درسنامه آموزشی فیزیک (3) دوازدهم رشته ریاضی با پاسخ فصل اول: حرکت با سرعت ثابت
-
فیزیک (3) ریاضی
- فصل 1: حرکت بر خط راست
- قسمت 1: شناخت حرکت
- قسمت 2: حرکت با سرعت ثابت
- قسمت 3: حرکت با شتاب ثابت
- قسمت 4: سقوط آزاد
- فصل 2: دینامیک و حرکت دایرهای
- قسمت 1: قوانین حرکت نیوتون
- قسمت 2: معرفی برخی از نیروهای خاص
- قسمت 3: تکانه و قانون دوم نیوتون
- قسمت 4: حرکت دایرهای یکنواخت
- قسمت 5: نیروی گرانشی
- فصل 3: نوسان و موج
- قسمت 1: نوسان دورهای
- قسمت 2: حرکت هماهنگ ساده
- قسمت 3: انرژی در حرکت هماهنگ ساده
- قسمت 4: تشدید
- قسمت 5: موج و انواع آن
- قسمت 6: مشخصههای موج
- فصل 4: برهم کنشهای موج
- قسمت 1: بازتاب موج
- قسمت 2: شکست موج
- قسمت 3: پراش موج
- قسمت 4: تداخل امواج
- فصل 5: آشنایی با فیزیک اتمی
- قسمت 1: اثر فوتوالکتریک و فوتون
- قسمت 2: طیف خطی
- قسمت 3: مدل اتم رادرفورد- بور
- قسمت 4: لیزر
- فصل 6: آشنایی با فیزیک هستهای
- قسمت 1: ساختار هسته
- قسمت 2: پرتوزایی طبیعی و نیمه عمر
- قسمت 3: شکافت هستهای
- قسمت 4: گداخت (همجوشی) هستهای
سادهترین نوع حرکت، حرکت با سرعت ثابت است. در این نوع حرکت، اندازه و جهت سرعت متحرک در طول مسیر ثابت است (شکل 1-10). پیش از این و در مثال 1-5، با نمونهای از حرکت با سرعت ثابت آشنا شدیم. در این مثال شیب نمودار مکان - زمان متحرک در طول حرکت ثابت و در نتیجه سرعت متوسط متحرک در هر بازهٔ زمانی دلخواه، برابر سرعت لحظهای آن است. در این صورت میتوان نوشت:
v=vav=ΔxΔt⇒Δx=vΔt

اگر مطابق شکل 1-11 متحرک در لحظهٔ t1=0 در مکان x1=x0 و در لحظهٔ t2=t در مکان x2=x باشد، رابطهٔ اخیر را میتوان به صورت زیر بازنویسی کرد:
x−x0=v(t−0)
یا:
(۷-۱) (معادلهٔ مکان - زمان در حرکت با سرعت ثابت) x=vt+x0
در معادلهٔ 1-7 معمولاً x0 را که مکان متحرک در لحظهٔ t=0 است مکان اولیهٔ متحرک مینامند. توجه کنید که مکانهای x0 و x میتوانند مثبت، منفی یا صفر باشند. سرعت متحرک هم به دلیل ماهیت برداری آن، در صورتی که حرکت در جهت محور x باشد مثبت و در غیر این صورت منفی است.

مثال ۱-۱۰
شکل روبه رو بخشی از نمودار مکان - زمان شخصی را نشان میدهد که با سرعت ثابت حرکت میکند.
الف) شخص در مبدأ زمان (t=0/0s) در چه مکانی قرار دارد؟
ب) سرعت حرکت این شخص را به دست آورید و نمودار سرعت - زمان آن را رسم کنید.
پ) در چه لحظه یا لحظههایی شخص در فاصلهٔ 20/0 متری از مبدأ محور قرار دارد؟
ت) اگر شخص به مدت 5/00min به همین صورت حرکت کند، جابه جایی وی را در این مدت به دست آورید.
پاسخ: الف) با توجه به نمودار مکان - زمان، در t=0/0s شخص در مکان اولیهٔ x0=−40/0m قرار دارد.
ب) با توجه به دادههای روی نمودار و قرار دادن دادههای یک لحظهٔ دلخواه (برای مثال t=30/0s و x=20/0m) در رابطهٔ 1-7، داریم:
x=vt+x0⇒20m=v(30s)+(−40m)
در نتیجه v=+2/0m/s به دست میآید. علامت مثبت نشان میدهد که شخص در جهت محور x حرکت میکند. نمودار سرعت - زمان مطابق شکل بالا است.
پ) در لحظههای t=10/0s و t=30/0s. توجه کنید که فاصله از مبدأ مکان، |x| است و نه خوِد x.
ت) با قرار دادن t=5/00min=300s در رابطهٔ Δx=vΔt داریم:
Δx=vΔt⇒Δx=(2/0m/s)(300s)=600m
تمرین ۱-۶ (صفحه ۱۴ کتاب درسی)
شکل مقابل نمودار مکان - زمان دو متحرک A و B را نشان میدهد که در راستای محور x حرکت میکنند.
سرعت هر متحرک را پیدا کنید و معادلهٔ مکان - زمان آنها را بنویسید.
vB=ΔxBΔtB=24−124−0=3m/s و vA=ΔxAΔtA=8−04−0=2m/s
معادلهٔ مکان - زمان به صورت x=vt+x0 است:
x0A=0,vA=2m/s→xA=2t
x0B=12m,vB=3m/s→xB=3t+12
تمرین ۱-۷ (صفحه ۱۴ کتاب درسی)
شکل الف، مکان دو کفش دوزک A و B را که در راستای محور x حرکت میکنند در لحظهٔ t=0 نشان میدهد. نمودار مکان - زمان این کفش دوزکها در شکل ب رسم شده است.
الف) از روی نمودار به طور تقریبی تعیین کنید کفش دوزکها در چه لحظه و در چه مکانی به یکدیگر میرسند.
بعد از حدود 210s و در مکان حدودی 0/5 به هم میرسند.
ب) با استفاده از معادلهٔ مکان - زمان، زمان و مکان هم رسی کفش دوزکها را پیدا کنید.
ابتدا سرعت هر یک را به دست میآوریم:
حرکت یکنواخت بر خط راست است، در نتبجه سرعت لحظهای و سرعت متوسط برابرند.
vB=ΔxBΔxB=0−(−3)(3−0)×60=3180m/s=160m/s و vA=ΔxAΔxA=0−4(4−0)×60=4240m/s=−160m/s
معادلهٔ مکان - زمان در حرکت یکنواخت به صورت x=vt+x0 است، بنابراین داریم:
x0A=4m→vA=−160m/sxA=−160t+4
x0B=−3m→vB=160m/sxB=160t−3
اگر معادلهٔ حرکت دو کفش دوزک را مساوی هم قرار دهیم لحظهای که به هم میرسند به دست میآید:
xA=xB→−160t+4=160t−3→130t=7→t=210s⇒xA=−160×210+4→xA=xB=0/5m
بعد از 210s و در مکان 0/5m به هم میرسند.