東大 過去問 2004年 物理|AI解答・解説・シミュレーション|アトリエファクトリー

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東京大学 第2次学力試験(前期)2004年 理科「物理」(東京大学がかつて公開したPDFの Internet Archive 保存版)

問題・出題の意図・東京大学の解答例(東京大学の公表資料)

東京大学の利用規定について

東京大学は、入試問題と出題の意図・解答の2次利用について「東京大学第2次学力試験入学試験問題等の2次利用について」(令和6年7月1日改定)で条件を定めている。このサイトでの対応は次のとおり。

解答とシミュレーション(AIで作成)

制作

制作:アトリエファクトリー(aTELiER FACTORY) https://atelierfactory.jp/

修正履歴

お知らせ(2026年10月4日)

解答・解説・シミュレーションは、すべて Claude Opus 5.5 で作成しています。作ったあとの確かめ方は、科目によって違います。

どの科目も、東京大学が公表した解答ではありません。くわしくは「問題取得方法と回答生成方法」をご覧ください。

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物 理

第1問 図1—1のように水平面に対して 45∘ の角度をなす斜面上に質量 M 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 d とする。Aの上面に質量 m 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 x 軸,鉛直下向きに y 軸をとる。はじめ,Aは上面が y=0 となる位置にあり,BはAの上面の右端,すなわち,(x,y)=(d,0) 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 g 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 F 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。F の大きさを求めよ。

(2) 力 F 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 y 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 v 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 μ,μ′(ただし μ>μ′)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 F を加えて両物体を静止させた。力 F 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) μ 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 x 方向の加速度 ax と y 方向の加速度 ay を求めよ。

(2) μ がある値 μ0 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 μ0 を求めよ。

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(3) μ が μ0 より小さい場合に,Bが最初の位置 (x,y)=(d,0) 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 Q1,Q2,Q3 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 y=x を示す。

図1—1
図1—1
図1—2
図1—2
図1—3
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 q(q>0),質量 m の陽子が,y 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 V で +y 方向に加速され,z 軸に垂直で y 軸方向の長さが l の平板電極c,d (z=±h) からなる偏向部に入る。c,d間には +z 方向に強さ E 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 v0 を,V,q,m を用いて表せ。

Ⅱ その後,陽子は直進し,速さ v0 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 z 座標(変位)z1 を,v0,q,m,l,E を用いて表せ。

(2) E がある値 E1 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 E1 を,V,l,h を用いて表せ。

Ⅲ 陽子のかわりにアルファ粒子(電荷 2q,質量 4m)を用いて同じ V,E の値で実験を行ったところ,偏向部を出る瞬間の z 座標(変位)は z2 であった。z2 を,z1 を用いて表せ。

Ⅳ E の値を E1 に固定し,電極c,dにはさまれた領域に +x 方向に磁束密度 B(B>0) の一様な磁界をかけ,再び陽子を用いて実験した。

(1) B をある値 B1 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 T1 を要した。B1 と T1 を,v0,E1,l を用いてそれぞれ表せ。

(2) B をある値 B2(0<B2<B1) にしたところ,陽子が偏向部を出る直前の z 座標(変位)は z3(z3>0) であった。このときの陽子の速さ v1 を,q,m,V,E1,z3 を用いて表せ。

(3) B を 0<B<B1 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 T を測定した。このとき,B と T 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—1
図2—2
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 S0 であり,容器2内の底面積は 2S0 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 m のおもりがのせてある。ピストンBの底面積は S 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 R,重力加速度を g 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 P1 と気体2の圧力 P2 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 V1,気体2の体積が V2 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 V2′ を,V1,V2 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 T であるとき,気体1の体積 V1′ を,S,T,R,m,g 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 T′ 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 x だけゆっくりと移動し,ピストンBは h だけ上昇した。

(1) 移動距離 x を,S0,S,h を用いて表せ。

(2) 温度 T′ を,T,R,m,g,h 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 Q を,m,g,h を用いて表せ。

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図3
図3