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物 理
第1問 図1—1のように水平面に対して の角度をなす斜面上に質量 の直角二等辺三角形の物体Aを斜辺の面が斜面と接するように置く。直角二等辺三角形の等しい2辺の長さを とする。Aの上面に質量 で,大きさの無視できる小さな物体Bを置く。斜面上に原点Oをとり,水平右向きに 軸,鉛直下向きに 軸をとる。はじめ,Aは上面が となる位置にあり,BはAの上面の右端,すなわち, の位置にある。空気の抵抗および斜面とAの間の摩擦は無視できるものとする。重力加速度を とする。
Ⅰ AとBの間の摩擦も無視できる場合に以下の問に答えよ。
(1) 図1—1のようにAの右面に水平左向きに力 を加えたところ,2つの物体は最初の位置に静止したままであった。 の大きさを求めよ。
(2) 力 を取り除いたところ,AとBは運動を開始した。その後,BはA上面の左端に達した。この瞬間のBの 座標を求めよ。
(3) BがA上面の左端に達する直前のBの速さ を求めよ。
Ⅱ 図1—2に示すようにA上面の点Pを境にして右側の表面が粗く,この部分でのAとBの間の静止摩擦係数および動摩擦係数はそれぞれ ,(ただし )である。A上面の点Pより左側は,なめらかなままである。問Ⅰ(1)と同様に,力 を加えて両物体を静止させた。力 を取り除いた後の両物体の運動について以下の問に答えよ。
(1) が十分に大きい場合,BはA上面を滑り出さず,両物体は一体となって斜面を滑りおりる。このときの両物体の 方向の加速度 と 方向の加速度 を求めよ。
(2) がある値 より大きければBはA上面を滑り出さず,小さければ滑り出す。その値 を求めよ。
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(3) が より小さい場合に,Bが最初の位置 からA上面の左端に達するまでの軌跡として最も適当なものを図1—3の(ア)~(オ)の中から一つ選べ。ここで ,, はそれぞれ,Bの最初の位置,BがA上面の点Pに達した瞬間の位置,BがA上面の左端に達した瞬間の位置を表す。また破線は直線 を示す。
図1—1
図1—2
図1—3
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第2問 図2—1に示すように直交座標系を設定する。初速度の無視できる電荷 ,質量 の陽子が, 軸上で小さな穴のある電極aの位置から電極a,b間の電圧 で 方向に加速され, 軸に垂直で 軸方向の長さが の平板電極c,d からなる偏向部に入る。c,d間には 方向に強さ の一様な電界がかけられている。これらの装置は真空中にある。電界は平板電極c,dにはさまれた領域の外にはもれ出ておらず,ふちの近くでも電極に垂直であるとし,地磁気および重力の影響は無視できるとして,以下の問に答えよ。
Ⅰ 電極bの穴を通過した瞬間の陽子の速さ を,,, を用いて表せ。
Ⅱ その後,陽子は直進し,速さ のままで偏向部に入る。
(1) 陽子が電極cに衝突することなく偏向部を出る場合,その瞬間の 座標(変位) を,,,,, を用いて表せ。
(2) がある値 より大きければ陽子は電極cに衝突し,小さければ衝突しない。その値 を,,, を用いて表せ。
Ⅲ 陽子のかわりにアルファ粒子(電荷 ,質量 )を用いて同じ , の値で実験を行ったところ,偏向部を出る瞬間の 座標(変位)は であった。 を, を用いて表せ。
Ⅳ の値を に固定し,電極c,dにはさまれた領域に 方向に磁束密度 の一様な磁界をかけ,再び陽子を用いて実験した。
(1) をある値 にしたところ,陽子は偏向部を直進し,偏向部を通過するのに時間 を要した。 と を,,, を用いてそれぞれ表せ。
(2) をある値 にしたところ,陽子が偏向部を出る直前の 座標(変位)は であった。このときの陽子の速さ を,,,,, を用いて表せ。
(3) を の範囲内で変化させて実験を繰り返し,陽子が偏向部を通過するのに要する時間 を測定した。このとき, と の関係を表すグラフはどのようになるか。図2—2の(ア)~(オ)の中から最も適当なものを一つ選べ。
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図2—1
図2—2
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第3問 図3のように,二つの容器1,2のそれぞれに1モルの気体1,2を入れ,水平な床に固定する。これらの気体はともに理想気体とする。二つの容器は摩擦なしに水平に動くことのできるピストンAでつながれている。ピストンAの容器1内の底面積は であり,容器2内の底面積は である。容器2にはさらに,上下に動くことのできるピストンBがついており,その上に質量 のおもりがのせてある。ピストンBの底面積は であり,その質量は無視できる。容器1には体積の無視できるヒーターが取り付けられている。ピストンA,Bと容器は熱を通さない。気体は容器の外にもれず,容器の外は真空である。気体定数を ,重力加速度を とする。
Ⅰ ピストンBが動かないように固定されている場合を考える。
(1) ピストンAが静止している状態において,気体1の圧力 と気体2の圧力 の間に成り立つ関係式を書け。
(2) はじめ気体1の方が気体2より温度が低く,気体1の体積が ,気体2の体積が であった。ヒーターで気体1を加熱して気体1,2を等しい温度にした。このときの気体2の体積 を,, を用いて表せ。
Ⅱ ピストンBが摩擦なく動くことができる場合を考える。ピストンA,Bが静止している状態において,気体1の温度が であるとき,気体1の体積 を,,,,, を用いて表せ。
Ⅲ 問Ⅱの状態から気体1をヒーターで加熱したところ,気体1の温度は になり,気体2の温度は変わらなかった。また,ピストンAは右に距離 だけゆっくりと移動し,ピストンBは だけ上昇した。
(1) 移動距離 を,,, を用いて表せ。
(2) 温度 を,,,,, を用いて表せ。
(3) 気体1は単原子理想気体として,ヒーターから加えられた熱量 を,,, を用いて表せ。
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図3
第1問 斜面をすべる三角の台と、その上の小さな物体
答えは東大の正解ではなく、自分で解いて、式とは別の計算で確かめたもの。
問題の読み方
45° の斜面に、断面が直角二等辺三角形の台 A を置き、その水平な上の面に小さな物体 B をのせる問題。斜面と A の間に摩擦はない。A は斜面にそってすべり、B は A の上面の上をすべったり、くっついて動いたりする。
A の動きの向きが決まっている:A は斜面にそってしか動けないので、A の速度・加速度はいつも斜面の向き(右下 45°)。 成分と 成分がいつも等しい。
B は A の上面からはなれない:だから B の 方向(たて)の動きは A の上面と同じ。一方、横( 方向)は、A と B の間に摩擦が無ければ、B に横向きの力がはたらかない。
摩擦がある区間では、すべらない条件は 。すべるときは動摩擦 。図の破線 は斜面の表面で、A の上面の左はしはいつもこの線の上にある。
Ⅰ(1)
A と B をまとめて1つの物体と見ると、はたらく力は重力 (下向き)、F(左向き)、斜面からの垂直抗力(斜面に垂直)の3つ。
斜面は 45° なので、垂直抗力の向きは鉛直から 45° 傾いていて、その横向きの成分とたて向きの成分は等しい。たての成分は重力とつり合うので 、横の成分は F とつり合う。だから F は重力と同じ大きさになる。
Ⅰ(2)
A と B の間に摩擦が無いので、B にはたらく力は重力(下)と A からの垂直抗力(上)だけ。横向きの力が無いので、B の 座標は のまま変わらず、B はまっすぐ真下に動く。
A は右下へすべっていき、A の上面の左はし(斜面 の上にある)がちょうど まで来たとき、B は左はしに達する。そこは斜面の上なので 。
Ⅰ(3)
A の速さを とすると、A は斜面にそって 45° の向きに動くので、 成分も 成分も 。B は A の上面からはなれないので、B のたての速さ(B の速さ そのもの)は A のたての成分と等しい:
摩擦が無いので力学的エネルギーが保存する。A も B もたてに だけ下がっているので
A をとても軽くすると自由落下の速さ に、とても重くすると に近づく。B は A に下から支えられているので、自由落下よりおそい。
Ⅱ(1)
B が A の上ですべらなければ、A と B は一体になって、摩擦の無い斜面をすべりおりる。斜面にそった加速度は 。
向きは斜面にそって右下 45° なので、 成分と 成分に分けると、それぞれ になる。
Ⅱ(2)
一体で動くとき、B が必要とする力を考える。B の加速度はⅡ(1) の 。
横向き:B を右へ加速させるのは A からの静止摩擦力 だけなので 。
たて向き:重力 (下)と垂直抗力 (上)で 、よって 。
よって ならすべらない。この境目が 。45° の斜面だから 1 になる(角度 θ の斜面なら )。
Ⅱ(3)
Q₁→Q₂(ざらざらの区間):B には、横向きに動摩擦力 、たてに重力と垂直抗力がはたらく。A も B も、動き出してからずっと同じ種類の力を受けるので、どちらも加速度が一定になる。止まった状態から一定の加速度で動くと、その道すじはまっすぐな線になる( と の変化の比がずっと同じ)。
B は横向きの力を受けるが、A ほど速く右へは進めないので、傾きは破線より急(下向きの割合が大きい)。
Q₂→Q₃(なめらかな区間):摩擦が無くなるので、B の横の速さはそのまま一定。たての速さは A に合わせてふえ続ける。横の速さが一定でたての速さだけふえるので、道は下へ曲がっていく。Q₂ では速度がとぶわけではないので、道は折れずになめらかにつながる。
Q₃:A の上面の左はしは斜面の上にあるので、Q₃ は破線 の上。
図1—3 の中で、「Q₁→Q₂ がまっすぐ」「Q₂ で折れずに下へ曲がる」「Q₃ が破線の上」の3つを全部満たすものを選ぶ。Q₁→Q₂ が曲がっているもの、Q₂ で折れているもの、Q₃ が破線から離れているものは違う。
答えイは傾きの直線、は横の速さ一定・下の速さだけ増えるので下へ曲がる(で折れない)
第2問 陽子を電場と磁場で曲げる
答えは東大の正解ではなく、自分で解いて、式とは別の計算で確かめたもの。
問題の読み方
止まっていた陽子を電圧 で加速し、上下2枚の板 c・d のすき間に入れて、電場で曲げる問題。板の間の動きは、水平に投げた物体の運動(放物運動)と同じ形になる:進む向き()は等速、横向き()は一定の力 による等加速度。
Ⅳ では、板の間に 向きの磁場を足す。磁場の力(ローレンツ力) は速度にいつも垂直なので、仕事をしない。だから速さを変えるのは電場だけで、エネルギーは電場の分だけ考えればよい。これがⅣ(2) の鍵。
Ⅰ
電極 a から b まで、電場が陽子にする仕事は 。それが全部運動エネルギーになる:
Ⅱ(1)
板の間では、 方向は力が無いので速さ のまま。長さ を通りぬける時間は
方向は、力 で加速度 の等加速度運動(はじめの 方向の速さは 0)。その時間で進む距離は
Ⅱ(2)
陽子が板 c に当たらないのは、出口に着くまでの のずれが より小さいとき。境目は 。
Ⅱ(1) の式に を入れると、 と が消えて
Ⅲ
Ⅱ(2) で出したとおり、ずれは で、電荷 も質量 も入っていない。
理由を言葉でいうと:アルファ粒子は電荷が2倍なので、加速部で2倍のエネルギーをもらうが、質量が4倍なので速さは 倍。だから板の間にいる時間が 倍(時間の2乗で2倍)になる。一方、横向きの加速度は「電荷÷質量」で 倍。この2つがちょうど打ち消し合う。
同じ電圧で加速して同じ電場で曲げるかぎり、どんな粒子も同じ道をたどる。
Ⅳ(1)
陽子が板の間をまっすぐ進むには、電場の力 ( 向き)と、磁場の力が打ち消し合えばよい。
陽子の速度は 、磁場は なので、磁場の力の向きは「速度から磁場へ右ねじを回す向き」で 向き。大きさは 。つり合いの式は
まっすぐ進むので速さは のまま。通りぬける時間は長さ を で割ったもの。
Ⅳ(2)
が より小さいと、電場の力が勝って陽子は上()へ曲がり、出口で だけずれる。
磁場の力は速度にいつも垂直なので仕事をしない。陽子にされた仕事は、加速部の と、板の間で電場が 方向に 動かした分の だけ:
これを について解く。道すじが複雑でも、エネルギーで考えれば位置だけで速さが決まる。
Ⅳ(3)
通りぬける時間を決めるのは、進む向き()の速さ。陽子が上()へ動くと、磁場の力の 成分が生まれる。 方向の速度 と 向きの磁場で、力の 成分は (前向き)。これを時間で足し合わせると
つまり、上にずれているほど前へ速く進む。 では陽子はずっと上側()にいるので、 はいつも より大きく、 は より短い。
両はしを考える: なら磁場が無いので の速さは のままで 。 ならまっすぐ進むので、やはり 。
「両はしで 、その間ではいつも より短い」谷の形のグラフを選ぶ。上に山があるものや、片方のはしだけ になるもの、まっすぐ のままのものは違う。実際の谷はとても浅く、たとえば が の 10 分の 1 のとき、一番短い所でも より 0.17% 短いだけ。
答えアではいつも、とでにもどる
第3問 面積のちがうピストンでつないだ2つの気体
答えは東大の正解ではなく、自分で解いて、式とは別の計算で確かめたもの。
問題の読み方
容器1と容器2の気体(どちらも 1 モル)を、左右で面積のちがうピストン A でつないだ問題。A の容器1側の面は 、容器2側の面は 。外は真空なので、ピストンを押すのは気体の圧力だけ。
力のつり合い:ピストンが止まっている(ゆっくり動く)とき、両側から押す力(圧力×面積)が等しい。
体積のつながり:A が右へ 動くと、容器1の体積は ふえ、容器2の体積は へる。
状態方程式 (1 モル)と、熱力学第1法則(もらった熱=内部エネルギーのふえ+外にした仕事)。ピストンも容器も熱を通さないので、気体2はヒーターの熱を直接はもらわない。
Ⅰ(1)
ピストン A が止まっているとき、左から気体1が で押し、右から気体2が で押して、つり合っている:
面の大きい側の気体2は、半分の圧力で同じ力を出せる。
Ⅰ(2)
B は止められているので、変わりうるのは A の位置だけ。A が 動くと、容器1は ふえ、容器2は へるので、「容器1の体積の2倍+容器2の体積」は変わらない:
( は温めた後の気体1の体積。Ⅱ の とは別のもの。)
温めた後、2つの気体の温度が等しく、どちらも 1 モルなので、状態方程式から 。Ⅰ(1) の を入れると
これを体積の式に入れると、 が に置きかわって
気体2は熱をもらっていないのに、押しちぢめられて温度が上がる。そこへ気体1の温度が追いつく、という場面。
Ⅱ
B が動けるとき、B が止まっているための条件は、気体2の圧力がおもりの重さを支えること(外は真空で、B の質量は無視):
Ⅰ(1) の関係 から気体1の圧力は 。気体1の状態方程式 から体積が出る。
Ⅲ(1)
B が動ける間は、気体2の圧力はいつも で変わらない(おもりの重さで決まる)。問題文より気体2の温度も変わらないので、状態方程式から気体2の体積も変わらない。
A が右へ 動くと容器2の体積は へり、B が 上がると ふえる。この2つが打ち消し合うので
Ⅲ(2)
気体1の圧力は で、加熱の間ずっと一定。体積のふえは 。
圧力一定での状態方程式の変化は :
左辺は になり、 も も消える。これを について解く。
Ⅲ(3)
熱力学第1法則で、ヒーターの熱 は、気体1の内部エネルギーのふえと、気体1が外にした仕事に分かれる。
単原子の理想気体 1 モルの内部エネルギーのふえは 。気体1がした仕事は 。足して
気体1が A を押した仕事は、気体2を通って(気体2は温度も体積も変わらないので、受けとった仕事をそのまま B に渡す)、おもりを 持ち上げる仕事 になっている。