東大物理 '21 年前期 [2] 面積 S の厚みの無視できる金属の板 A と板 B を空気中で距離 d だけ離して平行に配置した。 d は十分に小さく、板の端の効果は無視する。図 2-1 のように、板、スイッチ、直流電源、コイルを導線でつないだ。直流電源の内部抵抗や導線の抵抗は無視できるほど小さい。空気の誘電率を ε とする。 T 図 2-1 のように、スイッチを 1 につなぎ、板 A と板 B の間に直流電圧 V  (を加えたところ、板 A , B にそれぞれ電荷 Q , 
(1)  を S , d , ε を用いて表せ。 (2)  板 A , B と同じ形状をもつ面積 S の厚みの無視できる金属の板 C を図 2-2 のように板 A と板 B の間に互いに平行になるように差し入れた。板 A と板 C の距離は x  (である。さらに、板 A と板 C を太さの無視できる導線 a で接続し、十分時間が経過したところ、板 A , C , B に蓄えられた電荷はそれぞれ一定となった。板 A , C , B からなるコンデンサーに蓄えられた静電エネルギーを求めよ。 
(3)  外力を加え、板 C をゆっくりと板 A に近づけて板 A と板 C の距離を a はやわらかく、板 C を動かすための力には影響がないとする。板 C に外力がした仕事 W を求めよ。また、 W は電源がした仕事 U 設問T (3) の状態から、板 A , B , C と同じ形状をもつ面積 S の厚みの無視できる金属の板 D を、板 C と板 B の間に互いに平行になるように差し入れた。板 C と板 D の距離は C と板 D を太さの無視できる導線 b で接続した。十分時間が経過して各板に蓄えられた電荷がそれぞれ一定となった後に、図 2-3 のように導線 a を外した。 
(1)  板 A に蓄えられた電荷は B に蓄えられた電荷は 
V 設問U (2) の状態から、時刻 2-4 のようにスイッチを 1 から 2 につなぎかえたところ、コイルには I が流れることが分かった。ただし、図中の矢印の向きを電流の正の向きにとる。コイルの抵抗は無視でき、自己インダクタンスは L である。他に説明がない場合は、直流電源の電圧は 
(1) T  を L と 
(2)  でコイルの両端にかかる電圧を答えよ。また、 T , V , L を用いて表せ。ただし、微小時間 
(3)  板 A , B の電荷をそれぞれ T を用いて表せ。ただし 
(4)  板 A , C , D , B からなるコンデンサーに蓄えられる静電エネルギーが、 V を用いて表せ。また、 V および T を含まない形で表せ。 【広告】ここから広告です。ご覧の皆さまのご支援ご理解を賜りたく、よろしくお願いいたします。 
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解答  Uでは、 A-C 間のコンデンサーと D-B 間のコンデンサーは直列ではありません。コンデンサー回路は見かけでは直列か並列かを判断できないのです。Vでは、直列と考えても同じ答えになります。 T (1)  電荷 Q から伸びる 電気力線 の本数は誘電率 ε の空気中で ( ガウスの法則 を参照 ) 。面積 S の極板を覆う面積は A の周囲にできる 電界 は A-B 間に板 A も板 B もともに A → B の方向に、電界 A-B 間の電圧は V ,極板間距離は d なので極板間の電界は  ∴   よって、  ......[ 答 ]   ( コンデンサー の公式より OK でしょう ) 
(2) C-B 間の電気容量は、極板間距離が 静電エネルギー は、  ......[ 答 ] 
(3) C-B 間の距離が C-B 間の電界は C に蓄えられる電荷は ( コンデンサー を参照 ) より、極板間に働く静電気力は、  ( 引き合う向き ) ,この力に逆らって 仕事 W は、外力も移動方向も x が減る方向 ( 外力の向きと板 C の移動方向が一致するので、外力は正の仕事をします ) で、 板 C に蓄えられる電荷は、   ( なので電荷は減少します )   ( なので電池は負の仕事をしています ) @と比べて、  ......[ 答 ] 別解. (2) の結果で 静電エネルギー は、 これより、エネルギー保存則 ( 外力のした仕事 W と電池のした仕事 ) から、 U (1)( ア )( イ )  導線 a を外す直前、 A , C , D は同電位です。 B-D 間にできるコンデンサーの電気容量は、極板距離が (1) の結果より、 D には電荷 a を外すと板 C と板 D に取り残されます。 導線 a を外すと、 A-C 間もコンデンサーとなり、静電容量は、極板間距離が A に電荷 C には電荷 D に電荷 B には電荷 C と板 D の電荷の和は  ・・・@ A-C 間の電圧と D-B 間の電圧の和は V なので、 
, @+Aより、   , ( ア ) 0   ( イ ) 2 ......[ 答 ]   ( なお、 合成容量 を参照してください ) (2)  各板に蓄えられた電荷が一定になったときに、板 A に電荷 C には D に電荷 B には電荷 C と板 D には、元々合わせて  ・・・B A-C 間の電圧と D-B 間の電圧の和は , B+Cより、   , A の板 C に対する電位  ......[ 答 ] 板 D の板 B に対する電位  ......[ 答 ] V (1)  時刻 t  における A-B 間の電圧を (2) の結果が使えます。Vでは、 α は時刻 t により変化します。電流 I により板 A の電荷が減少するので、Dより、 電流 I により板 B の電荷 キルヒホッフの第 2 法則 より、 コイルの逆起電力 は、コンデンサーでの電圧降下  ( 電流 I の方向に回路を回ると、コンデンサーでは電圧降下は、板 A に対する板 B の電位になります ) に一致するので、  ・・・F   これより、 α は、角振動数 単振動 をします。問題文中のコイルの電流の式より単振動の周期は T で、周期 T は、  ......[ 答 ] 
(2)  問題文の式で  ( 電流 I の式を微分してもよいですが )  ・・・G ここで、 コイル両端の電圧降下 は、  ......[ 答 ] よって、  ∴   答 ] 
(3)  問題文の板 A , B の電荷 (2) またV (1) の ・ α は最大値 2 をとります。このとき、Dで (2) の結果より、 ・ (2) の結果より、 ・ (2) の結果より、 α は最小値 (2) の結果より、 上記より、 ( ウ )  答 ] Dにおいて、 (2) の結果より、   においては、   答 ] 
(4)  U (1) より、 A-C 間の電気容量は B-D 間の電気容量は (3) の 静電エネルギー は、  ......[ 答 ] (3) の  ......[ 答 ] を V , T を使わずに表すので、 (1) の結果 (2) の結果  ......[ 答 ] 
(5)  直流電源の電圧が (3) の検討内容から考えて、C  ......[ 答 ]   ( のときの各時刻の電気量の値は右図参照 ) 【広告】ここから広告です。ご覧の皆さまのご支援ご理解を賜りたく、よろしくお願いいたします。 
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