هفت سوال جالب فیزیک(سری دوم سوالات)

در سرى دوم ٧ سئوال فیزیکى، به موضوعاتى همچون:

  • پیچ و تاب
  • افتادن سنگ‌ها
  • فیل و پر
  • ضربه‌ی ناشی از حشرات
  • همراه باد
  • همراه با باد ولی با کمی زاویه(!)
  • باد مخالف

و جواب ۷ سوال فیزیکی جذاب با نام‌های:

  • دوچرخه‌ها و زنبور
  • سگ پرتقال‌فروش(نام سوال در کتاب زبان انگلیسی sam است)
  • سرعت رو سرعت
  • سرعت شتاب نیست
  • شتاب در نقطه‌ی اوج
  • واژگون‌سازی زمان
  • بدون سرعت سنج

که در اینجا منتشر شد قرار دارد.

پیچ و تاب

آب از انتهای یک لوله بیرون می‌آید. انتهای لوله دارای خمیدگی است. آب به شکل …

الف) یک کمان از لوله خارج می‌شود.

ب) یک خط راست از لوله خارج می‌شود.

(خم شدن مسیر آب در اثر نیروی گرانش را در نظر نگیرید.)


افتادن سنگ‌ها

یک تخته‌سنگ در اختیار داریم که وزن آن چند برابر وزن یک قلوه‌سنگ است. بنابراین نیروی گرانش وارد به این تخته‌سنگ چند برابر نیروی گرانش وارد به قلوه‌سنگ است. آن‌ها را با هم می‌اندازیم، شتاب یکسان خواهند داشت (مقاومت هوا بسیار ناچیز است). دلیل بنیادی(!) این که شتاب تخته سنگ از شتاب قلوه‌سنگ بیشتر نیست، چیست؟

الف) انرژی

ب) وزن

ج) لختی(اینرسی)

د) مساحت سطح مؤثر

هـ) هیچ کدام از این‌ها


فیل و پر

فرض کنیدکه یک فیل و پر یک کلاغ همزمان از بالای یک درخت بسیار بلند می‌افتند. کدام یک با نیروی مقاومت هوای بیشتری مواجه می‌شود؟

الف) فیل

ب) پر کلاغ

ج) نیروی وارد به هر دو یکسان است


ضربه‌ی ناشی از حشرات

یک دسته حشره در یک شیشه‌ی مربا قرار دارند. فرض کنید شما این شیشه‌ی مربا را روی ترازو قرار می‌دهید. ترازو چه زمانی وزن بیشتری را نشان می‌دهد؟

الف) حشرات روی کف شیشه‌ی مربا نشسته باشند

ب) در داخل شیشه پرواز کنند

ج) وزن شیشه همیشه ثابت است


همراه باد

بعضی افراد قایق‌های بادی را دوست دارند. منطقا در روز‌های بادی علاقه افراد به این قایق‌ها بیشتر نیز می‌شود. فرض کنید شما در حال قایقرانی در مسیر باد هستید و سرعت باد برابر ۲۰ مایل بر ساعت است. بنابراین حداکثر سرعت ممکن برای حرکت قایق …

الف) نزدیک به ۲۰ مایل بر ساعت است.

ب) چیزی میان ۲۰ مایل بر ساعت و ۴۰ مایل بر ساعت است.

ج) دارای هیچ محدودیتی نیست.


همراه با باد ولی با کمی زاویه(!)

فرض کنید باز هم تصمیم به قایق‌سواری دارید و هوا به طرز خوبی بادی است. اگر بادبان قایق شما با باد زاویه ایجاد کند سرعت شما …

الف) کم می‌شود.

ب) زیاد می‌شود.

ج) تغییری نخواهد کرد.


باد مخالف

باز هم فرض کنید سوار قایق بادبانی هستید؛ اگر شما در مسیر مسقیم حرکت کنید و بادی با زاویه به قایق شما برخورد کند، سرعت قایق شما چگونه تغییر می‌کند؟

الف) زیاد می‌شود.

ب) کم می‌شود.

ج) اصلا دچار تغییر نمی‌شود.

جواب سوال‌ها همراه با سری بعدی سوالات در سری سوم سوالات منتشر خواهد شد…


جواب سری اول سوالات

دوچرخه‌ها و زنبور

جواب گزینه‌ی ب است.

همانطور که میدانید:

$v= \frac{\Delta x}{\Delta t}$

پس بنابراین با توجه به این که سرعت پرواز زنبور را داریم، اگر مدّت زمان پرواز زنبور را به دست آوریم میتوانیم مقدار پرواز زنبور را به دست آوریم.

اگر از همین فرمول برای دوچرخه‌سوارها استفاده کنیم، میتوانیم مقدار Δt را به دست آوریم.سرعت نسبی دوچرخه‌ها نسبت به هم برابر ۲۰ مایل بر ساعت و فاصله‌ی آنها از هم ۲۰ مایل است. بنابراین Δt برابر با ۱ ساعت است.

پس مقدار مسافتی که زنبور پرواز می‌کند برابر با ضرب سرعت آن در مدّت زمان پرواز آن است یعنی:

۲۵=۲۵ × ۱

پس جواب ۲۵ مایل است.

 


سگ و پرتقال فروش

جواب گزینه‌ی د است.

همانطور که میدانید(در سوال قبل نیز گفتیم):

$v= \frac{\Delta x}{\Delta t}$

از آنجایی که سرعت دویدن و مدّت زمان دویدن سگ مقدار مشخصی است، پس مقدار دویدن آن نیز مقداری مشخص است و تغییر نمی‌کند. یعنی مسیر حرکت به مقدار حرکت بستگی ندارد.


سرعت رو سرعت

جواب گزینه‌ی د است.

شما با نگاه کردن به شکلی مانند این می‌تواند سرعت مورچه را به دست آورید. همانطور که می‌دانید اندازه‌ی سرعت از رابطه‌ی زیر به دست می‌آید:

$v= \frac{\Delta x}{\Delta t}$

بنابراین اگر ما مقدار جابه‌جایی مورچه را در یک ثانیه حساب کنیم، مقدار سرعت مورچه را نسبت به خیابان کانال به دست آورده‌ایم(زیرا در مخرج مقدار ۱ ثانیه وجود دارد.).


سرعت شتاب نیست(!)

جواب گزینه‌ی الف است.

سرعت افزایش میابد و شتاب کاهش میابد. در بالای تپه شتاب بیشتر است، زیرا شیب در آنجا بیشتر است. زمانی که توپ به پایین این تپه میرسد، شتابش کم می‌شود، زیرا شیب کم می‌شود.

از آنجایی که سرعت از فرمول زیر به دست می‌آید، افزایش یا کاهش سرعت تنها به علامت شتاب مرتبط است. و شتاب هم در تمام مسیر، مقدار مثبت دارد.

$v= \frac{\Delta x}{\Delta t}$

درباره‌ی شتاب لازم است بدانید که، شتاب هم جهت برآیند نیرو‌های وارد به جسم است. در این سوال نیرو‌ی وارد به جسم همان نیرو‌ی گرانش است و با توجه به قرار گرفتن آن روی سطح شیب دار (هر بخش تپه را میتوان یک سطح شیب دار کوچک در نظر گرفت) نیرو‌ی گرانش را می‌توان به دو بردار نقسیم کرد که یکی موازی سطح شیب دار و دیگری عمود بر سطح شیب دار است. با توجه به اینکه سرعت در راستای سطح شیب دار است، پس نیرویی که در راستای سطح شیب‌ دار است شتاب جسم را مشخص می‌کند.

با توجه به شکل زیر می‌توان دریافت که شتاب در بالای این تپه‌ی خاص(!) بیشتر از شتاب در پایین آن است.


شتاب در نقطه‌ی اوج

جواب گزینه‌ی الف است.

هرچند که سرعت برابر صفر است، ولی شتاب، تغییرات سرعت در ثانیه است، یعنی همان شیب خط سرعت زمان.

یک ثانیه قبل از رسیدن توپ به نقطه‌ی اوج برابر با ۳۲ فوت بر ثانیه است و یک ثانیه بعد از عبور جسم از نقطه‌ی اوج برابر با ۳۲ فوت بر ثانیه است.(یک ثانیه قبل از نقطه‌ی اوج ۳۲ فوت بر ثانیه به سمت بالا است و در یک ثانیه بعد از عبور جسم از نقطه‌ی اوج برابر ۳۲ فوت بر ثانیه رو به پایین است.)

یا به نحو دیگر:

همانطور که طبق قانون دوم نیوتون می‌دانید:

$a= \frac{f}{m}$

با توجه به این فرمول و اینکه نیروی خالص وارد به جسم، نیروی گرانش است(نیروی مقاومت هوا بسیار ناچیز است.) و نیروی گرانش برابر با:

$f= m.g$

پس a برابر با g است که همان ۳۲ فوت بر ثانیه است.


واژگون‌سازی زمان

جواب گزینه‌ی ب است.

اگه فیلم برعکس پخش شود، توپی را نشان می‌دهد که به سمت بالا حرکت می‌کند و شتاب آن به سمت پایین است.(مشخص است وقتی که توپی به سمتی حرکت کند و در نهایت متوقف شود، جهت شتاب خلاف جهت حرکت توپ است.) به عبارت دیگر اگر شما فیلمی که از افتادن این توپ گرفته‌شده را در مغزتان برعکس کنید، می‌بینید که توپ حرکت خود را رو به بالا با سرعت زیاد آغاز میکند و هر چه بالاتر می‌رود، سرعت آن کم می‌شود.

خب اگر فیلم افتادن یک جسم را برعکس کنیم، جهت تغییرات مکان بر حسب زمان (سرعت) ، برعکس می‌شود، جهت تغییراتِ تغییرات مکان آن بر حسب زمان (شتاب) حفظ می‌شود، جهت تغییراتِ تغییراتِ تغییرات مکان را بر حسب زمان (تغییرات شتاب یا همان جِرک) ، تغییر می‌کند.

نظرتون درباره‌ی جهت تغییراتِ تغییراتِ تغییراتِ تغییرات مکان چیست؟

این هم حفظ می‌شود.

به شیب خط تغییرات مکان بر حسب زمان، مشتق مکان یا همان سرعت می‌گویند و آن را با ẋ نشان می‌دهند که با برعکس شدن فیلم، جهت آن عوض می‌شود.

به شیب خط تغییرات سرعت بر حسب زمان، مشتق سرعت یا همان شتاب می‌گویند و آن را با ẍ نشان می‌دهند که با برعکس شدن فیلم، جهت آن حفظ می‌شود.

به طور کلی هرگاه زوج بار از نمودار تغییرات مکان بر حسب زمان مشتق بگیریم(شیب خط را حساب کنیم)، با برعکس شدن فیلم جهت حفظ می‌شود و اگر فرد بار مشتق بگیریم، با برعکس شدن فیلم، جهت تغییر می‌کند.

-اگر درباره‌ی مشتق اطلاعات کافی ندارید این سوال را نزد معلم فیزیک خود(ترجیحا فیزیک) برده و از او تقاضای راهنمایی و توضیح بکنید-


بدون سرعت سنج

جواب گزینه‌ی هـ است.

برای حل این سوال لازم است از نمودار سرعت زمان کمک بگیریم. می‌دانیم که:

V = Δx / t

بنابراین، می‌دانیم که:

Δx = V . t

پس مساحت نمودار سرعت-زمان، همان مقدار جابه‌جایی است. از طرفی هم میدانیم که خودرو با حداکثر شتاب خود حرکت می‌کند، یعنی نمودار سرعت-زمان، خطی کج است که از نقطه‌ی (0,0) میگذرد. بنابراین زیر نمودار یک مثلث ایجاد می‌شود که مساحت آن برابر با:

S = (V . t) / 2

با توجه به داده‌های مسئله اگر سرعت را با مجهول x نشان دهیم:

1/2 × x/360 = 1/10

پس مقدار x برابر با ۷۲ مایل بر ساعت می‌شود.

 

 

 

منبع:

کتاب thinking physics ترجمه‌ی فارسی: چگونه مفاهیم فیزیک را درک کنیم

لینک کوتاه:
عباس آخوندی

نویسنده: عباس آخوندی

عبّاس آخوندی هستم. دانش‌آموز ریاضی-فیزیک. به مبحث فیزیک حالت جامد و به طور خاص لایه نازک علاقه‌مند هستم. با کمک معلّم‌های مدرسه از طریق شبیه‌سازی فیزیکی با پژوهشی فیزیک آشنا شدم.

ارسال دیدگاه

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *