東大 過去問 2005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)2005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のように,地球の中心Oを通り,地表のある地点Aと地点Bとを結ぶ細長いトンネル内における小球の直線運動を考える。地球を半径 R,一様な密度 ρ の球とみなし,万有引力定数を G として以下の各問に答えよ。なお,地球の中心Oから距離 r の位置において小球が地球から受ける力は,中心Oから距離 r 以内にある地球の部分の質量が中心Oに集まったと仮定した場合に,小球が受ける万有引力に等しい。ただし,地球の自転と公転の影響,トンネルと小球の間の摩擦および空気抵抗は無視するものとし,地球の質量は小球の質量に比べ十分大きいものとする。

Ⅰ 質量 m の小球を地点Aから静かにはなしたときの運動を考える。

(1) 小球が地球の中心Oから距離 r(r<R) の位置にある時,小球に働く力の大きさを求めよ。

(2) 小球が運動開始後,はじめて地点Aに戻ってくるまでの時間 T を求めよ。

Ⅱ 同じ質量 m を持つ二つの小球P,Qの運動を考える。時刻 0 に小球Pを,時刻 t1 に小球Qを同一の地点Aで静かにはなしたところ,二つの小球はOBの中点Cで衝突した。ここで二つの小球間のはねかえり係数を 0 とし,衝突後二つの小球は一体となって運動するものとする。ただし,t1 は問Ⅰ(2)で求めた時間 T より小さいものとする。

(1) t1 を T を用いて表せ。

(2) 二つの小球P,Qが衝突してからはじめて中心Oを通過するまでの時間を T を用いて表せ。

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Ⅲ 問Ⅱと同様に,時刻 0 に小球Pを,時刻 t1 に小球Qを同一の地点Aで静かにはなした。ただし,二つの小球間のはねかえり係数は e(0<e<1) とする。

(1) 二つの小球が最初に衝突した後,小球Pは地点Bに向かって運動し,地球の中心Oから距離 d の点Dにおいて中心Oに向かって折り返した。このときの d の値をはねかえり係数 e および地球の半径 R を用いて表せ。

(2) 小球Pと小球Qが二回目に衝突する位置を求めよ。

(3) その後二つの小球は衝突を繰り返した。十分時間が経過した後,どのような運動になるか答えよ。

図1
図1
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第2問 図2—1のように,ボタン型磁石と薄いアルミニウム円板を貼りあわせたものを,磁石の磁力を使って鉄釘を介して乾電池の鉄製負電極につるす。乾電池の正極からリード線をのばし,抵抗を介してリード線の他端Pをアルミニウム円板の円周上の点に触れさせると,アルミニウム円板とボタン型磁石は回転を始めた。その後,リード線とアルミニウム円板がすべりながら接触するようにリード線を保持すると,円板と磁石は回転し続けた。ボタン型磁石は,図2—1のように上面がN極,下面がS極で,電気を通さない。アルミニウム円板の半径を a[m],乾電池の起電力を V[V],抵抗の抵抗値を R[Ω],アルミニウム円板を貫く磁束密度 B[T] は円板面内で一様として,以下の問に答えよ。ただし,リード線とアルミニウム円板の間の摩擦,鉄釘と電池の間の摩擦は無視してよい。また,アルミニウム円板と鉄釘の間の摩擦は十分大きく,これらは一体になって回転するものとする。

図2—1
図2—1
図2—2
図2—2

Ⅰ アルミニウム円板とボタン型磁石が回転する方向を,理由を付して答えよ。略図を使ってもよい。ただし,アルミニウム円板を流れる電流は,鉄釘との接合点Qと点Pの間を直線的に流れると考えてよい。

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Ⅱ 図2—2のように,乾電池のかわりに検流計を置く。アルミニウム円板とボタン型磁石を図2—2の矢印方向に力を加えて回転させると,検流計に電流が流れた。電流の流れる方向を理由を付して答えよ。

Ⅲ Ⅱで生じていた起電力 E[V] の大きさは,ボタン型磁石の回転の角速度が ω[rad/s] のとき,E=bωB と表せることを示し,係数 b を求めよ。ただし,釘は十分細いとしてよい。

Ⅳ 図2—1において,十分時間が経つとアルミニウム円板とボタン型磁石の角速度はある一定値 ω1[rad/s] になる。ω1 を V,B,b を用いて表せ。

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第3問 レーザー光が原子に与える作用を用いることにより,原子気体を冷却し,なおかつ空間のある領域に保つことができる。そのような冷却原子気体を用いて,原子の波動性を検証する次のような実験を行った。

 図3—1のように,鉛直上向きを z 軸とする直交座標系を設定する。レーザー光によって冷却原子気体を点 (x,y,z)=(0,0,L+l) のまわりに保つ。この点から L だけ鉛直下方に,y 軸に平行な間隔 d,長さ a の二重スリットを水平に置く。さらに l だけ鉛直下方に,原子が当たると蛍光を発するスクリーンを水平(xy 面上)に置く。これらはすべて真空中にある。冷却原子気体の空間的広がり,二重スリットの間隔 d,および長さ a は,L,l に比べて十分小さいとする。スクリーン上の蛍光のようすは,ビデオカメラによって撮影する。

 時刻 t=0 にレーザー光を切ると,個々の原子はその瞬間に持っていた速度を初速度とし,重力のみを受けた運動を始める。一部の原子は二重スリットを通過し,スクリーンに到着する。時刻 t=0 以降,原子どうしの衝突はないものとする。二重スリットを通過した原子のうち,z 軸方向の初速度がゼロであったものがスクリーンに到着する時刻を t0 とする。単位時間あたりにスクリーンに到着した原子数の時間変化は図3—2のようであった。原子の質量を m,プランク定数を h,重力加速度を g とする。

Ⅰ l は L に比べて十分小さく,二重スリットを通過した後の原子の加速は無視できるものとして,以下の問に答えよ。

(1) 二重スリットを通過した原子のうち,z 軸方向の初速度がゼロであったものがスリット通過直後に持っていた速さ v,およびド・ブロイ波長 λ を求めよ。

(2) 時刻 t=t0 にビデオカメラによって撮影された画像には,図3—3のような干渉縞が写っていた。この干渉縞の間隔 Δx0 を求めよ。ただし,Δx0 は d より十分大きく,l より十分小さいとする。必要ならば,θ が 1 より十分小さいときに成り立つ近似式 sinθ≒tanθ≒θ を用いよ。

(3) 時刻 t=t0 の前後にビデオカメラによって撮影された画像にも,図3—3と同様な干渉縞が写っていた。時刻 t に観測された干渉縞の間隔 Δx を縦軸,時刻 t を横軸として,Δx と t の関係を表すグラフの概形を描け。ただし,図3—2のように時刻 t=t0 の位置を横軸に明示すること。

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Ⅱ L を固定し,l を変化させて実験を繰り返した。ただし,l の大きさは L と同程度で,二重スリットを通過した後の原子の加速は無視できないものとする。z 軸方向の初速度がゼロであった原子がスクリーンに到着する時刻に観測される干渉縞の間隔を Δx1 とする。Δx1 と l の関係を最も適切に表しているグラフを図3—4の(ア)~(カ)の中から一つ選び,その理由を答えよ。

図3—1
図3—1
図3—2
図3—2
図3—3
図3—3
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図3—4
図3—4