: است برابر سال هر در قلب تپشهای تعداد بنابراین است ثانیه 10 3/1 7 سال هر حل: 7 3/1 10 s = /8s 26 شده حل مثال شده حل مثال کنید. پیدا را طول کمترین به طول بیشترین نسبت و کنید مراجعه درسی کتاب 3-1 جدول به و m برابر که است کیهان اندازهی به مربوط طول بیشترین 3-1 جدول به توجه با حل: است m برابر و پروتون شعاع به مربوط طول کمترین با: است برابر طول کمترین به طول بیشترین نسبت ترتیب این به m m = میتپد. بار میلیون 40 حدود سال یک در انسان هر قلب یعنی نسبت و کنید مراجعه درسی کتاب 2-1 جدول به 1. آورید. دست به را زمان بیشترین به زمان کمترین دیده زمین از که هستند اجرامی دورترین کوازارها 2. قرار کیهان دید قابل لبهی در عبارتی به و شدهاند m حدود زمین از کوازارها فاصلهی دارند. است نوری سال چند برابر فاصله این است. شده برورد کنید.( توجه درسی کتاب 2-1 مثال به )راهنمایی:

11 فیزیک و آزمایشگاه سال )2007( 1386 به مناسبت هشتصدمین سال تولد جاللالدین محمد بلخی از طرف سازمان علمی فرهنگی یونسکو سال موالنا نامگذاری شد. هشتصد سال چه کسری از سن زمین است )از جدول 2-1 کتاب درسی استفاده کنید.( 4. سریعترین رشد گیاه متعلق به گیاهی موسوم به hesperoyucca است که در 14 روز m 3/7 رشد میکند )شکل 1-1(. این گیاه در هر ثانیه چهقدر رشد میکند شکل 1-1 )H 2.5 در 6g آب عدد مولکول آب O( وجود دارد. جرم یک مولکول آب چند گرم است 6. قدیمیترین سنگ نوشتهی حقوق بشر که تا کنون یافت شده به حدود 2550 سال پیش باز میگردد که به فرمان کورش پادشاه ایران در دورهی هخامنشیان نوشته شد )شکل 2-1 (. چند روز از آن زمان میگذرد شکل 2-1

12 کار کتاب 12 یکاها تبدیل و پیشوندها 3-1 شده حل مثال شده حل مثال شده حل مثال بخش این در میشوند. مربوط اصلی یکاهای به 1 10 ای 10 مضربهای با کوچکتر و بزرگتر یکاهای SI در است. ارتباطات و رایانه در اطالعات بنیادی یا پایه یکای بیت حل: میشود. گفته بایت بیتها از تایی 8 دستههای به اولیهی اندازهی روش این در میکنیم. استفاده زنجیرهای تبدیل نام به روشی از یکاها تبدیل برای میکنیم. ضرب تبدیل ضریب یک در را کمیت است میکرون چند کیلومتر هر میشود. نامیده میکرون اغلب )μm( میکرومتر داریم: است 10-6 m میکرون هر که این به توجه با حل: 3 3 1µ m 9 1km= 10 m= 10 m = 10 µ m m )ms( میلیثانیه حسب بر نیمعمر این است. 10 1/5-8 s )رادیواکتیو( پرتوزا هستهی یک نیمعمر است چقدر )ps( پیکوثانیه و )ns( ثانیه نانو )μm( ثانیه میکرو ms -5 1/5 10 s = 1/5 10 s = 1/5 10 ms s µ s -2 1/5 10 s= 1/5 10 s = 1/5 10 µ s s ns 1/5 10 s = 1/5 10 s = 15 ns s ps 1/5 10 s = 1/5 10 s = 15000ps s حسب بر را عدد این میریزد. آتش روی آب لیتر 300 دقیقه هر در آتشنشانی ماشین یک لولهی 3 1m 1 lit = cm = cm = 1 0 m cm است cm 3 برابر لیتر هر کنید. بیان m 3 s0/ میآوریم: دست به m 3 حسب بر را لیتر ابتدا حل: با: است برابر 3000 lit/min ترتیب این به 10 m 300 lit / min = 300 = s m s

13 فیزیک و آزمایشگاه 13 شخصی در یک پرهیز)رژیم( غذاییkg 1/8 در هفته جرم خود را از دست میدهد )یا اصطالحا وزن کم میکند(. آهنگ از دست دادن جرم را بر حسب گرم بر ساعت بیان کنید. حل: با توجه به این که هر هفته 168 h و هر کیلوگرم 10 3 گرم است داریم 3 10 کیلو گرم g 1/ 8 = 1/ 8 10 / 7g/h هفته 168h مثال حل شده مثال حل شده قلب شخصی در هر ثانیه 92cm 3 خون تلمبه میکند. اگر حجم خون این شخص 5/5 لیتر باشد چه مدت طول میکشد تا اینکه همهی خون در دستگاه گردش خون یک دور کامل بزند حل: از آنجا که هر لیتر برابر 10 3 cm 3 است داریم: 5/5 lit = 5/ cm 3 زمان الزم برای اینکه این مقدار خون یک دور کامل در دستگاه گردش خون بزند برابر است با: 5/5 10 cm t = 3 92cm / s s 7. اگر جرم 1cm 3 آب 1g باشد جرم 1cm 3 آب 8. جدول زیر را کامل کنید. را برحسب kg پیدا کنید. 3 2/1 10 kg 250 pm 420ms 14 / 3g 2TB 7 1/5 10 km ns Gg nm s µs GB cm µs Eg Tm ps kg MB µs s

14 چند گالون 20 است. 0/264 گالون برابر لیتر هر 9. است m 3 چند و لیتر کار کتاب مسنتر سال چند شما دیگر ثانیهی میلیارد یک 10. است.( روز 365 سال هر کنید )فرض میشوید 14 0/473 را آن محتوای حجم ساالد سس روی برچسب 11. و 1lit = 10 3 cm 3 اینکه به توجه با میکند. اعالم لیتر مکعب اینچ برحسب را حجم این است 1in 2/54= cm در هنوز که است یکایی )in( ]اینچ کنید. بیان )in 3 ( میرود.[ کار به موارد بسیاری هم روی باید را تومانی هزار اسکناس چند 12. ساختن از ارزانتر کار این آیا برسد ماه به تا بگذارید )راهنمایی: میآید در ماه به فضاپیما یک فرستادن و بگذارید هم روی را تومانی هزار اسکناس چند ابتدا همچنین میگیرد جا 1mm در اسکناس چند ببینید و بگیرید.( کیلومتر را ماه تا زمین فاصلهی

15 فیزیک و آزمایشگاه نسبت جرم به حجم هر جسم را»چگالی«آن جسم مینامند. چگالی سرب برابر 11/3 g/cm 3 است. یعنی هر cm 3 سرب جرمی برابر 11/3 گرم دارد. این چگالی بر حسب kg/m 3 چقدر است 14. بزرگترین قطعه ی الماس بریده شده در جهان»اولین ستاره ی افریقا«نام دارد که بر عصای سلطنتی بریتانیا نصب شده است و در برج لندن نگهداری میشود. حجم آن 1/84 اینچ مکعب است. حجم این قطعه برحسب سانتیمتر مکعب چهقدر است برحسب متر مکعب چهقدر است ) 2/54cm )1in = 15. فوت )ft( و مایل )mi( از جمله یکاهای طول هستند که هنوز کاربرد فراوانی دارند. با توجه با اینکه 1ft = 30/48cm و 1mi = 5280ft است هر مایل چند متر و چند کیلومتر است 16. با توجه به جدول 3-1 کتاب درسی ببینید درون خورشید تقریبا چه تعداد زمین را میتوان جای داد

16 16 کتاب کار 4-1 بردارها و جمع برداری در این بخش مثال حل شده مثال حل شده دو کمیت برداری تنها وقتی با هم برابرند که دارای یک بزرگی و در یک جهت باشند. منفی یک بردار را به صورت برداری که دارای همان بزرگی بردار اصلی ولی در جهت مخالف آن است تعریف میکنیم. بزرگی یک بردار بنا بر تعریف یک کمیت نردهای )یک عدد( و همواره مثبت است. جمع برداری از قانون تعویضپذیری پیروی میکند. دو بردار A و B چه وضعیتی نسبت به هم داشته باشند تا: الف( A+B=C و A+B=C ب( A+B=C و A 2 +B 2 =C 2 حل: الف( اگر دو بردار موازی و در یک جهت باشند این شرط برقرار است. )شکل 14-1 کتاب درسی را ببینید.( ببینید.( ب( اگر دو بردار عمود بر یکدیگر باشند این دو شرط برقرار است. )شکل 17-1 کتاب درسی را بزرگی بردار A برابر 3 واحد و در جهت شمال به جنوب و بزرگی بردار B برابر 5 واحد و در جهت غرب به شرق است. بزرگی و جهت بردارهای زیر را تعیین کنید. الف( 3A- ب( 2A-3B پ( 3B-A حل: الف( بزرگی بردار 3A- برابر 9 واحد و جهت آن جنوب به شمال است. ب( چون بردارهای A و B بر هم عمودند بزرگی بردار 2A-3B برابر است با: واحد جهت بردار برایند به طرف جنوب غربی است )شکل 3-1(. پ( بزرگی بردار 3B-A برابر است با: 2 2 واحد = A C = 9 B + جهت بردار برایند به طرف شمال شرقی است. )چرا ( -3B C = 2A-3B شکل A C = 4 A 2 +9 B 2 = =16

17 فیزیک و آزمایشگاه 17 در شکل 4-1 بزرگی بردارهای A و B به ترتیب برابر 6 و 8 واحد است. بزرگی بردار A+B چقدر است A B مثال حل شده شکل 4-1 حل: با توجه به زاویههای داده شده دو بردار A و B بر یکدیگر عمودند. به این ترتیب داریم: واحد C = A + B = 6 +8 =10 17.بزرگی دو بردار عمود بر هم A و B به ترتیب برابر 4 و 8 واحد است. بزرگی برایند این دو بردار چند واحد است 18. بزرگی برایند دو بردار عمود بر هم A و B برابر 25 واحد است. اگر 0A=4B باشد بزرگی بردار B چند واحد است

18 را D C وB A هم بر عمود بردار چهار 5-1 شکل 19. A کار کتاب هب A ازنقطهی 6-1 شکل مطابق 20.دانشآموزی است. شده جابهجا B نقطهی به سپس و O نقطهی 10 ترتیب به ها بردار این بزرگی اگر میدهد. نشان است متر چند دانشآموز این جابهجایی بزرگی واحد چند آنها برایند بردار بزرگی باشد 5 و 10 5 است 80 m A o m D C 6-1 شکل B B 5-1 شکل

19 19 آزمایشگاه و فیزیک 1 فصل تشریحی آزمون نوسان زمان بودن ثابت به اش توجه بود ایتالیا در پیزا دانشگاه دانشجوی حالیکه در 1581 سال در 1 -گالیله ضربان آیا دهید توضیح کرد. اندازهگیری خود نبض کمک به را آن نوسان زمان مدت و شد جلب کلیسا چلچراغ باشد زمان اندازهگیری برای مناسبی معیار میتواند نبض مدرج میلیمتر تا که معمولی خطکش یک با را کاغذ ورقهی یک ضخامت میتوانید چگونه که کنید توصیف 2- بگیرید. اندازه است شده و r شعاع به استوانهای حجم که میکند اظهار آموزی دانش کنید فرض ببرید. نام را حجم مختلف یکای چند 3- رابطهی از h ارتفاع πr 3 h باشد. صحیح نمیتواند گفته این چرا که دهید توضیح میآید. دست به بزنید. مثالی یک هر برای و بنویسید را نردهای و برداری کمیتهای بین تفاوت 4- دهید. انجام را زیر تبدیلهای 5- )الف 2/ km =... m =... mm =... nm )ب ps =... ns =... ms =... s )پ 2/ TB =... GB =... MB =... kb است واحد چند A باشد 4A=3B اگر است. واحد 40 برابر A و B هم بر عمود بردار دو برایند 6- )A + B C( بزرگی صورت این در باشد واحد 20 برابر و یکسان بردار سه بزرگی و +A +B =C 0 اگر -7 است واحد چند

20 20 کار کتاب 7-1 شکل. است اتم 10 6/02 23 شامل عنصری هر از اتم مول یک هر 8- برابر آب( گرم 18 )یعنی آب مول یک مولکولهای تعداد مثال بتواند رایانهای پردازندهی اگر 7-1(. )شکل است عدد 10 6/02 23 چه بشمارد را آب مقدار این اتمهای از میلیارد 3/6 ثانیه هر در بآ مول یک مولکولهای همهی رایانه این تا میکشد طول مدت سال یک )هر کنید. بیان سال حسب بر را خود پاسخ بشمارد را است.( ثانیه 10 3/1 7 حالت هر در را برایند بردار و آورید دست به جداگانه بهطور را 8-1 شکل در شده داده نشان بردارهای جمع 9- کنید. رسم A A -3A ) ب 2A ) الف 8-1 شکل هب میتواند است شکلپذیر بسیار فلزی طال که آنجا از است. گرم 19/32 طال مکعب سانتیمتر هر جرم 10- درآید. نازک رشتهی یک یا نازک برگهی یک صورت برگه مساحت درآید میکرون یک ضخامت با برگهای صورت به 27/62g جرم به طال از نمونهای اگر الف( است چهقدر است چهقدر رشته این طول درآید میکرون 2/5 شعاع به استوانهای رشتهی یک صورت به نمونه این اگر ب( چهار این برایند بزرگی است. آنها ابتدای o نقطهی که میدهد نشان را هم بر عمود بردار چهار 9-1 شکل 11- است. واحد 2 و برابر ترتیب به D و C B A بردارهای از یک هر بزرگی است واحد چند بردار A C D o 9-1 شکل B

21 21 آزمایشگاه و فیزیک 1 فصل گزینهای چند آزمون باشند. عمود هم بر پ( 3 =B A جابهجایی بردار جهت و بزرگی است. جنوب به شمال جهت در و 4m برابر A بردار بزرگی 7- است چگونه جنوب به شمال 12m- الف( شمال به جنوب 12m- ب( شمال به جنوب 12m ت( جنوب به شمال 12m پ( برابر B بردار بزرگی اگر میسازد. درجه 45 زاویه B بردار با آنها برایند و عمودند هم بر B و A بردار دو 8- است واحد چند A بردار بزرگی باشد واحد ت( 6 2 پ( 12 ب( 6 الف( است کدام 3 a و a هم بر عمود بردار دو برایند بزرگی 9-4a ت( ) 1+ 3 (a پ( 2a ب( 2 a الف( رابطهی در 10-1 = ct 2 2 است زیر کمیتهای از یک کدام یکای نوری سال 1- پ(سرعت طول ب( زمان الف( است ثانیه میلی چند با برابر 2Gs ت( پ( ب( الف( است کدام m/s به km/h تبدیل عامل ت( 360 پ( ب( 3/6 الف( با فیزیکی لحاظ از زیر گزینههای از کدامیک باشند. متفاوت یکاهای با فیزیکی کمیت دو b و a کنید فرض 4- است معنا پ( a-b ب( a+b الف( باشد. درجه... آنها بین زاویهی که است کمینه هنگامی بردار دو برایند پ( 90 ب( صفر الف( : وB A بردارهای که است برقرار A+ B= C و A+ B= C رابطهی دو صورتی در 6- باشند. هم جهت خالف بر و موازی الف( باشند. هم جهت در و موازی ب( a b است کدام c یکای است. ثانیه حسب بر t یکای و متر برحسب x یکای x ms - 2 ت( ms - 1 پ( ms ب( ms 2 الف(

22

23 بار الکتریکی و میدان الکتریکی 2 در اين فصل: بار الکتریکی خواص الکتریکی ماده باردار ساختن ماده قانون کولن میدان الکتریکی انرژی پتانسیل الکتریکی خازن آزمون تشریحی آزمون چند گزینه ای

24

25 25 آزمایشگاه و فیزیک الکتریکی بار 1-2 شده حل مثال شده حل مثال بخش این در این که کرد پیشنهاد هجدهم قرن در فرانکلین بنجامین دارد. وجود الکتریکی بار نوع دو دقیق بهطور میرود. کار به هنوز نامگذاری این و بنامیم منفی و مثبت را بار نوع دو را یکدیگر منفی بار یک و مثبت بار یک میکنند. دفع را یکدیگر منفی بار دو یا مثبت بار دو میربایند. نوترون و مثبت بار با پروتون منفی بار با الکترون کرد: توصیف ذره سه برحسب میتوان را اتم ساختار میچرخند. هسته گرداگرد الکترونها دارندو قرار هستهیاتم در نوترونها و پروتونها بار. بدون مینامند. مثبت یون را مثبت بار با مانده جا به ساختار شود جدا اتم از الکترون چند یا یک اگر است. آورده دست به اضافی الکترون چند یا یک که است اتمی منفی یون یک است صفر کل بار باشد برابر الکترونها کل شمار با پروتونها کل شمار جسم یک در که هنگامی است. خنثا الکتریکی نظر از جسم و مییابد. انتقال دیگر جسم به جسمی از صرفا بلکه نمیشود نابود یا خلق باری باردهی فرایند هر در خصوص در تجربی گواه هیچ میشود. شناخته جهانی پایستگی قانون یک الکتریکی بار پایستگی است. نشده مشاهده هرگز اصل این نقض میدهد. نشان یکدیگر به نسبت را باردار بادکنک دو وضعیت 1-2 شکل گفت میتوان چه بادکنکها این بار خصوص در آنها بار شدهاند جذب یکدیگر طرف به بادکنک دو چون پاسخ: است. ناهمنام 1-2 شکل زا پس را شیشهای میلهی یک و پشمی پارچهی تکه یک 2-2 شکل پالستیکی میلهی الکتریکی بار اگر میدهد. نشان یکدیگر به مالش پارچهی از الکترون تعداد چه شود کولن میکرو 19/2 مالش از پس است شده جدا پشمی 2-2 شکل پالستیکی میلهی با مالش حین در پشمی پارچهی از که الکترونهایی بار پایستگی قانون به توجه با حل: q رابطهی به توجه با ترتیب این به شدهاند. منتقل پالستیکی میلهی به بلکه نرفتهاند بین از شدهاند جدا با: است برابر شدهاند جدا پشمی پارچهی از که الکترونهایی تعداد = ne الکترون 19 / 2 10 C = n) 1/ 6 10 C( n =

26 1. نوع بار هر یک از کرهها را در شکل 3-2 تعیین کنید. کتاب کار 2. شکل 4-2 دو جسم را در حال مالش به یکدیگر نشان میدهد. نوع و اندازهی بار دو جسم را پس از مالش به یکدیگر با هم مقایسه کنید. 26 شکل 4-2 شکل در پرسش زیر بیش از یک گزینه درست است. گزینههای درست را پیدا کنید. بر اثر مالش دو جسم با یکدیگر میتوان گفت: الف( بار منفی خالص یک جسم با بار مثبت خالص جسم دیگر برابر است. ب( اگر دو جسم را به هم نزدیک کنیم یکدیگر را دفع میکنند. پ( جمع جبری بار دو جسم پس از مالش الزاما صفر نیست. 4. شکل 5-2 یک میلهی شیشهای و پارچهی ابریشم را قبل و پس از مالش به یکدیگر نشان میدهد. اگر پس از مالش الکترون از میلهی شیشهای جدا شده باشد بار پارچهی ابریشمی پس از مالش چهقدر است شکل 5-2

27 فیزیک و آزمایشگاه شکل 6-2 ساختمان یک اتم را نشان میدهد. 6. جرم تقریبی اجزای سازندهی اتم به شرح زیر است: 1/ kg = جرم پروتون جاهای خالی را در این شکل با واژههای مناسب پر 1/ kg = جرم نوترون کنید. 1/ kg = جرم الکترون با توجه به شکل 6-2 و همچنین دادههای باال عبارتهای زیر را کامل کنید. بیش از 99 درصد جرم اتم در... قرار دارد. بیشتر حجم اتم بهطور پراکندهای توسط... اشغال شده است. شکل خواص الکتریکی مواد در این بخش تعداد بسیار زیادی الکترون آزاد در هر رسانا وجود دارد که به راحتی درون رسانا حرکت میکنند. فلزها )مانند مس( بدن انسان و آب آشامیدنی مثالهایی از رسانا هستند. نارساناها که عایق نیز خوانده میشوند موادی هستند که تعداد الکترونهای آزاد آنها بسیار اندک است و نمیتوانند در آنها به آزادی حرکت کنند. الستیک پالستیک شیشه و آبی که از لحاظ شیمیایی خالص است مثالهایی از عایق هستند. مادهای را که بتوان واداشت تا گاهی به صورت عایق رفتار کند و گاهی به صورت رسانا نیمرسانا مینامند. موادی که در دماهای کم مقاومت الکتریکی آنها از بین میرود و مقاومت آنها در برابر عبور جریان صفر میشود ابررسانا نامیده میشوند.

28 28 کار کتاب ود به رسانایی میلهی توسط که است فلزی گوی یک از متشکل سادهای ابزار برقنما یا الکتروسکوپ در هوا آشفتگیهای از محافظت برای برگه دو این 7-2(. )شکل است شده متصل نازک فلزی برگهی گرفتهاند. قرار شیشه شده حل مثال 7-2 شکل آویزاناند معموال که برگههای دهیم تماس یا کنیم نزدیک فلزی گوی به را بارداری جسم وقتی الف( چرا میشوند دور هم از کار به نیز بار نوع اندازهگیری برای بلکه الکتریکیاند بار آشکارساز تنها نه الکتروسکوپها ب( داد. انجام را کار این میتوان چگونه دهید توضیح میروند. جسم دو برای را موضوع این دلیل 8-2 شکل الف( پاسخ: دیده که همانطور میدهد. نشان منفی و مثبت باردار نزدیک فلزی گوی به مثبتی باردار جسم وقتی میشود روانه گوی طرف به فلزی برگههای از الکترونها میشود و شده مثبت مشابه بار دارای برگهها نتیجه در میشوند. میرانند. را یکدیگر 8-2 شکل نسبت فلزی برگههای وضعیت و کنیم نزدیک الکتروسکوپ یک فلزی گوی به را جسمی اگر ب( بار نوع )با بارداری الکتروسکوپ اگر همچنین است. الکتریکی بار دارای جسم کند تغییر یکدیگر به داد. تشخیص آن کمک به را جسم یک بار نوع میتوان سادگی به باشیم داشته اختیار در مشخص( به را بارداری جسم اگر صورت این در این در باشد مثبت بار دارای الکتروسکوپ اگر مثال برای بار نوع مشابه جسم بار نوع که میدهد نشان شوند دور یکدیگر از برگهها و کنیم نزدیک فلزی گوی است. منفی جسم بار نوع شوند نزدیکتر یکدیگر به برگهها چنانچه است. مثبت یعنی الکتروسکوپ

29 فیزیک و آزمایشگاه شکل 9-2 بخشیازیک الکتروسکوپ دارای بار منفی را نشان میدهد. الف( اگر یک جسم باردار منفی را به گوی فلزی نزدیک کنیم چه اتفاقی برای برگههای فلزی میافتد ب( اگر جسم باردار دارای بار مثبت باشد چهطور. 8 شکل 10-2 نحوهی توزیع بار روی دو جسم رسانا و نارسانا را نشان میدهد. توضیح دهید چرا بارهای یک رسانا روی تمام سطح آن توزیع میشوند در حالیکه در یک نارسانا تنها در بخش باردار شده باقی میمانند. شکل 9-2 شکل باردار ساختن ماده در این بخش عالوه بر مالش دو جسم به یکدیگر به روش تماس نیز میتوان اجسام را باردار کرد. روش دیگر برای باردار ساختن یک جسم روش القایی است. در باردار کردن القایی نوع بار جسم باردار شده مخالف بار جسم باردار کننده است. هرگاه مراکز بارهای مثبت و منفی اتم یا مولکول روی هم منطبق نباشند اتم یا ملکول قطبیده است. اجسام رسانا را به سادگی میتوان به روش القایی باردار کرد. مثال حل شده دو کرهی فلزی مشابه A و B که روی پایههای عایقی قرار دارند به ترتیب دارای بار الکتریکی 4+ mc و 7- mc هستند. این دو کره را توسط پایههای عایق آنها گرفته و با یکدیگر تماس میدهیم. پس از تماس بار هر کره چهقدر است حل: پس از تماس دو کره با یکدیگر در بار الکتریکی یکدیگر شریک میشوند. چون دو کره مشابهاند پس از تماس بار هر دو کره یکسان و برابر است با: ) + 4mC( + ) 7mC( q = = 1/ 5mC 2 به عبارت دیگر بار هر کره پس از تماس برابر 1/5- mc خواهد بود.

30 30 کار کتاب شده حل مثال دارد زیادی مهم عملی کاربردهای زمین به متصل بار بدون رسانای یک و باردار جسم یک بین جاذبهی هب 11-2(. )شکل میرود کار به صنعت در که الکتروستاتیکی )رنگکاری( نقاشی فرایند جمله آن از میکند کار چگونه فرایند این شما نظر جسم میشود دیده نیز شکل در که همانطور پاسخ: متصل زمین به شود رنگ است قرار که فلزیای ناوک از خروج هنگام رنگ قطرههای ریز به و میشود حالیکه در میشود. داده الکتریکی بار افشان رنگ با القایی بارهای میشوند نزدیک جسم به قطرهها ریز قطرهها ریز و میشوند ظاهر جسم در مخالف عالمت شدن افشانده فرایند این میربایند. جسم سطح به را رنگ سرگردان ذرههای ابرهای از رنگ بارهی چند 11-2 شکل سطح به ویژهای هموار پرداخت و میکند کمینه را میدهد. آویزان نایلونی نخ یک توسط بیباری فلزی کرهی 9. مثبت بار با شیشهای میلهی یک که هنگامی است. شده میله طرف به کره میکنیم نزدیک فلزی کرهی به را بهطور یابد تماس میله با کره اگر ولی میشود. کشیده چرا که دهید توضیح میشود. دور میله از ناگهانی میشود. دفع سپس و جذب نخست کره میتوانید چگونه دارید. اختیار در منفی بار با جسمی 10. گوی یک به خالص منفی بار دادن برای جسم این از کنید. استفاده دارد قرار عایقی پایهی روی که فلزی چهطور گوی این به خالص مثبت بار دادن برای

31 31 آزمایشگاه و فیزیک کوچک تکهی یک به را باردار میلهی یک وقتی 11. روی یک هر که B و A مشابه موازی کرهی دو 12. تماساند. در یکدیگر با دارند قرار عایقی پایهی جذب آن طرف به کنیم نزدیک بار بدون کاغذ 13-2 شکل مطابق منفی بار با پالستیکی میلهای چرا. دهید توضیح 12-2(. )شکل میشود است. شده آورده A کرهی نزدیک چه باردار میلهی الف( آزاد الکترونهای بر تأثیری دارد B و A کرههای میلهی که هنگامی اگر ب( A کرهی نزدیک باردار 13-2 شکل توسط را کرهها است هچ کرهها کنیم جدا هم از آنها عایق پایههای داشت خواهند هم با تفاوتی 12-2 شکل B و A کرههای تا کرد اتخاذ باید ترتیبی چه پ( شوند. مثبت بار دارای برابر بهطور کولن قانون 4-2 بخش این در سال در فرانسوی فیزیکدان کولن بار اولین را نقطهای الکتریکی بارهای رانش و ربایش بر حاکم قانون آورد. دست به کمی بهطور زیاد آزمایشهای از 1784 پس میآید: دست به زیر رابطهی از کولن قانون به بنا باردار ذرههای از یک هر بر وارد نیروی بزرگی q q F= k r دشاب آنها میان فاصلهی از کوچکتر خیلی آنها اندازهی که بارداری اجسام برای تنها کولن قانون است. برقرار شد بیان که حالتی با نقطهای بارهای مورد در فقط قانون این دیگر عبارت به است. صادق هم به را آنها که است خطی راستای در همواره میکنند وارد یکدیگر بر بار دو که نیروهایی جهت باشند منفی دو هر یا مثبت دو هر یعنی باشند عالمت هم q 2 و q 1 بارهای هنگامیکه میکند. متصل جاذبهاند. نیروها دارند مخالف عالمت بارها هنگامیکه دافعهاند نیروها

32 32 کتاب کار در شکل 14-2 جهت نیروی بین بارهای الکتریکی نقطهای نشان داده شده است. با توجه به جهت نیروها آیا میتوانید نوع هر یک از بارهای نقطهای را تعیین کنید اگر نه توضیح دهید. 2 مثال حل شده مثال حل شده شکل 14-2 پاسخ: در شکل )الف( دو باری که یکدیگر را میرانند دارای بار موافقاند )هر دو مثبت یا هر دو منفی(. در شکل )ب( امکان ندارد که بارهای الکتریکی به این صورت به یکدیگر نیرو وارد کنند. در شکل )پ( بارها دارای عالمت موافقاند. در شکل )ت( عالمت دارای بار مخالفاند. دو بار نقطهای q = 3 µ C و = 4 µ C 1 )پ( )الف( )ت( )ب( q در فاصلهی از یکدیگر واقعاند. بزرگی نیرویی که دو ذره به یکدیگر وارد میکنند و نوع آن را تعیین کنید. حل: با توجه به قانون کولن بزرگی نیروی بین دو بار نقطهای برابر است با: -6-6 q q )3 1 0 C() C( F = k = )9 10 N.m C ( = 3 10 N r )6 1 0 ( چون بارها دارای عالمت مخالفاند نیروی بین آنها جاذبه است.

33 فیزیک و آزمایشگاه 33 مثال حل شده بزرگی نیروی الکتریکی بین دو یون مشابه مثبت که به فاصلهی m از یکدیگر واقعاند برابر 3/ n است. الف( بار هر یون چهقدر است ب( هر اتم چند الکترون از دست داده است حل: الف( با توجه به فرض مسئله دو یون مشابهاند بنابراین q = q = q در این صورت: 1 2 در نتیجه ب( با توجه به رابطهی = ne 2 q F= k 3 / 7 10 N =)9 10 N.m C r q داریم: 2 q 0 )5 1 0 m( -1 2 q 2 / = C 2 q = 3/ C 19 3/ 2 10 C n = = / 6 10 C یعنی هر اتم دو الکترون از دست داده است و به یون مثبت تبدیل شدهاند. 13. برای هر جفت از بارهای الکتریکی نقطهای شکل 15-2 بردار نیروی وارد به هر بار را که از طرف بار دیگر به آن وارد میشود رسم کنید. طول هر بردار باید متناسب با بزرگی نیرو باشد. نمادهای + و اندازهی بار الکتریکی یکسانی را نشان میدهند. r به یکدیگر وارد میکنند برابرN F = 640 است. اگر 14. بزرگی نیرویی که دو بار نقطهای + q در فاصلهی بارμC 2+ را از یکی کم کرده به دیگری اضافه کنیم مقدار نیروی جدید در همان فاصله برابر ʹF = 600 N است. بار + q چند میکرو کولن است )الف( )ب( )پ( شکل 16-2

34 تقریبا آهن اتم هستهی در پروتون دو فاصلهی 15. این میان الکتریکی نیروی بزرگی است m است چهقدر ذره دو کار کتاب بار و 0=x مختصات مبدأ در + q نقطهای بار 16. q نقطهای بزرگی است. شده واقع x=a نقطهی در است. F میکنند وارد هم به بار دو این که نیرویی + q نقطهای بار اگر قرار x=-a نقطهی در دیگری در که باری به شده وارد نیروهای برایند شود داده است چگونه دارد قرار مبدأ 34 الکتریکی میدان 5-2 بخش این در جسم هر بر میتواند میدان این میکند. ایجاد خود اطراف نقاط تمام در الکتریکی میدان یک باردار جسم هر کند. وارد الکتریکی نیروی میگیرد قرار فضا این در که دیگری باردار هدش ایجاد دیگر باردار جسمهای بهوسیلهی که الکتریکیای میدان توسط باردار جسم یک بر الکتریکی نیروی میشود. وارد است یعنی: بار واحد ازای به الکتریکی نیروی با است برابر معین نقطهی یک در الکتریکی میدان است. ) N/C ( کولن بر نیوتون SI در الکتریکی میدان یکای q k رابطهی از آن از r فاصلهی در q نقطهای بار یک از حاصل الکتریکی میدان بزرگی r میآید. F E = q 0 E = 2 دست به منفی بار یک سوی به و مثبت بار یک از دور به همواره نقطهای بار یک الکتریکی میدان جهت تعریف به بنا است. یک دارای معین ناحیهی یک درون جای همه در وضعیتها بعضی در الکتریکی میدان جهت و بزرگی است. یکنواخت ناحیه این در الکتریکی میدان میگوییم صورت این در مقدارند. میدان خطهای که جایی در است. میدان خطهای مفهوم از استفاده الکتریکی میدان توصیف مفید روش یک است. کوچکتر میدان بزرگی هستند هم از دور که جایی در و بیشتر میدان بزرگی یکدیگرند نزدیک

35 35 آزمایشگاه و فیزیک E میدهد نشان را الکتریکی میدان خطهای ویژگیهای از یک کدام 16-2 شکل Q P E شده حل مثال 16-2 شکل است. نقطه آن در الکتریکی میدان بردار جهت در نقطه هر در میدان خط بر مماس پاسخ: کنید. مقایسه هم با 4 تا 1 نقطههای از یک هر در را الکتریکی میدان بزرگی شکل E 2 شده حل مثال 2 نقطهی در و بیشترین 4 نقطهی در الکتریکی میدان پاسخ: 3 نقطهی در میدان بزرگی همچنین دارد. را بزرگی کمترین است. بیشتر 1 نقطهی از «با ارتباطی چه موضوع این دارد اشاره الکتریکی میدان خطهای ویژگیهای از یک کدام به 18-2 شکل دهید. توضیح دارد است آمده شکل روی که» E =? E =? 18-2 شکل شده حل مثال زیرا نمیکنند قطع را یکدیگر الکتریکی میدان خطهای که دارد اشاره موضوع این به شکل این پاسخ: در باید که نیست مشخص گیرد می قرار میدان خط دو تقاطع محل در که q نقطهای بار صورت این در «نوشتن و کند. حرکت و شود وارد نیرو آن به میدان خطهای از یک کدام جهت دارد. اشاره موضوع همین به نیز شکل روی» E =?

36 کتاب کار 36 مثال حل شده در فاصلهی 0/1mm از یک بار نقطهای بزرگی میدان الکتریکیN/C است. مقدار بار الکتریکی چهقدر است حل: با توجه به رابطهی در نتیجه بزرگی بار برابر است با: E داریم: q k r = 2 q N/C = ) 9 10 N.m /C( ) / m( q = C 3 2 مثال حل شده بزرگی میدان الکتریکی ناشی از بار q در محلی که بار الکتریکی نقطهای 8+ μc قرار دارد برابر N/C است. بزرگی نیرویی که از طرف این میدان بر بار 8+ μc وارد میشود چهقدر است F حل: با توجه به رابطهی = E داریم: q 6 4 F = q.e = ) 8 10 C() 5 10 N / C( = 0/ 4N 0 ذرهای دارای بار الکتریکیnC 3- است. الف( بزرگی و جهت میدان الکتریکی ناشی از این ذره را در نقطهای که 0/25 m درست در باالی آن قرار دارد بیابید. ب( میدان الکتریکی این ذره در چه فاصلهای از آن دارای بزرگی 12 N/C است حل: الف( بزرگی میدان الکتریکی برابر است با: E 9 q 3 10 C E= k = ) 9 10 N.m /C( = 432N/C 2 2 r ) 0 / 25m( جهت میدان مطابق شکل 19-2 به طرف بار منفی است. مثال حل شده q شکل 19-2 E داریم: q k r = N/C = ) 9 10 N.m/C( 2 r 4 2 r 2 = m 2 r = m 9 3 ب( دوباره با توجه به رابطهی 9 C

37 37 آزمایشگاه و فیزیک مالش پشمی پارچهی با را پالستیکی خطکش یک 17. کاغذ خردههای به را آن و الف( 20-2 )شکل دهید ب( )شکل کنید نزدیک این انجام با که را آنچه مشاهده ساده فعالیت به توجه با میکنید الکتریکی میدان مفهوم دهید. شرح 20-2 شکل با و بار بدون ابتدا در و مشابه B و A فلزی 18.کرههای مثبت باردار میلهی کردن نزدیک با تماساند. در یکدیگر 21-2( )شکل مطابق A کرهی به تماس( )بدون و کنید رسم را کره هر روی الکتریکی بار توزیع الف( ببرید. نام را کره هر بار نوع است شده وضعیت این سبب باردار میلهی ویژگی کدام ب( باردار میلهی اگر پ( به راست سمت از را نزدیک B کرهی را الف پرسش کنیم دهید. پاسخ دوباره 21-2 شکل بارهای از ناشی برایند الکتریکی میدان بردار 19. در شده مشخص نقطههای از یک هر در را نقطهای باید بردار هر طول کنید توجه کنید. رسم 22-2 شکل باشد. برایند میدان بزرگی دهندهی نشان در را الکتریکی میدان خطهای 23-2 شکل 20. الکتریکی میدان بردار میدهد. نشان فضا از ناحیهای کنید. رسم شکل روی نقطههای از یک هر در را 23-2 شکل 22-2 شکل

38 21. در شکل 24-2 خطهای میدان الکتریکی برای کتاب کار 22. در شکل 25-2 سه ناحیه مشخص شده است. دو بار نقطهای نامساوی نشان داده شده است. توضیح میدان الکتریکی برایند ناشی از دو بار نقطهای در کدام ناحیهها ممکن است صفر است بهطور کیفی دهید آیا بار مثبت بزرگتر است یا بار منفی. توضیح دهید. 38 A B C +2μC شکل μC شکل بزرگی و جهت میدان الکتریکی برایند ناشی از 2 بارهای نقطهای q =+ 40 nc و =+ 10 nc 1 نقطهی p تعیین کنید. )شکل 26-2( q را در q q 1 2 p 23.میدان الکتریکی حاصل از بار نقطهای q در فاصلهی 25 cm از آن 200 N/C است. اگر 25 cm دیگر از بار q دور شویم بزرگی میدان الکتریکی چهقدر خواهد شد 0/30 m 1/20 m شکل 26-2

39 39 آزمایشگاه و فیزیک الکتریکی پتانسیل انرژی 6-2 شده حل مثال شده حل مثال بخش این در میآورد دست به دیگر باردار جسم یک به نسبت مکانش واسطهی به باردار جسم هر که انرژیای میشود. نامیده الکتریکی پتانسیل انرژی = U/q رابطهی از و مینامند الکتریکی پتانسیل را بار واحد ازای به الکتریکی پتانسیل انرژی میآید. دست به V یکای و میآید دست به =V U/q رابطهی از یکدیگر به نسبت نقطه دو ولتاژ یا پتانسیل اختالف میشود. نامیده ولت که است کولن بر ژول آن شوی نزدیک آن به اگر و مییابد کاهش الکتریکی پتانسیل شویم دور مثبتی باردار جسم از اگر است. برعکس منفی باردار جسم برای موضوع این مییابد. افزایش الکتریکی مپتانسیل بر اگر و کاهش الکتریکی پتانسیل کنیم حرکت الکتریکی میدان خطهای جهت در اگر کلی بهطور مییابد. افزایش الکتریکی پتانسیل کنیم حرکت میدان خطهای جهت خالف =+ 2 µ C الکتریکی بار V الکتریکی پتانسیل با نقطهای به V 1 = 10 V الکتریکی پتانسیل با نقطهای از q میکند تغییر چگونه و است ژول چند بار این الکتریکی پتانسیل انرژی میشود. جابهجا V 2 = 40- داریم: =V U/q رابطهی به توجه با حل: U 4 ) 40V( ) 10V( = U = 10 J C خطهای جهت در باردار ذرهی است یافته کاهش 1 نقطهی به نسبت 2 نقطهی الکتریکی پتانسیل چون است. کرده حرکت میدان نآ منفی پایانهی الکتریکی پتانسیل کردهایم. وصل زمین به را کامیون یک ولتی 24 باتری مثبت پایانهی میشود ولت چند زیر حالت دو از یک هر در شود. فرض صفر زمین الکتریکی پتانسیل الف( شود. فرض زمینV الکتریکی پتانسیل ب( الف( حل: ب( V= V V 24V= 0 V V = 24V + V= V V 24V= 1000 V V = 976V +

40 40 کار کتاب میکند طی یکنواخت الکتریکی میدان درون راست خط روی را متفاوت مسیر سه q+ الکتریکی بار )شکل 27-2 (. 4 به 3 به 2 از اول: مسیر 5 به 4 به 3 به 2 به 1 از دوم: مسیر 5 به 3 به 1 از سوم: مسیر اب میگذرد آنها از q+ بار که نقطههایی در را الکتریکی پتانسیل جداگانه بهطور مسیر هر برای کنید. مقایسه یکدیگر شده حل مثال شکل به رو همواره الکتریکی پتانسیل 5 به سپس و 3 به 2 نقطهی از q+ بار حرکت با اول مسیر در پاسخ: است. کاهش 3 به 2 از حرکت با ولی نمیکند تغییری الکتریکی پتانسیل 2 به 1 نقطهی از بار حرکت با دوم مسیر در نمیکند. تغییری پتانسیل 5 به 4 و کاهش به رو پتانسیل 4 به است. کاهش به رو دائما الکتریکی پتانسیل 5 به 3 از سپس و 3 به 1 نقطهی از سوم مسیر در شده حل مثال مثبت پایانهی تا منفی پایانهی از 0q = 2C- الکتریکی بار هرگاه 12V ولتاژ با اتومبیل باتری یک در میکند تغییر چگونه و اندازه چه آن الکتریکی پتانسیل انرژی شود جابهجا داریم: =V U/q رابطهی به توجه با حل: اندازهی به آن انرژی مثبت پایانهی طرف به منفی پایانهی از 2C- بار شدن جابهجا با دیگر عبارت به است. یافته کاهش ژول 24 U= q V = )-2C() 12V( = 24J

41 41 آزمایشگاه و فیزیک بزرگی و الکتریکی پتانسیل میدهد. نشان فضا از ناحیهای در را الکتریکی میدان خطهای 28-2 شکل کنید. مقایسه هم با را B و A نقطههای در الکتریکی میدان شده حل مثال 28-2 شکل رد الکتریکی میدان بزرگی همچنین است. B نقطهی از بیشتر A نقطهی الکتریکی پتانسیل پاسخ: نزدیکترند. یکدیگر به A نقطهی در میدان خطهای زیرا است B نقطهی از بزرگتر A نقطهی آنها پتانسیل اختالف که نقطه دو بین الکترونی 25. پتانسیل انرژی تغییر میشود. جابهجا است ولت یک B نقطهی به A ی ازنقطه q+ نقطهی بار هرگاه ( )شکل کند حرکت E نایکنواخت میدان در میکند تغییر چگونه آن الکتریکی پتانسیل انرژی کنید. حساب را الکترون الکتریکی E B A 29-2 شکل

42 X محور جهت در E یکنواخت الکتریکی میدان 27. کار کتاب یک طریق از میتواند اتومبیلی ولتی 12 باتری 28. هب پایانهای از را ساعت( )آمپر 84 A.h بارکل مدار نقطهی و 0/8 m فاصلهی به را a نقطهی دارد. وجود بفرستد. دیگر پایانهی ولتاژ بگیرید. نظر در مبدأ از 1/2 m فاصلهی به را b است کولن چند معادل بار این الف( است. 600 نقطهV دو این بین مقدار چه باشد 12V ولتاژ تحت بار تمام اگر ب( بیشتر نقطهها از یک کدام الکتریکی پتانسیل الف( میکند کسب انرژی است میکند. حرکت b به a از 0/2- الکتریکیμC بار ب( کنید. پیدا را بار الکتریکی پتانسیل انرژی تغییر 42

43 43 آزمایشگاه و فیزیک خازن 7-2 Q C V ) = = F() 24V( = C شده حل مثال بخش این در مدت در را شده ذخیره انرژی میتوانند و هستند الکتریکی انرژی ذخیرهی برای های وسیله خازنها دهند. قرار مدار اختیار در کوتاهی این میشود. گفته مسطح یا تخت خازن آن به که است موازی صفحههای با خازن خازن نوع سادهترین ندارند. تماس هم با اما گرفتهاند قرار یکدیگر از اندکی فاصلهی در و رسانا صفحهها صفحهی مخالفاند. عالمت با و مساوی بار دارای شدن شارژ یا شدن باردار هنگام خازن صفحههای است. وصل باتری منفی پایهی به منفی صفحهی و مثبت پایانهی به مثبت باتری پایانههای ولتاژ با خازن صفحهی دو ولتاژ که میشود تکمیل وقتی خازن یک شدن شارژ فرایند شود. برابر هک دیالکتریکی مادهی و آن صفحههای هندسی شکل به تنها که است معینی ظرفیت دارای خازن هر دارد. بستگی میگیرد قرار آن صفحههای بین V کمیتهای به =C /Q V رابطهی با C خازن یک ظرفیت میشود. مرتبط Q و بهطوری است بزرگی یکای میشود.فاراد نامیده ) )F فاراد که است ولت بر کولن خازن ظرفیت یکای است. نانوفاراد و میکروفاراد مرتبهی از خازنها بیشتر ظرفیت که به رسانا سیم یک توسط آن رسانای صفحهی دو که میشود )دشارژ( تخلیه هنگامی شده شارژ خازن شوند. وصل یکدیگر رابطهی از واقعاند یکدیگر از d فاصلهی به و A آن صفحهی هر مساحت که تخت خازن یک ظرفیت میشود. نامیده خأل دهی گذر ثابت آن در که میآید دست به C A/d = ε 0 شده ذخیره بار میکنیم. اعمال باتری یک توسط 24 پتانسیلV اختالف 100 μc خازن یک سر دو به است چهقدر خازن در ε 0 داریم: =C /Q V رابطهی از استفاده با حل:

44 44 کار کتاب شده حل مثال μc حدود مدتی از پس است. 14 μc است شده باردار ولتی 12 باتری یک توسط که خازنی در شده ذخیره بار است چقدر حالت این در خازن ولتاژ میرسد. 10 μc به آن بار و مییابد کاهش نشت دلیل به خازن بار 4 است ولتاژ و بار از مستقل و ثابت مقداری همواره که را خازن ظرفیت =C /Q V رابطهی به توجه با حل: میآوریم. دست به با: است برابر بار کاهش از پس خازن سر دو ولتاژ C 7 C= = V Q C 60 C= V = = V 8/ 6V V F F V ولتاژ با باتری به 30-2 شکل مطابق است d آن صفحههای فاصلهی که را تختی خازن سر دو وصل زا یک هر میرسانیم. 2 d به را خازن صفحههای فاصلهی اتصالی هرگونه کردن قطع بدون میکنیم. میکند. تغییری چه ببینید و کنید بررسی را زیر موارد خازن سر دو ولتاژ الف( خازن ظرفیت ب( خازن در شده ذخیره بار پ( V 30-2 شکل d شده حل مثال همان و مانده ثابت نیز خازن سر دو ولتاژ لذا است نکرده تغییری باتری سر دو ولتاژ چون الف( پاسخ: V مقدار است. = ε 0 A/d رابطهی به توجه با زیرا است. یافته کاهش خازن ظرفیت ب( صفحههای فاصلهی C شده اولیه مقدار نصف خازن ظرفیت دیگر عبارت به است. یافته کاهش ظرفیت نتیجه در و افزایش آن است. V چون C= Q/ V رابطهی به توجه پ(با است. یافته کاهش نیز آن در شده ذخیره بار میشود نتیجه یافته کاهش خازن ظرفیت و ثابت

45 45 آزمایشگاه و فیزیک شده حل مثال 2 mm خازن صفحههای بین فاصلهی اگر است. 18 cm 2 تختی خازن صفحههای از یک هر مساحت است چهقدر خازن ظرفیت باشد هوا صفحهها بین و = ε 0 A/d رابطهی به توجه با حل: داریم: C ) m( 12 C = ) 8 / F / M( = 7 / F = 7 / 965pF 3 ) 2 10 m( شده حل مثال پتانسیل اختالف و m 2 دارد قرار زمین سطح از 1 km ارتفاع در که زا باران ابر یک مساحت ی صفحه دو صورت به دارد قرار آن زیر که را زمین از سطحی و ابر اگر. است 150 kv زمین ابر میان است چقدر آن در شده ذخیره بار و ظرفیت کنیم فرض خازن یک موازی داریم =C ε0a/d رابطه از استفاده با : حل ) m ( 11 C = ) 8/ F/ M( = 17/ 7 10 F 3 ) 10 m( با است برابر خازن این در شده ذخیره بار Q C V ) / = = F() V( 2 / C = 27µ C در و 25 μf ظرفیت دارای 31-2 شکل خازن 29. را 120 V پتانسیل اختالف باتری است. بار بدون ابتدا چهقدر شود بسته کلید که آن از پس میکند. فراهم گذشت خواهد آن از بار خازن یک سر دو پتانسیل اختالف ولتسنج 30. اگر 32-2(. )شکل میدهد نشان ولت 85 را باردار خازن ظرفیت باشد 5 μc خازن در شده ذخیره بار است چهقدر C کلید V 32-2 شکل 31-2 شکل

46 46 کتاب کار 31. در نظر داریم با دو صفحهی فلزی تخت هر یک 32. خازنها در شکل 33-2 را به ترتیب از بیشترین تا کمترین بار ذخیره شده در آنها مرتب کنید. به مساحت 1m 2 یک خازن تخت بسازیم. الف( برای آنکه ظرفیت این خازن 1F شود فاصلهی بین صفحههای آن باید چهقدر باشد ب( آیا در عمل این خازن را میتوان ساخت ( ب ) ( الف ) ( ت ) شکل 33-2 ( پ )

47 47 آزمایشگاه و فیزیک 2 فصل تشریحی آزمون میدهد. نشان را نقطهای بار دو الکتریکی میدان خطهای 34-2 شکل 1- کننده قانع استدالل با و کنید تعیین را q 2 و q 1 بارهای از یک هر عالمت کنید. مقایسه هم با را q 2 و q 1 بارهای بزرگی 34-2 شکل الکتریکی میدان a نقطهی در آیا میدهد. نشان فضا از ناحیهای در را الکتریکی میدان خطهای 35-2 شکل 2- این در را E الکتریکی میدان بردار یک رسم با بله اگر دارد وجود الکتریکی میدان ایجاد برای دهید توضیح نه اگر و کنید مشخص نقطه داریم نیاز چیزی چه به نقطه این در کنید. تصحیح را نادرست عبارتهای و تعیین را نادرست و درس عبارتهای 3- وقتی است مثبت الکتریکی بار یکای الکتریکی پتانسیل انرژی تغییر برابر نقطه دو الکتریکی پتانسیل اختالف الف( ) نادرست )درست شود. جابهجا نقطه دو این بین که بیشتر الکتریکی پتانسیل به کمتر الکتریکی پتانسیل از شود جابهجا الکتریکی میدان جهت در مثبت بار هرگاه ب( ) نادرست )درست است. رفته نقطه. هر الکتریکی پتانسیل نه است نقطه دو بین الکتریکی پتانسیل دارد اهمیت فیزیکی لحاظ از که کمیتی پ( ) نادرست )درست کنید. کامل کلمهها جعبهی کمک به را زیر 4 -جملههای ندارند دارند کوچکی بزرگی بیشتر کمتر V/Q Q/ V 1V/ 1C 1C/ 1V است. شده تشکیل... الکتریکی اتصال یکدیگر به که رسانا دو از خازن هر الف( میشود.... آن در شده ذخیره بار خازن یک سر دو ولتاژ افزایش با ب( میآید. دست به... رابطهی از خازن ظرفیت پ( است.... برابر و... یکای فاراد یک ت( 35-2 شکل

48 48 کار کتاب 3 = 4 µ C و q2 = 12 µ C q = µ C 1 8 نقطهای بار سه 5- هستند نیرویی چه نمایندهی F و F 2 F 1 نیروهای از یک هر الف( کنید. پیدا را q 3 نقطهای بر وارد الکتریکی نیروهای برایند بزرگی ب( واقعاند. محور امتداد در 36-2 شکل مطابق q 36-2 شکل بنویسید. متن یک صورت به را زیر مفهومی نقشهی 6- است صورت دو به الکتریکی بار کند می ایجاد منفی بار مثبت بار الکتریکی میدان مانند مانند برای عاملی الکترون پروتون الکتریکی نیروی از کند می پیروی کولن قانون هم کنار در تواند می ها اتم جاذبه همنام( نا )بارهای دافعه همنام( )بارهای مانند

49 فیزیک و آزمایشگاه در شکل 37-2 نقطه یا نقطههایی را مشخص کنید که در آن نقطه یا نقطهها برایند میدان الکتریکی صفر است. 8- بزرگی میدان الکتریکی در فاصلهی 10 cm از یک ذرهی باردار 10 nc چهقدر است 9- بزرگی یک بار نقطهای که میدان الکتریکیN/C 1 را در نقاطی به فاصلهی 1 m از آن ایجاد میکند چهقدر است 10- الف( اگر ولتاژ دو سر خازنی را نصف کنیم با و ظرفیت آن چه تغییری میکنند ب( خازنی به ظرفیتpF 10 را به کمک یک باتری که ولتاژ دو سر آن 12 V است باردار میکنیم. بار ذخیره شده در خازن چهقدر است شکل 37-2

50 50 کار کتاب 2 فصل گزینهای چند آزمون وارد الکتریکی نیروی بزرگی تا دهیم قرار 38-2 شکل الکتریکی میدان از نقطه کدام در را 1 μc نقطهای بار 1- باشد مقدار کمترین آن بر 4 ت( 3 پ( 2 ب( 1 الف( با مقایسه )در دوری نسبتا فاصلهی در کره دو این است. q برابر B و A مشابه رسانای کرهی دو الکتریکی بار 2- دیگری مشابه رسانای کرهی میکنند. وارد هم به F بزرگی به الکتریکی نیروی و واقعاند یکدیگر از آنها( شعاع کرهی است. واقع دیگر کرهی دو از دوری فاصلهی در و خنثی الکتریکی نظر از ابتدا در مینامیم C را آن که نیروی بزرگی میکنیم. دور محل از را آن سرانجام و میدهیم تماس B کرهی با سپس و A کرهی به ابتدا را C است کدام اخیر حالت در یکدیگر به B و A کرهی دو الکتریکی الف( 1 16 F 1 ت( F 4 1 پ( F 2 3 ب( F 8 بار یک از ناشی الکتریکی میدان جهت گزینهها از یک کدام است. شده داده نشان بردار دو گزینه هر در 3- میدهد نشان درست خود اطراف فضای در را مثبت نقطهای شکل 3 4 ) ت ( ) پ ( ) ب ( ) الف ( است صفر q و q نقطهای بار دو از ناشی برایند الکتریکی میدان ناحیههایی چه در 39-2 شکل به توجه با 4- نقطهی و 2q بار بین ب( 2q بار راست سمت الف( q پ و الف گزینهی دو هر ت( 2q q بار و نقطهی بین پ( وت ب گزینهی دو هر ث( q d 2d 39-2 شکل

51 51 آزمایشگاه و فیزیک میشود برابر چند خازن در شده ذخیره الکتریکی بار شود برابر سه خازنی سر دو ولتاژ اگر 5- ت( 9 پ( 3 ب( 1 الف( 1 3 پتانسیل گزینه کدام است. شده مشخص 40-2 شکل مطابق نقطه 5 تختی خازن صفحههای بین فضای در 6- است کرده مقایسه درستی به یکدیگر با را نقطهها این الکتریکی V 1 = V 2 V 3 الف( V 2 = V 3 = V 4 ب( V 1 = V 2 V 5 پ( V 1 V 4 = V 5 ت( V 1 = V 5 V 3 ث( شکل هم از را صفحه دو آن صفحههای اتصال بدون اگر میکنیم. جدا باتری از شدن شارژ از پس را تختی خازن 7- میکند تغییر چگونه چپ( به راست )از ترتیب به صفحهها بین ولتاژ و ظرفیت کنیم دور کاهش کاهش ب( افزایش افزایش الف( کاهش افزایش ت( افزایش کاهش پ( خازن در شده ذخیره بار کنیم برابر دو را صفحه دو بین ولتاژ و نصف را تختی خازن صفحههای فاصلهی اگر 8- میشود برابر چند 1 4 ت( 2 پ( 1 ب( 4 الف( رسانایی مادهی از کرهها است. 20+ e برابر باری دارای B کرهی و 50- e با برابر باری دارای A کرهی ابتدا در 9- ردق هچ A کرهی روی نهایی بار دهیم تماس هم با را کرهها اگر است. یکسان آنها اندازهی و شدهاند ساخته است -20 e ت( -40 e پ( -15 e ب( -30 e الف( 30+ V الکتریکی پتانسیل با نقطهای به 20- V الکتریکی پتانسیل با نقطهای از نانوکولنی 2 مثبت الکتریکی بار 10- است ژول میکرو چند بار این پتانسیل انرژی تغییر میشود. جابهجا 10- ت( 10+ پ( 0/1- ب( 0/1+ الف(

52

53 جریان الکتریکی مقاومت الکتریکی و مدارهای الکتریکی 3 ر اين فصل د الکتریکی جریان مقاومت و مقاومت ویژه ی الکتریکی محرکه ی الکتریکی نیروی الکتریکی مدارهای آزمون تشریحی آزمون چند گزینه ای

54

55 فیزیک و آزمایشگاه جریان الکتریکی در این بخش جریان الکتریکی به زبان ساده یعنی: روان شدن بارهای الکتریکی درون مدار. جهت قراردادی جریان از پایانهی مثبت باتری به طرف پایانهی منفی باتری است. در یک سیم رسانا حاملهای بار الکترونهای رسانش یا همان الکترونهای آزاد هستند. الکترونهای آزاد هنگام حرکت درون مدار بهطور دائم با یونهای مثبت و الکترونهای آزاد دیگر برخورد میکنند و جهت حرکت آنها تغییر میکند ولی جهت حرکت خالص آنها به طرف پایانهی مثبت باتری است. جریان در همهی نقاط یک سیم حامل جریان یکسان است و مقدار آن تغییر نمیکند. به این بیان قانون پایستگی جریان نیز گفته میشود. بنا به قاعده انشعاب کیرشهف مجموع جریانهای ورودی به هر انشعاب باید با مجموع جریانهایی که آن انشعاب را ترک میکنند برابر باشد. جریان الکتریکی عبوری از مدار شکل 1-3 برابر 2/8 آمپر است. چه مدت طول میکشد تا از یک مقطع فرضی این مدار 840 μc بار بگذرد I داریم: مثال حل شده مثال حل شده حل: با توجه به رابطهی = q/t از سیمی جریانی به شدت 3/2 A میگذرد. در هر ثانیه چه تعداد الکترون از یک مقطع فرضی سیم عبور میکند حل: با توجه به رابطههای = q/t الکترون شکل C t = = / 8A 4 I و q = ne داریم: ) 3/ 2A() 1s( ne = It n = = / 6 10 C s 19

56 56 کار کتاب شده حل مثال 30 مدت به اتومبیل این المپهای اگر است. 3A حدود اتومبیلی جلوی المپهای از عبوری جریان ساعت آمپر برحسب همچنین و کولن برحسب مدت این در الکتریکی بار چهمقدار باشند روشن دقیقه میگذرد باتری از )Ah( = q/t رابطهی از نیز اینجا در حل: داریم: آمپر برحسب و داریم: رسید. پاسخ به میتوان I q = It = ) 3A() 30 60s( = 5400C 1 q = It = ) 3A() h( = 1/ 5Ah 2. t = 30 min = 1 h که کنید توجه 2 داده نشان سیم در I جریان جهت و بزرگی میدهد. نشان را الکتریکی مدار یک از بخشی 2-3 شکل کنید. تعیین را شده 7A 5A I 2A 3A 2-3 شکل شده حل مثال داریم: کیرشهف انشعاب قاعدهی به توجه با حل: انشعاب به ورودی جریانهای مجموع = انشعاب از خروجی جریانهای مجموع جریان یک نه شود منظور خروجی جریان یک عنوان به باید I جریان میدهد نشان منفی عالمت ورودی. 7A+ 3A+ I= 5A+ 2A I= 3A

57 فیزیک و آزمایشگاه اگر در هر دقیقه از یک مقطع فرضی سیمی 10 4/8 17 الکترون عبور کند جریان عبوری از سیم چند میلی آمپر است 2. تعداد الکترون در مدت 5 μs از مقطع یک رسانا عبور میکند. جریان عبوری از این رسانا جند آمپر است 3. آذرخشی بین ابر و برقگیر متصل به یک ساختمان بلند زده میشود و جریان خیلی بزرگی به مقدار A برای مدت s از آن عبور میکند )شکل 3-3(. باری را که در این مدت به زمین شارش میکند حساب کنید. 4. شکل 4-3 بخشی از یک مدار الکتریکی را نشان میدهد. بزرگی و جهت جریان I را در سیم پایینی سمت راست تعیین کنید. 1A 2A 2A 2A 3A 4A I شکل 4-3 شکل 3-3

58 که میکند ادعا باتری ساخت کارخانهی یک 5. شدت به جریانی میتوانند آنها ساخت باتریهای مدت این در کنند. تأمین ساعت 12 مدت به را 3A معادل بار مقدار این میگذرد باتری از بار کولن چند است الکترون تعداد چه کار کتاب 150 μa با برابر جریانی الکترون باریکهی یک 6. هر در را تلویزیون یک صفحهی بار این میکند. منتقل کامل جاروب یک در میکند. جاروب مرتبه 30 ثانیه میشود منتقل تلویزیون صفحهی به بار مقدار چه 58 الکتریکی ویژهی مقاومت و مقاومت 2-3 بخش این در V آن در که میشود تعریف R = V/I رابطهی با الکتریکی مقاومت است. رسانا سر دو ولتاژ ثابت شیب با راستی خط صورت به آن سر دو ولتاژ برحسب رسانا یک از عبوری جریان نمودار اگر میکند. پیروی اهم قانون از رسانا این که میشود گفته باشد غیر رسانای یک دیود میدهند. عبور خود از جهت یک در تنها را جریان که هستند قطعههایی دیودها است. اهمی رابطهی با موضوع این دارد. بستگی نیز رسانا شکل و اندازه به آن جنس به عالوه رسانا یک مقاومت =ρl/a میشود. خوانده رسانا ویژهی مقاومت ρ آن در که میشود بیان R ( متر اهم SI در ویژه مقاومت یکای است. ) Ω. m

59 فیزیک و آزمایشگاه 59 در مدار شکل 5-3 ولتاژ دو سر باتری 30V و مقاومت R برابر 10 Ω میخواند آمپرسنج است. آمپرسنج چه عددی را V شکل 5-3 I مثال حل شده حل: با توجه به رابطهی = V/I R داریم: 30V I= = 3A 10Ω در مدار شکل 6-3 عددهایی که آمپرسنج و ولتسنج میخوانند به ترتیب 4A و 12V است. مثال حل شده الف( مقاومت المپ چهقدر است ب( بار الکتریکی شارش شده از یک مقطع فرضی مدار در مدت یک دقیقه چهقدر است پ(در صورتیکه ولتاژ دو سر مدار تا 25 درصد افزایش یابد عددی که آمپرسنج نشان میدهد چهقدر خواهد شد حل: الف( با توجه به رابطهی = V/I شکل 6-3 R داریم: 12V R = = 3Ω 4A ب( با توجه به رابطهی q = It داریم: q = ) 4A() 60s( = 240C پ( برای آنکه ولتاژ دو سر مدار 25 درصد افزایش یابد الزم است ولتاژ دو سر باتری نیز به همین میزان افزایش یابد. در این صورت ولتاژ دو سر باتری به 15V خواهد رسید. به این ترتیب داریم: V 15V R = 3Ω= I= 5A I I

60 کتاب کار 60 شکل 7-3 دو قطعه سیم هم جنس را نشان میدهد. مقاومت این دو سیم را با هم مقایسه کنید. مثال حل شده شکل 7-3 پاسخ: چون طول و سطح مقطع سیم الف دو برابر طول و سطح مقطع سیم ب است لذا مقاومت سیم الف برابر است با: L L R =ρ 2 2A =ρ A یعنی مقاومت هر دو سیم یکسان است. مثال حل شده مقاومت یک سیم آلومینیومی به طول 10 m و سطح مقطع 1 mm 2 چهقدر است مقاومت ویژهی R داریم: 8 ) 10m( R = ) 3 / 2 10 Ω.m( = 0/ 32Ω 6 2 ) 1 10 m ( آلومینیوم Ω.m 3/ است. حل: با توجه به رابطهی ρ= L/A طول سیمی از فلز کنستانتان به قطر 0/35 mm چهقدر باشد تا مقاومت آن یک اهم شود مقاومت ویژهی کنستانتان Ω.m 4/ است. حل: با توجه به رابطهی A = πd 2 4/ سطح مقطع سیم برابر است با: 3 2 ) 0/ m( A = 3 / 14 9 / m مثال حل شده ρl 7 L R = 1Ω= ) 4/ 8 10 Ω.m( L = 0/ 2m = 20cm 8 2 A ) 9 / m(

61 61 آزمایشگاه و فیزیک میخواند آمپرسنج که جریانی 8-3 شکل مورد در 7. است چهقدر المپ مقاومت است. 2A میکشد. را 1 ma جریان 9-3 شکل مدار مقاومت 8. چهقدر مقاومت مقدار باشد 12V باتری ولتاژ اگر است باتری V=12V مقاومت 9-3 شکل S 8-3 شکل و قطر و مشابه باتریها 10-3 شکل مدار دو هر در 10. I 4 و I 3 I 2 I 1 جریانهای است. یکسان سیمها جنس تا کمترین ترتیب به 4 تا 1 نقطههای از یک هر در را بنویسید. مقدار بیشترین 3 1 زیر مقدارهای ولتی 12 المپ یک با آزمایشی در 9. است. شده اندازهگیری ولتاژ )V( جریان )A( /05 3/58 3/13 2/64 2/07 1/36 0 کنید. رسم جریان برحسب را ولتاژ نمودار الف( ازای به را المپ مقاومت نمودار از استفاده با ب( آورید. دست به آمپر 4 و 2 1 جریانهای شکل

62 62 کتاب کار 11. نمودار شکل 11-3 جریان برحسب ولتاژ دو سر I)V( 12. همهی سیمهای شکل 12-3 از یک جنساند. این سیمها را از کمترین تا بیشترین مقاومت به ترتیب رسانایی با مقاومت R را نشان میدهد. بنویسید. الف( مقاومت R چهقدر است ب( فرض کنید طول مقاومت R دو برابر شود. روی شکل نمودار I V را برای مقاومت جدید رسم کنید. 0/5 2/5 شکل شکل 11-3 V )V( 14. نمودار تغییرات I V دو مقاومت R 1 و R 2 مطابق شکل 14-3 است. نسبت R 2 /R 1 چهقدر است 13. روی یک تابلویی هشداری مطابق شکل 13-3 درج شده است. به نظر شما تا چه حد باید نسبت به این هشدار مراقبت نمود I)V( 4 R 2 2 R 1 شکل 14-3 V)V( شکل 13-3

63 فیزیک و آزمایشگاه در مدار شکل 15-3 مقادیری که آمپرسنج و ولتسنج میخواند چهقدر است 16. یک قطعهی گرافیتی به شکل مکعب مستطیل دارای ابعاد 10cm 20cm 40cm است. این قطعه را میتوان از هر یک از دو وجه موازی آن در مدار قرار داد. بیشترین و کمترین مقاومت این قطعه را با توجه به وضعیت آن در مدار پیدا کنید. مقاومت ویژهی گرافیت اهم متر است. 9 V 18 Ω I شکل نیروی محرکه ی الکتریکی در این بخش مولد نیروی محرکهی الکتریکی با دادن انرژی الزم به حاملهای بار سبب شارش آنها در مدار میشود. توان تولیدی مولد از رابطهی = Iε P به دست میآید و توان مفید )خروجی( یک مولد از رابطهی P I I 2 به دست میآید. در این رابطه I 2 r توان تلف شده در مقاومت درونی مولد است. = ε r

64 کتاب کار 64 شکل 16-3 V = ) 15Ω () 2A( = 30V میخواند: ب( ولتاژ دو سر مولد با ولتاژ دو سر مقاومت R که ولتسنج میخواند یکسان است. V = ε Ir 30V = ε ) 2A() 1Ω( ε= 32V مولد P = εi = ) 32V() 2A( = 64W P = I 2 r = ) 2A( 2 ) 1Ω ( = 4W مثال حل شده در مدار شکل 16-3 آمپرسنج جریان 2A را میخواند. الف( ولتسنج چه عددی را میخواند ب( ولتاژ دو سر مولد چهقدر است پ( اگر مقاومت درونی مولد 1Ω باشد نیروی محرکهی مولد را به دست آورید. ت( توان تولیدی مولد چهقدر است ث( توان تلف شده در مولد چهقدر است حل: الف( با توجه به رابطهی V = RI ولتسنج مقدار زیر را پ( ت( ث( در مدار شکل 17-3 آمپرسنج عدد 1A را میخواند. الف( ولتاژ دو سر مولد چهقدر است ب( مقاومت R را پیدا کنید. ج( توان تولیدی مولد چهقدر است د( توان خروجی مولد چهقدر است شکل 17-3 V = ε Ir = ) 10V( ) 1A() 0/ 5Ω ( = 9/ 5V مولد مثال حل شده حل: الف( ب( ولتاژ دو سر مقاومت R با ولتاژ دو سر مولد برابر است. بنابراین: V= RI 9/ 5V= R) 1A( R = 9/ 5Ω P = εi = ) 10V() 1A( = 10W 2 2 P = εi I r = ) 10V() 1A( ) 1A( ) 0/ 5Ω ( = 9/ 5W پ( ت(

65 65 آزمایشگاه و فیزیک سعی کنید. بیان 19-3 شکل از را خود دریافت 18. میخواند. 0/2A آمپرسنج 18-3 شکل مدار در 17. است: مطلوب باشد وات 20 مولد تولیدی توان اگر مولد. خروجی توان و محرکه نیروی الف( مقاومت. سر دو ولتاژ ب( نوشتن برای درسی کتاب 3-3 بخش مقاهیم از کنید کنید. استفاده عبارتی هر 19-3 شکل 18-3 شکل را 25V عدد ولتسنج 20-3 شکل مدار در 19. میخواند. میخواند را عددی چه آمپرسنج الف( نیروی باشد اهم 0/5 مولد درونی مقاومت اگر ب( کنید. پیدا را آن محرکهی آورید. دست به را مولد مفید توان و تولیدی توان پ( یا باز را S کلید وقتی 21-3 شکل مدار در 20. را یکسانی مقدار خوبی تقریب با ولتسنج میبندیم ار r و R مقاومتهای صورت این در میدهد. نشان کنید. مقایسه هم با 20-3 شکل 21-3 شکل

66 66 کتاب کار 4-3 مدارهای الکتریکی در یک مدار سری تنها یک مسیر برای جریان وجود دارد و ولتاژ اعمال شده توسط مولد بین تکتک قطعههای الکتریکی مدار تقسیم میشود. R به دست میآید. eq = R1+ R 2 مقاومت معادل در یک مدار سری از رابطهی... + در یک مدار موازی ولتاژ دو سر هر قطعه الکتریکی با ولتاژ دو سر مدار برابر است و جریان کل مدار در این بخش بین شاخههای موازی تقسیم میشود. به دست میآید مقاومت معادل در یک مدار موازی از رابطهی = R R R eq 1 2 مقاومت معادل بین دو نقطهی b و a را در شکل 22-3 پیدا کنید. شکل 22-3 R = 2 / 4Ω+ 5 / 1Ω+ 3 / 5Ω+ 3 / 6Ω= 14 / 6Ω eq مثال حل شده حل: چون همهی مقاومتها بهطور سری به یکدیگر متصل شدهاند داریم: شکل 23-3 در مدار شکل 23-3 جریانی را که آمپرسنج میخواند در هر یک از دو حالت زیر پیدا کنید. الف( کلید S باز است. ب( کلید S بسته است. حل: الف( وقتی کلید S باز است مقاومت معادل برابر است Req = R1+ R2 = 32Ω+ 8Ω= 40Ω با: به این ترتیب جریانی که آمپرسنج میخواند برابر است با: V 8V I = = = 0 / 2A R 40Ω ب( وقتی کلید بسته میشود مقاومت R 2 از مدار خارج میشود. به این ترتیب جریانی که آمپرسنج در این حالت V 8V I = = = 0 / 25A R 32Ω 1 مثال حل شده میخواند برابر است با:

67 67 آزمایشگاه و فیزیک 12V عددهای ترتیب به آمپرسنج و ولتسنج 24-3 شکل مدار در است Rچهقدر مقاومت میخوانند. را 2mA و 24-3 شکل R = 75Ω+ R+ 125Ω= 200Ω+ R eq 3 V = R I 12V = ) 200Ω+ R() 2 10 A( eq 6000Ω= 200Ω+ R R = 5800Ω شده حل مثال شده حل مثال داریم: شدهاند متصل یکدیگر به متوالی بهطور مقاومتها چون حل: ار b و a نقطههای دو بین معادل مقاومت میدهد. نشان را الکتریکی مدار یک از بخشی 25-3 شکل کنید. پیدا 25-3 شکل شده داده نشان 26-3 شکل در b و a نقطهی دو بین معادل مقاومت محاسبهی مختلف مراحل حل: است شکل

68 68 کتاب کار در مدار شکل 27-3 آمپرسنج چه جریانی را میخواند شکل 27-3 مثال حل شده حل: ابتدا مقاومت معادل مدار را مطابق مراحل مختلف شکل 28-3 به دست میآوریم. با توجه به قسمت پ شکل 28-3 داریم: V 18V I = = = 0 / 5A R 36Ω eq شکل 28-3

69 فیزیک و آزمایشگاه 69 در مدار شکل 29-3 جریانی را که آمپرسنج میخواند در هر یک از حالتهای زیر تعیین کنید. الف(کلید S باز است. ب( کلید S بسته است. شکل 29-3 حل: الف( در حالتی که کلید S باز است مقاومت معادل مدار مطابق شکل 30-3 برابر 54 Ω خواهد شد. به این ترتیب عددی که آمپرسنج در این حالت میخواند برابر است با: V 18V 1 I= = = A R 54Ω 3 eq مثال حل شده شکل 30-3 ب( وقتی کلید S بسته است مقاومت معادل مدار مطابق شکل 31-3 برابر 22 Ω خواهد شد. به این ترتیب عددی که آمپرسنج در این حالت میخواند برابر است با: V 18V 9 I= = = A R 22Ω 11 eq شکل 31-3

70 21. در مدار شکل 32-3 با بستن کلید S آمپرسنج کتاب کار 22. در مدار شکل 33-3 با بستن کلید S ولتسنج عددV عدد 1 A را میخواند. مقاومت R چهقدر است 120 را میخواند. آمپرسنج چه عددی را نشان میدهد 70 شکل 33-3 شکل در مدار شکل 34-3 با بستن کلید S نور المپها چه تغییری میکند همهی المپها مشابهاند. 24. اگر آمپرسنج در مدار 35-3 عدد 2 A را بخواند مقاومت R را پیدا کنید. شکل 35-3 شکل 34-3

71 71 آزمایشگاه و فیزیک پس و پیش را المپها نور 36-3 شکل مدار در 25. یک با 37-3 شکل مدار در را 2 و 1 نقطههای اگر 26. هچ المپها نور کنیم وصل هم به مقاومت بدون سیم المپها همهی کنید. مقایسه هم با S کلید بستن از مشابهاند. المپها همهی میکند تغییری مشابهاند شکل 36-3 شکل 5 مقاومت از جریانی چه 38-3 شکل مدار در 27. میگذرد اهمی را الکتریکی مدار یک از بخشی 39-3 شکل 28. مقدار ولتسنج و 3 A جریان آمپرسنج میدهد. نشان است چهقدر R مقاومت میخواند. 10 را V 38-3 شکل 39-3 شکل

72 72 کار کتاب 3 فصل تشریحی آزمون میدهد. نشان سری مقاومت سه برای را فاصله برحسب ولتاژ تغییرات نمودار 40-3 شکل 1- دهید. توضیح است I جریان از کمتر یا و مساوی بیشتر ʹI جریان آیا الف( کنید. مقایسه یکدیگر با را مقاومتها مقدار نمودار به توجه با ب( آن جهت بله اگر دارد وجود الکتریکی میدان نقطه این در آیا است. شده داده نشان نقطهای R 2 مقاومت در پ( چرا. دهید توضیح نه اگر است سو کدام به I R 1 R 2 R 3 r V = رابط سیمهای توسط رسانا دو این است. مشابه آنها جنس و یکسان 2 و 1 رسانای دو طول 41-3 شکل مدار در 2- شدهاند. وصل مولدی به ناچیز مقاومت با کنید. مقایسه هم با را رسانا دو مقاومت الف( کنید. مقایسه هم با را رسانا هر سر دو ولتاژ افت ب( 40-3 شکل فاصله چرا. دهید توضیح است بیشتر مقاومت کدام در شده تلف توان پ( r r شکل و هستند همجنس دارند توجهی قابل مقاومت که رابط سیمهای و مشابه باتریها 42-3 شکل مدار دو هر در 3- به مقدار کمترین تا بیشترین از ) I 7 تا I 1 ( 7 تا 1 نقطههای از یک هر در را الکتریکی جریان دارند. یکسانی قطر 1 بنویسید. ترتیب شکل 7

73 فیزیک و آزمایشگاه همهی سیمهای شکل 43-3 از یک جنساند. این سیمها را از کمترین تا بیشترین مقاومت به ترتیب بنویسید. شکل در مدار شکل 44-3 با بستن کدامیک از کلیدها الف( یک مدار کامل شامل همهی اجزای نشان داده شده در شکل تشکیل میشود ب( دو سر باتری اتصال کوتاه میشود شکل در مدار شکل 45-3 مقداری را که هر آمپرسنج میخواند با یکدیگر مقایسه کنید. 7- در مدار شکل 46-3 مقاومت المپ B بیشتر از المپ A است. پس از بسته شدن کلید S توان تلف شده در هر المپ را با هم مقایسه کنید. شکل 45-3 شکل 46-3

74 74 کتاب کار 8- در مدار شکل 47-3 ولتسنج عدد 24 ولت را میخواند. الف( آمپرسنج چه جریانی را میخواند ب( توان تلف شده در مقاومت 8 اهمی چهقدر است شکل در مدار شکل 48-3 عددی را که آمپرسنج در حالتی که کلید S باز است و در حالتی که کلید S بسته است نشان می دهد تعیین کنید. 10- در مدار شکل 49-3 آمپرسنج چه عددی را میخواند شکل 48-3 شکل 49-3

75 75 آزمایشگاه و فیزیک 3 فصل گزینهای چند آزمون گزینه کدام 50-3(. )شکل شدهاند وصل باتری به رابط سیمهای توسط متفاوت جنس با طول هم رسانای دو 1- است درست است. یکسان رسانا هر سر دو ولتاژ افت الف( است. 2 رسانای از بیشتر 1 رسانای از عبوری جریان ب( است. 1 رسانای از بیشتر 2 رسانای در انرژی مصرف آهنگ پ( است. صفر رسانا دو هر درون الکتریکی میدان ت( 50-3 شکل صورت این در میکنیم. وصل هم به مقاومتی بدون سیم توسط را 51-3 شکل مدار در 2 و 1 نقطههای 2- مییابد. کاهش I جریان الف( مییابد. افزایش I جریان ب( میماند. تغییر بدون I جریان پ( 51-3 شکل است درست 52-3 شکل مدار مورد در گزینه کدام 3- I = 3 I ب( I1 I3 I2 الف( 1 2 I I = 2 I ت( I = 2 I پ( شکل باشد الکتریکی انرژی یکای میتواند گزینه کدام 4- Ω. m پ( V. A ب( A 2.Ω الف( V. C ج( A/C ث( N.m / V ت(

76 76 کتاب کار 5- شکل 53-3 مداری شامل سه المپ و یک باتری را نشان میدهد که توسط سیمهایی به هم وصل شدهاند. کدام گزینه این مدار را بهطور نمادین درست نشان میدهد ( ب ) ( پ ) ( الف ) ( ت ) ( ث ) ( ج ) شکل در مدار شکل 54-3 در صورتی که ولتسنج عدد 5 V را نشان میدهد مقاومت R چند اهم است الف( 24/0 ب( 16/0 پ( 12/6 ت( 12/0 ث( 10/0 شکل یک باتری با نیروی محرکهی 6 ولت را که مقاومت درونی آن r است به مقاومت R میبندیم و جریانی به شدت 0/2 A از آمپرسنج میگذرد )شکل 55-3(. افت ولتاژ در مقاومت درونی 1 9 افت ولتاژ در مقاومت R است = 1 9 ( IR )Ir. مقاومت R چند اهم است الف( 15 ب( 20 پ( 27 ت( 30 شکل 55-3

77 فیزیک و آزمایشگاه ولتاژ بین دو نقطه 500 ولت است. با صرف چند ژول انرژی بار الکتریکی 0/8 میکروکولن بین این دو نقطه جاری میشود ت( پ( ب( الف( در مدار شکل 56-3 آمپرسنج جریان 0/5 A را میخواند. نیروی محرکهی مولد و توان تلف شده در مولد به ترتیب چند ولت و چند وات است ب( 3/50 و 375 الف( 3/50 و 0/25 ت( 7/50 و 3/50 پ( 7/50 و 0/25 شکل دو مقاومت مشابه R را یک بار بهطور موازی و بار دیگر بهطور سری به دو سر یک باتری میبندیم. جریانی که از هر کدام از این مقاومتها میگذرد در هر دو حالت یکسان است. مقاومت درونی باتری چهقدر است الف( صفر ب( R پ( 2 R ت( 2/R

78

79 مغناطیس و کاربردهای آن 4 در اين فصل آهن ربا و قطب های مغناطیسی میدان های مغناطیسی الکترومغناطیس تولید الکتریسیته آزمون تشریحی آزمون چند گزینه ای

80

81 81 آزمایشگاه و فیزیک مغناطیسی قطبهای و آهنربا 1-4 بخش این در میگذرد. مغناطیسی پدیدههای شدن شناخته از سال 2500 از بیش زا بیش آنجا در آهنربایی خاصیت که دارد وجود ناحیه دو باشند که شکلی هر به آهنرباها در مینامند. آهنربا قطبهای را ناحیه این است. دیگر قسمتهای قطب و N قطب است شمالگرا دیگر عبارت به یا دارد تمایل شمال سوی به که را آهنربا از قطبی مینامند. S قطب است جنوبگرا که را دیگر میربایند. را یکدیگر آنها ناهمنام قطبهای و میرانند را یکدیگر آهنربا دو همنام قطبهای بنویسید. 1-4 شکل از را خود دریافت 1. میدهد نشان را مغناطیسی القای پدیده 2-4 شکل 2. و میشوند آهنربا جذب فلزی اجسام از برخی که هر نوع میشوند. جدید آهنربای یک به تبدیل خود کنید. تعیین فلزی درگیرههای را شده القا قطب قطب قطب قطب قطب 1-4 شکل 2-4 شکل

82 خنثی الکتریکی نظر از که استوانهای فلزی میلهی دو 3. کار کتاب فلزی کرهی یک رابه آهنربایی N قطب وقتی 4. هب فلزی کرهی که میبینیم میکنیم نزدیک آویزان کنید فرض 3-4(. )شکل میربایند را یکدیگر هستند همین اگر 4-4(. )شکل میشود کشیده آهنربا طرف اختیار در میله دو همین بهجز دیگری وسیلهی هیچ میافتد اتفاقی چه دهیم انجام S قطب با را کار از یک هر دهیم تشخیص میتوانیم چگونه نداریم. خیر یا دارند آهنربایی خاصیت میلهها 82 فلزی کره 4-4 شکل 3-4 شکل مغناطیسی میدانهای 2-4 بخش این در آهنربای هر مغناطیسی عقربهی هر به آن نتیجهی که دارد وجود خاصیتی آهنربا هر اطراف فضای در نماد با و مغناطیسی میدان مفهوم با را خاصیت این میکند. وارد نیرو آهن قطعهی هر یا فضا آن در واقع میکنیم. معرفی B میدهد. نشان نقطه آن در را B جهت نقطه هر در مغناطیسی میدان خطهای بر مماس جهت است. B میدان بزرگی دهندهی نشان میدان خطهای تراکم هستند. فشردگی بیشترین دارای مغناطیسی میدان خطهای آهنربا قطبهای در.دنهد یم تشکیل را بستهای حلقهی آنها همهی و میگذرند آهنربا از میدان خطهای همهی رد که است میلهای آهنربای یک مانند آن مغناطیسی میدان شکل و است عظیم آهنربایی خود زمین دارد. قرار زمین مرکز نیستند. منطبق جغرافیایی قطبهای بر کامال زمین مغناطیسی قطبهای نمیگیرد. قرار واقعی شمال جهت در معموال قطبنما عقربهی است. معروف مغناطیسی میل به واقعی شمال و مغناطیسی عقربهی سمتگیری بین اختالف

83 83 آزمایشگاه و فیزیک خطهای جهت و تعیین را آهنربا قطبهای 5-4 شکل در مغناطیسی عقربههای جهتگیری به توجه با کنید. رسم شکل روی را مغناطیسی میدان شده حل مثال 5-4 شکل راست سمت و N قطب میلهای آهنربای چپ سمت مغناطیسی عقربههای جهتگیری به توجه با پاسخ: آهنربا(. بیرون )در است S طرف به N طرف از نیز B میدان خطهای جهت است. S قطب آن مغناطیسی عقربه جهتگیری و 6-4 شکل به توجه با 5. جهتگیری و کنید تعیین را Y و X عقربههای A مکانهای از یک هر در را مغناطیسی عقربهی کنید. رسم C و B دو پیرامون را مغناطیسی میدان خطهای 7-4 شکل 6. میدهد. نشان میلهای آهنربای یک در همنام قطب میتوان چه X نقطهی در مغناطیسی میدان دربارهی گفت 7-4 شکل 6-4 شکل

84 کار کتاب اب را زیر جملههای کلمهها جعبهی کمک به 8. کنید. کامل مناسب واژهی انتخاب یکنواخت بزرگی سوی S N جهت راستای متغیر میدان سوی مغناطیسی عقربهی... قطب الف( میدهد. نشان را مغناطیسی عقربهی نزدیکی در آهنربا یک ب(هنگامیکه میدان... تا میچرخد عقربه گیرد قرار مغناطیسی گیرد. قرار آهنربا مغناطیسی مغناطیسی میدان خطهای فضا از ناحیهای در پ(اگر مغناطیسی میدان باشند همفاصله و موازی یکدیگر با مینامند.... را ناحیه هر در مغناطیسی میدان خطهای بر مماس ت( ناحیه آن در مغناطیسی میدان... نشانگر فضا از است. 8-4 شکل در 7. در و استوا در را زمین مغناطیسی میدان بزرگی الف( کنید. مقایسه هم با شمال قطب شمال قطب نزدیکی در قطبنما کاربرد چرا ب( است دشوار 8-4 شکل 84 الکترومغناطیس 3-4 بخش این در میآید. وجود به مغناطیسی میدان I جریان حامل سیم هر اطراف در تعیین I جریان حامل راست سیم یک اطراف در را B میدان جهت میتوان راست دست قاعدهی کمک به کرد. آن توسط شده ایجاد مغناطیسی میدان درآوریم پیچه یک صورت به را است جریان حامل که راستی سیم اگر مییابد. افزایش توجهی قابل میزان به میشود. تعیین راست دست قاعدهی از نیز پیچه یک در B میدان جهت بزرگتر معموال سیملوله طول شدهاند. پیچیده یکدیگر نزدیک که است سیمهایی از بلندی مارپیچ سیملوله است. آن قطر از سیملوله بیرون و یکنواخت تقریبا متناهی طول به واقعی سیملولهی یک درون مغناطیسی میدان خطهای است. ضعیف میشود. نامیده الکتریکی آهنربای باشد شده پیچیده آهنی هستهی یک دور که جریانی حامل پیچهی

85 فیزیک و آزمایشگاه 85 با توجه به جهتگیری عقربهی مغناطیسی در اطراف سیم حامل جریان که عمود بر صفحهی کتاب است )شکل 9-4( جهت جریان را در سیم تعیین کنید. سیم S N مثال حل شده مثال حل شده شکل 9-4 پاسخ: با توجه به قاعدهی دست راست جهت جریان باید به طرف خارج از صفحهی کتاب باشد. شکل 10-4 مجموعهای از خطهای میدان B را در اطراف یک سیم حامل جریان نشان میدهد. دریافت خود را از این شکل بیان کنید. B B شکل 10-4 پاسخ: با افزایش فاصله از سیم حامل جریان بزرگی میدان کاهش مییابد. همچنین خطهای میدان اطراف سیم حامل جریان به صورت دایرههای هممرکزی هستند که سیم در مرکز آنها قرار دارد.

86 11-4 شکل در باتری به سیم سر دو کردن وصل با 9. کار کتاب را ساده الکتریکی آهنربای یک 12-4 شکل 10. تهج به توجه با را آهنربا قطبهای میدهد. نشان رخ قطبنما مغناطیسی عقربهی برای اتفاقی چه کنید. تعیین جریان میدهد شکل 11-4 شکل مغناطیسی میدان خطهای جهت 13-4 شکل در 11. و کرده مقایسه هم با سیملوله یک بیرون و درون را کنید. اشاره مهم نکتهی دو به حداقل و مدار در را جریان جهت ابتدا 14-4 شکل در 12. را مغناطیسی قطبهای سپس و کرده تعیین سیملوله کنید. پیدا آهنی هستهی حاوی سیملولهی طرف دو در جهتگیری سیملوله مغناطیسی قطبهای به توجه با سیملوله مجاور دایرهی دو در را مغناطیسی عقربههای کنید. رسم 13-4 شکل 14-4 شکل

87 فیزیک و آزمایشگاه با توجه به جهت میدان B در اطراف سیم حامل جریان شکل 15-4 جهت جریان را در سیم تعیین کنید. 14. در شکل 16-4 جهت میدان مغناطیسی داخل یک حلقهی حامل جریان نشان داده شده است. الف( جهت جریان در حلقه را روی شکل مشخص کنید. ب( آیا قطب N حلقه باالی صفحهی کاغذ است یا زیر آن توضیح دهید. شکل 16-4 شکل با توجه به جهت جریان و با استفاده از قاعدهی دست راست نوع قطب مغناطیسی را در هر یک از شاخههای هستهی آهنی شکل 17-4 تعیین کنید. 16. شکل 18-4 طرحی از یک رلهی الکتریکی را نشان میدهد. توضیح دهید چگونه با بستن کلید S مدار سمت راست شروع به کار میکند. شکل 18-4 شکل 17-4

88 88 کتاب کار 4-4 تولید الکتریسیته اورستد در سال 1820 میالدی اثر مغناطیس ناشی از جریان الکتریکی را کشف کرد. در سال 1831 فارادی و هنری بکرل بهطور جداگانه به کمک آثار مغناطیسی جریان الکتریکی تولید کردند. تنها در صورتی در یک پیچه جریان القا میشود که میدان مغناطیسی در محل پیچه تغییر کند. این عبارت بیان سادهای از قانون القای الکترومغناطیسی فارادی است. مولد برق شامل سیمپیچی است که بین قطبهای یک آهنربا میچرخد. مولدها و تمامی نیروگاههای تولید برق در ایران جریان متناوب تولید میکنند. بسامد جریان متناوب تولید شده در نیروگاهها برابر 50 هرتز 50Hz( ) است. ولتاژ جریانهای متناوب را به سادگی میتوان به هر مقدار دلخواه افزایش و یا کاهش داد. این موضوع برای انتقال انرژی الکتریکی اهمیت زیادی دارد. مبدل وسیلهای است که برای تغییر ولتاژ منبع ac مورد استفاده قرار میگیرد. مبدل افزاینده ولتاژ را افزایش و مبدل کاهنده ولتاژ را کاهش میدهد.. V 1 / V 2 = N 1 / N 2 در یک مبدل آرمانی که مقاومت پیچههای آن صفر فرض میشود داریم: در این رابطه V 1 و V 2 به ترتیب ولتاژ اولیه و ولتاژ ثانویه هستند. همچنین N 1 و N 2 به ترتیب تعداد دورهای اولیهی پیچه و تعداد دورهای ثانویهی پیچه هستند. در این بخش

89 89 آزمایشگاه و فیزیک هب کلیدی با A سیمپیچ 19-4(. )شکل شدهاند پیچیده آهنی هستهی یک روی B و A سیمپیچ دو است. شده بسته دارد قرار وسط در آن صفر که گالوانومتری به B سیمپیچ و است متصل باتری 19-4 شکل شده حل مثال میشود. منحرف B سیمپیچ گالوانومتر عقربهی شود باز سپس و بسته ثانیهای چند S کلید اگر الف( دهید. توضیح نکته به نکته را موضوع این چرا نمیشود. منحرف گالوانومتر عقربهی بماند بسته طوالنی هرچند مدتی برای کلید اگر ب( عبور و شده منحرف گالوانومتر عقربهی لحظهای برای A پیچهی در S کلید شدن بسته با الف( پاسخ: لحظهای برای گالوانومتر عقربهی دوباره S کلید شدن باز با میکند. آشکار B سیمپیچ از را جریان قبلی جهت برخالف گالوانومتر عقربهی اخیر حالت در میدهد. نشان را جریان عبور و شده منحرف ایجاد سبب A پیچهی در S کلید شدن بسته یا باز که میدهد نشان موضوع این و میشود منحرف.تسا یکدیگر مخالف جریانها جهت که بهطوری میشود B پیچهی در لحظهای جریانهایی هنگام زیرا میدهد. نشان B پیچهی از را جریانی عبور گالوانومتر میماند بسته S کلید وقتی ب( تغییری میکنند عبور B پیچهی از که مغناطیسی میدان خطهای جهت یا بزرگی S کلید ماندن بسته نمیکنند.

90 17.در شکل 20-4 هنگامی که آهنربا به درون پیچه کتاب کار 18.مطابق شکل 21-4 آیا عقربهی گالوانومتر در حرکت کند عقربهی گالوانومتر به سمت راست حالتهای زیر منحرف میشود الف( جریان ثابت از سیمپیچ A بگذرد. منحرف میشود. الف( نام پدیدهای که بر اثر حرکت آهنربا ایجاد ب( جریان دائمی از سیمپیچ A میگذرد که پیوسته قطع و وصل میشود. میشود چیست ب( اگر آهنربا از پیچه دور شود انحراف عقربه چه پ( جریان متناوبی از سیمپیچ A میگذرد. تغییری میکند 90 شکل 21-4 گالوانومتر شکل شکل 22-4 مقطع یک مولد )ژنراتور( را نشان میدهد. توضیح دهید در هنگامی که جریان وارد سیمپیچهای چرخان میشود مولد چگونه برق تولید میکند. 20. با توجه به دادههای روی شکل 23-4 ولتاژ خروجی توسط ثانویهی مبدل چهقدر است جریان مستقیم )به طرف آهنربای الکتریکی( جریان متناوب )به طرف خطوط انتقال( پیچه ی ثانویه پیچه ی اولیه 120 دور 60V )ac( هسته آهنی شکل دور شکل 22-4

91 91 آزمایشگاه و فیزیک 4 فصل تشریحی آزمون و شباهتها است. شده داده نشان زمین و میلهای آهنربای یک مغناطیسی میدان خطهای 24-4 شکل در 1- کنید. بیان را میدانها این تفاوتهای 24-4 شکل کنید. مشخص D و C B نقطههای در را مغناطیسی عقربههای جهت الف 25-4 شکل در الف( شکل است N قطب میله سر کدام ب( هچ در آهنربا دو این دهید نشان ب 25-4 شکل به توجه با دارند. قرار جعبهای درون میلهای آهنربای دو پ( یکدیگرند. به نسبت وضعیتی کاغذ صفحهی بر عمود که جریان حامل حلقهی محور یک روی 26-4 شکل مطابق میلهای آهنربای یک 3- دهید. توضیح دفع یا میشود جذب حلقه طرف به آهنربا آیا دارد. قرار است 26-4 شکل

92 92 کار کتاب برابر در 27-4 شکل مطابق آهنی میلهی یک 4- اب است. گرفته قرار هستهدار سیملولهی یک : کلید s بستن کنید. معین شکل روی را سیملوله مغناطیسی قطبهای الف( آهنی میله سیملوله S هسته 27-4 شکل است صورت چه به میگذرد آهنی میلهی از که سیملوله از ناشی مغناطیسی میدان جهت ب( کنید. مشخص میشود ایجاد آهنی میلهی در مغناطیسی القای پدیدهی اثر بر که را مغناطیسی قطبهای پ( دهید. توضیح میچرخد یا راست یا میکند حرکت چپ طرف به آهنی میلهی آیا شود باز s کلید وقتی ت( بنویسید. فیزیکی سادهی متن یک صورت به را زیر مفهومی نقشهی 5- الکتریکی میدان های میدان مغناطیسی توسط شود می ایجاد توسط شود می ایجاد منفی بار بارها آهنرباها شمال شود می نامیده شامل شامل شود می نامیده الکترون نوع دو که طوری به قطب دو جنوب باشند داشته وجود توانند می دافعه همنام جاذبه ناهمنام صورت به همواره جداگانه مقایسه جفت

93 93 آزمایشگاه و فیزیک که میدهد نشان را دوچرخه دینام یک ساختار 28-4 شکل 6- دوچرخهی عقب یا جلو چرخ با دینام سر تماس با نیاز هنگام در میشود. تأمین نیاز مورد الکتریکی انرژی حرکت حال در الکتریکی انرژی دینام سر چرخیدن با چگونه دهید توضیح میآید. بهوجود 28-4 شکل هک هنگامی قاب در جریان جهت میچرخد. ساعتگرد پاد بهطور قاب 29-4 شکل سادهی الکتریکی موتور در 7- ساعتگرد پاد یا است ساعتگرد دمیشود دیده باال از 29-4 شکل میشود. متصل افزاینده مولد یک اولیهی به برق تولید نیروگاه یک مولد خروجی سیمهای 30-4 شکل مطابق 8- در چرا است. الزم افزاینده مبدل چرا دهید توضیح انرژی انتقال در شده تلف توان دربارهی خود نظر به توجه با باال ولتاژ با انتقال خطوط یابد کاهش ولتاژ امکان حد تا باید مصرف محل کاهنده مبدل کاهنده مبدل افزاینده مبدل نیروگاه 30-4 شکل 12kV 240kV 2400V 240V متنی صورت به را خود دریافت سپس و کنید نگاه دقت به 31-4 شکل به 9- کنید. بیان سطر چند در کوتاه 31-4 شکل

94 94 کتاب کار آزمون چند گزینهای 1- در شکل 32-4 قطبنمای 1 روی سیم و دیگری زیر سیم مستقیم و بلند حامل جریان I قرار گرفتهاند. کدام گزینه جهت درست عقربهی مغناطیسی را به ترتیب در هر یک از این قطبنماها نشان میدهد الف( ب( شکل 32-4 پ( ت( 2- با توجه به شکل 33-4 جهت میدان مغناطیسی حاصل در نقطهی p ناشی از میدان مغناطیسی دو آهنربای میلهای مشابه کدام است الف( ب( پ( ت( شکل اگر در شکل 34-4 قطب N آهنربا به طرف سیملوله حرکت کند کدام گزینه نادرست است الف( در سیملوله جریانی القا میشود که از گالوانومتر میگذرد. شکل 34-4 ب( انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. پ( اگر آهنربا را از قطب S به سیملوله نزدیک کنیم جریانی در سیملوله القا نمیشود و گالوانومتر عبور جریانی را نشان نمیدهد. 4- موتور الکتریکی: الف( انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. ب( انرژی گرمایی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. پ( انرژی الکتریکی را تنها به انرژی گرمایی تبدیل میکند. ت( انرژی گرمایی را به انرژی مکانیکی تبدیل میکند. ث( انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی و گرما تبدیل میکند. 5- مزیت جریان متناوب )ac( نسبت به جریان مستقیم )dc( در انتقال توان الکتریکی آن است که: الف( میتواند یکطرفه شود. ب( آسانتر تولید میشود. پ( ایمنتر است. ت( اتالف آن هنگام انتقال کمتر است.

95 فیزیک و آزمایشگاه با توجه به شکل 35-4 از دو حلقهی رسانای هم مرکز جریانهای مساوی I میگذرد. جهت برایند میدان مغناطیسی در نقطهی c چگونه است پ( ب( الف( ج( ث( ت( شکل شکل 36-4 یک مبدل کاهندهی ac را نشان میدهد. ولتاژ خروجی )ثانویه( چهقدر است الف( 22 V ب( 44 V پ( 66 V ت( 88 V شکل 36-4