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 , が蓄えられ、 の関係があることが分かった。
(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 にした。導線 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 の何倍であるか正負の符号も含めて答えよ。 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 である。さらに、板 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 ,板 B に蓄えられた電荷は と表される。 , に入る数を答えよ。
V 設問U (2) の状態から、時刻 で図 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 と表される電流 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 とする。
(1) T を L と を用いて表せ。
(2) でコイルの両端にかかる電圧を答えよ。また、 を T , V , L を用いて表せ。ただし、微小時間 の間の電流変化は であることを用いてよい。
(3) 板 A , B の電荷をそれぞれ , とすると、 のとき の関係が成り立つ。 に入る数を答えよ。また、 となる時刻 を T を用いて表せ。ただし とする。
(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、 のときに , のときに であった。 , をそれぞれ , V を用いて表せ。また、 として、 を を含み、 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 本です ( ガウスの法則 を参照 ) 。面積 S の極板を覆う面積は なので、単位面積あたりの電気力線の本数、つまり、板 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 を作るので合成電界は です。ところで、 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、 ∴ よって、 ......[ 答 ] ( コンデンサー の公式より としても OK でしょう )
(2) C-B 間の電気容量は、極板間距離が なので、 , 静電エネルギー は、 ......[ 答 ]
(3) C-B 間の距離が のとき、 C-B 間の電界は ,板 C に蓄えられる電荷は ,公式 ( 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 のときに外力がする 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、 のときに、 となるので、 ( 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、 より 倍 ......[ 答 ] 別解. (2) の結果で とすると、 , 静電エネルギー は、 のときに、 となるので、静電エネルギーの変化 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 の和がコンデンサーの静電エネルギーの変化 ) 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 なのでT (1) の結果より、 ,板 D には電荷 が蓄えられていて、導線 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 なので、 そこで、板 A に電荷 が蓄えられると、板 C には電荷 が蓄えられます。板 D に電荷 が蓄えられると、板 B には電荷 が蓄えられます。 板 C と板 D の電荷の和は なので、 ・・・@ A-C 間の電圧と D-B 間の電圧の和は V なので、
, ・・・A @+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 が蓄えられているとすると、板 C には が蓄えられています。板 D に電荷 が蓄えられているとすると、板 B には電荷 が蓄えられています。板 C と板 D には、元々合わせて という電荷があったので、 ・・・B A-C 間の電圧と D-B 間の電圧の和は なので、 , ・・・C B+Cより、 ∴ , ・・・D 板 A の板 C に対する電位 は、 ......[ 答 ] 板 D の板 B に対する電位 は、 ......[ 答 ] V (1) 時刻 t における A-B 間の電圧を と考えると、U (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 は増大するので、 となりますが、Eと一致します。 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 の 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 として、 ( 電流 I の式を微分してもよいですが ) ・・・G ここで、 とすると、 です。 一方、直流電源の電圧は なので、スイッチの切り替え直後の において です。このとき、 コイル両端の電圧降下 は、 ......[ 答 ] よって、 において、 ∴ ......[ 答 ]
(3) 問題文の板 A , B の電荷 , は、U (2) またV (1) の , です。つまり、 , ・ のとき、 ,Eより ,このとき α は最大値 2 をとります。このとき、Dで として、 , ,U (2) の結果より、 , ・ のとき、 ,Gより ,Fより ,このときDより、 , ,U (2) の結果より、 , ・ のとき、 ,Gより , (2) の結果より、 ,Fより ,Eより なので、このとき α は最小値 をとります。このとき、Dで として、 , ,U (2) の結果より、 , 上記より、 のとき、 です。 ( ウ ) ......[ 答 ] Dにおいて、 とすると、 ,Fより、 Gと (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 なので、 (3) の のときの , の値を用いて、 のときの 静電エネルギー は、 ......[ 答 ] (3) の のときの , の値を用いて、 のときの静電エネルギー は、 ......[ 答 ] を V , T を使わずに表すので、 (1) の結果 , (2) の結果 を使います。 ......[ 答 ]
(5) 直流電源の電圧が の場合から考えると、 (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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