京大物理'13年[2]

次の文章を読んで、  に適した式か値を、それぞれの解答欄に記入せよ。問1,問2については、指示にしたがって、解答をそれぞれの解答欄に記入せよ。
なお、以下の設問では、極板等はすべて真空中にあり、真空の誘電率をとする。コンデンサーの極板は極板間距離に比べて十分大きく、極板端での電場の乱れは無視できる。導線や導体の抵抗は無視できるものとし、導線はしなやかで軽く、質量が無視できるとともに、極板の動きに影響を与えないものとする。また、重力加速度を
gとする。

(1) 図1のように、極板�@と極板�Aからなる平行板コンデンサーがある。極板�@は固定されており、極板�Aは左右に滑らかに動かすことができる。コンデンサーの極板の面積をSとし、極板�@には電荷が、極板�Aには電荷が蓄えられているものとする()。
極板�@に垂直で極板�Aに向かう方向をx軸とし、極板�@の位置を,極板�Aの位置をとする()。このとき、コンデンサーに蓄えられているエネルギーWは イ である。ここで、極板�Aを平行に保ったまま微小距離だけ極板�@と反対方向に動かしたあとにコンデンサーに蓄えられているエネルギーは ロ である。このエネルギーの変化は、極板�@と極板�Aが引き合う力に逆らって動かしたために生じたものである。そこで、このエネルギーの変化から極板�Aに働く力の大きさを求めると、 ハ となる。

(2) 図2のように、極板�Bと極板�C、および極板�Dと極板�Eからなる2つの平行板コンデンサーがある。極板�Bは固定されている。極板�Cと極板�Dは質量が無視できる導体の棒で接続されて一体化しており、極板を平行に保ったまま上下に滑らかに動かすことができるものとする。図2のように2つのコンデンサーは直列に接続されており、電圧Vがかかっている。これら2つのコンデンサーは十分離れており、互いにクーロン力を及ぼさない。極板�Bと極板�Cの面積はともに,極板�Dと極板�Eの面積はともに,それぞれの極板の質量は面積に比例し、その比例定数をpとする()。2つのコンデンサーの極板間距離をともにdとする。このとき、極板�Bと極板�Cが引き合う力の大きさは ニ である。
いま、極板が引き合う力と重力がつり合うように電圧Vを調整すると、2つのコンデンサーの極板間距離がともにdとなった状態で静止した。このとき、極板の面積はの ホ 倍であり、電圧Vは、極板の面積,を用いることなく ヘ と表すことができる。

(3) 図3のように、極板�Fと極板�G,および極板�Hと極板�Iからなる2つの平行板コンデンサーがある。極板�Fと極板�Iは固定されている。極板�Gと極板�Hは質量が無視できる絶縁体のバネで接続されており、極板を平行に保ったまま上下に滑らかに動かすことができるものとする。このバネのバネ定数はkである。2つのコンデンサーは十分離れており、互いにクーロン力を及ぼさない。すべての極板の面積はSであり、質量をとする()。
いま、極板�F,極板�Gにはそれぞれ,の電荷が帯電しており、極板�H,極板�Iにはそれぞれ,の電荷が帯電しているものとする(,)。図中のスイッチは開いており、極板が引き合う力、重力、バネの力がつり合ってすべての極板は静止している。また、2つのコンデンサー極板間距離をともにdとする。このときのバネの自然長からの伸びは、Qを使わずに表すと ト である。
次に、時刻でスイッチを閉じると同時に、極板�Gが静止したまま極板�Hが単振動を始めるように
qの値を選ぶとともにQを時刻tに応じて適切に制御した。この単振動の中心は極板�Hの最初の位置から チ だけ上方にあり、その振幅は リ である。また、振動の周期Tは ヌ である。
問
1 極版�Fと極板�Gの間には引力しか働かないため、極板�Hの振幅が大きい場合は極板�Gを静止させておくことができなくなる。極板�Hが単振動している間、Qを制御することで極板�Gを静止させておくことができるqの範囲を求めよ。導出の過程もあわせて示せ。
問
2 極版�Hが単振動している間、極板�Gを静止させておくためのQを時刻t の関数として求めよ。導出の過程もあわせて示せ。


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解答 (ホ)(へ)あたりの計算の巧拙が勝負の分かれ目です。(3)問1の問題文がうまくないので、かなり悩みますが、極板�Hに働く重力も考慮に入れるようにしてください。

(1) コンデンサーの静電容量はです。電荷qが蓄えられているとき、静電エネルギーWは、 (コンデンサーの過渡現象を参照)
(イ) ......[答]
極板�Aを動かしたあとの静電容量は,静電エネルギーは、
(ロ) ......[答]
∴
(
ハ) ......[答]

(2) 極板�Bと極板�Cの間のコンデンサーの静電容量は、,極板�Dと極板�Eの間のコンデンサーの静電容量は、,,直列接続の合成容量は、

極板�B,�C,�D,�Eに蓄えられる電気量の大きさは、
(ハ)の結果を用いて、極板�Bと極板�Cが引き合う力の大きさは、
 ・・・(a)
(ニ) ......[答]
同様に、 ・・・(b)
一体化している極板�Cと極板�Dが受ける力は、上向きのクーロン力,下向きのクーロン力,極板�Cと極板�Dが受ける重力,これらのつり合いより、
 ・・・(c)
極板�Eが受ける力は、上向きのクーロン力,下向きの重力,これらのつり合いより、
 ∴  ・・・(d)
(a)÷(b)より、
(d)より、
(c)より、
∴
,
(ホ) ......[答]
この結果と、(b),(d)より、
∴
(
ヘ) ......[答]

(3) このとき、極板�Fと極板�Gの間に働くクーロン力は、,極板�Hと極板�Iの間に働くクーロン力は、となります。
極板�Hに働く力は、バネの自然長からの伸びをxとして、上向きの弾性力,下向きのクーロン力,下向きの重力です。これらの力のつり合いより、
∴ (とします)
(
ト) ......[答]
時刻でスイッチを閉じると、極板�Hと極板�Iの間に働くクーロン力がなくなり、極板�Gが静止したままなので、静止していた極板�Hはこのときの位置を振動端として単振動を始めます。単振動の中心は、がなくなったときの、極板�Hに働く力のつり合いの位置(とします)です。
 ∴
は最初の位置から、
だけ上方にあります。
(チ) ......[答]

(チ)の結果は、振動端と振動中心の間の距離、つまり、単振動の振幅です。
(リ) ......[答]
極板�Hの
加速度をaとして、極板�Hの運動方程式は、
 ∴
よって極板�Hの単振動の角振動数は、
単振動の
周期は、
(ヌ) ......[答]
問1 極板�Gに働く力は、上向きのクーロン力,下向きの弾性力,下向きの重力です。極板�Gが静止しているなら、これらの間に力のつり合いが成立するはずで、
 ・・・(e)
これより、であれば制御可能です。
単振動は、を
振動中心とし、振幅がなので、
この範囲のxの値に対して制御可能であるために、
∴  ∴ ......[答]
問2 が振動中心で、振幅が,において、であったことから、
(e)より、
∴ ......[答]


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