جواب فعالیت ۱-۷ صفحه ۲۹ فیزیک (2) - ریاضی فیزیک

الف) تحقیق درباره قفس فاراده و کاربردهای آن

برای این بخش باید درباره قفس فاراده در منابع معتبر جست‌وجو کنم، مثلاً کتاب‌های فیزیک، سایت‌های دانشگاهی یا مقاله‌های علمی‌ـ‌آموزشی. در گزارش خود این موارد را می‌نویسم:

• قفس فاراده چیست: یک پوشش رسانا (مانند قفس توری فلزی یا یک جعبه فلزی) که یک فضای داخلی را احاطه کرده است.
• چرا داخل آن از میدان الکتریکی خارجی محفوظ می‌ماند: بار اضافی و بارهای القایی روی سطح خارجی رسانا توزیع می‌شوند و میدان الکتریکی داخل رسانا صفر می‌شود.
• کاربردها، مثلاً محافظ سیم‌ها و کابل‌های حساس، محافظ دستگاه‌های الکترونیکی در برابر پارازیت، محافظ افراد در برابر میدان‌های قوی و آزمایشگاه‌های تست الکتریکی.

گزارش را با نام منبع‌ها و چند تصویر یا شکل مرتبط در کلاس ارائه می‌دهم.

ب) چرا سرنشین اتومبیل یا هواپیما از آذرخش در امان می‌ماند؟

بدنه فلزی اتومبیل یا هواپیما مانند یک قفس فاراده عمل می‌کند. وقتی آذرخش به آن برخورد می‌کند، بار الکتریکی روی سطح خارجی بدنه توزیع می‌شود و جریان از روی این سطح عبور می‌کند. در داخل بدنه، میدان الکتریکی تقریباً صفر است، پس نیروی الکتریکی روی سرنشین وارد نمی‌شود و جریان قابل توجهی از بدن او عبور نمی‌کند. به همین دلیل معمولاً شخص داخل اتومبیل یا هواپیما در امان می‌ماند.

پ) طراحی آزمایش برای نشان دادن توزیع بار روی سطح خارجی رسانا

آزمایش پیشنهادی: یک ظرف فلزی با درپوش فلزی و دستهٔ عایق را روی پایهٔ عایق قرار می‌دهیم. یک گوی فلزی را که از نخ عایق آویزان است باردار می‌کنیم و داخل ظرف می‌بریم تا با کف یا دیواره داخلی ظرف تماس پیدا کند. سپس گوی را بیرون می‌آوریم و درپوش را می‌بندیم.

مراحل آزمایش:

1. گوی باردار را داخل ظرف فلزی با تماس داخلی قرار می‌دهیم و بیرون می‌آوریم.
2. گوی را به کلاهک الکتروسکوپ نزدیک می‌کنیم و نتیجه را یادداشت می‌کنیم.
3. ظرف را با عایق‌ها از الکتروسکوپ جدا می‌کنیم و سطح بیرونی ظرف را به کلاهک الکتروسکوپ نزدیک می‌کنیم.

نتیجه‌ای که انتظار داریم:

• در مرحله ۲ عقربهٔ الکتروسکوپ تکان نمی‌خورد، یعنی بار روی سطح داخلی ظرف باقی نمانده است.
• در مرحله ۳ عقربهٔ الکتروسکوپ از هم فاصله می‌گیرد، یعنی بار روی سطح خارجی ظرف توزیع شده است.

مقدارهای زیر نمونه‌اند و اندازه‌گیری یا مشاهدهٔ شما ممکن است کمی فرق کند:

نتیجه: بار اضافی داده شده به رسانا فقط روی سطح خارجی آن توزیع می‌شود و روی سطح داخلی آن بار باقی نمی‌ماند.