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一枚目は(1)、2枚目、3枚目は(2)となっていて、3枚目の写真のワ、図4についての質問です。まず、ワについてで、この部分の答えがQ-q1を含むのですが、ここに絶対値をつける必要はないのでしょうか?(回答は、載せきれなかったので、次の投稿に載せてあります、ご確認いただけると幸いです)2つ目は図4についてで、aとhの極板の電荷の合計が0となっていないのですがそれで良いのでしょうか?
(1)の設問は(2)には関係なく、状況設定を載せるためにつけさせて頂きました。長文の質問になってしまい申し訳ないです。

物理問題 I 次の文章を読んで. には適した式または値を,{ }からは適切なも のを選び、それぞれの解答欄に記入せよ。 なお, は,すでに 与えられたもの, または { }で選択したものと同じものを表す。 また、 問1で は、指示にしたがって解答を解答欄に記入せよ。 で (1) 図1のように, 細長い直方体 (奥行き w, 高さd) の導体を考える。 導体中には 電気量 q(q > 0) の自由電子が数密度(単位体積あたりの個数)で存在してい るとする。 直方体の面を図1のように, A(左面), D (前面), G (上面), J (背 面), K(下面), H (右面) とする。 また、 図1の右上に示すように, x, y, z軸を 直方体の辺と平行になるように選ぶ。 なお, 重力と地磁気の影響は無視する。 A B 次に、磁束密度の大きさBの磁界を軸の正の向きに加える。 以下, 八, へ、ト, チリの解答にはw,d, q, n, v1, B のうち必要なものを使って答え よ。 ハ ハ がつ 磁界により電子は大きさ のローレンツ力をx軸の正. x軸の 負,y軸の正、y軸の負,軸の正, z軸の負) の向きに受ける。 電子はローレン ツカによって面{木: A, D, G, J, K, H} に集まり, この面は負に, 向かい合 う面は正に帯電する。 この帯電により生じる強さE2の電界により, 電子は の方向と逆向きに力を受ける。 この力とローレンツカ り合うと電子は直進するようになり,帯電はこれ以上進まなくなる。このつり合 いの条件から, E2= < が得られる。 導体の奥行きはw, 高さはdなの ト で、面 ホと向かい合う面の間に生じる電圧はU= と表せ る。 一方, 電子が一定の速さで進むとすると, 導体を流れる電流の大きさ 12. I = チ と表せる。 nU × の関係が得られるので, nが既知であると I 以上より,. B= リ きに電圧と電流I を測定すれば、磁束密度の大きさBを求めることができ る。 電流 d 電池 図 1 K 導体の両端に電池をつなぎ, 面Aと面Hの間に電圧をかける。 このとき生じ る強さE」 の電界により電子はx軸の正の向きに大きさ イ の電気力を受 けて進む一方, 電子の速さ”に比例した抵抗力 (比例係数k) を受ける。 そのた め、電子が受ける力は F = イ - kv と表せる。 その後、 電気力と抵抗力がつり合い、電子の速度が一定になった。 そ のときの速さは = である。 <-5- ◆M10 (840-96) この問題は,次のページに続いている。 - 6- OM10 (840-977
(2) 図2のように, 直方体(長さL) の半導体の両端の面A, Hのごく近くに, 面 積Sの2枚の金属板a, hを置く。 金属板は面A, Hと同じ形で,面を覆うよう に置く。 半導体は, 導体と絶縁体の中間の抵抗率をもつ物質であり,もともと半 導体中には自由電子は存在しないとみなす。 また, 半導体と金属板の間には, L に対して十分小さな隙間があり, 金属板から半導体に電子が流入することはな い。 したがって, 図2のように金属板に電池と抵抗をつないだ回路では, 金属板 と半導体からなる系は平行板コンデンサーの働きをする。 ただし、抵抗の抵抗値 は十分に小さく、コンデンサーの充電時間は無視できる。 また、抵抗による電圧 降下は電池の電圧に比べて十分小さい。 2 とする) で進むとする。 このシート状の電子群は、コンデンサーの極板の間に 挿入された十分に薄い導体とみなすことができる。 したがって, 半導体中をシー ト状の電子群が運動するときの状況は,図3のように, qNに帯電した導体m がコンデンサー内を速さで動いているとみなすことができる。 qN a m h 02 a A L H h 電池 抵抗 図2 図3 電池 抵抗 このコンデンサーは極板の面積がS, 極板間の距離がLであり、 極板の間は半 導体で満たされているとみなせる。 半導体の誘電率を とすると, コンデンサー の電気容量は C= ヌ と表せる。 コンデンサーには,電池 (電圧V)によ り,Q=CV の電荷が蓄積される。 なお, 極板の面積は十分に大きく, 極板の間 に一様な電界が生じるとしてよい。 ここで、 電気量-q(q > 0)の電子 N個を時刻t=0において瞬間的に面A に一様に注入する。 この電子群の運動を考えてみよう。 外部から半導体に注入さ れた電子は、半導体中を移動することができる。 いま、注入された電子群は, シート状の分布のまま半導体中を面Aから面Hの向きに一定の速さ(ここでは <-7- ◇M10 (840-98) この問題は,次のページに続いている。 - 8 - ◇M10 (840-
極板間に置かれた導体mの電荷の影響により、抵抗に電流が流れる。この状 況を理解するために、図4のように, 導体mを短い導線でつながれた金属板 a', h' に置き換えて考える。 このとき,aa', hとh' はそれぞれコンデンサー ①,②を構成する。 コンデンサーの極板間は誘電率の物質で満たされている。 時刻において、コンデンサー①と②の極板間距離は,それぞれv2tとL-vet である。 したがって, コンデンサー ①とコンデンサー2の電気容量は,Cを含む 式としてそれぞれ ル ヲ と表せる。 Q-91 -Q+91 a a' h' V2t -Q-92 Q+92 L-vzt コンデンサー① コンデンサー② 電池 抵抗 図4 コンデンサー ①に蓄えられる電荷を Q- 91, コンデンサー②に蓄えられる 電荷を Q + q2 とする。 ここで,極板a', h' の電荷の和はQN=-91-92 であり,極板a, hの電荷の和はQN=g1+92 であるとする。 コンデンサー① の電圧V」とコンデンサー②の電圧V2は,Cを含む式としてそれぞれ と表せる。 V」= ワ とV2= カ

Answers

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>絶対値をつける必要はないのでしょうか?
問題の流れからすると、つけてもつけなくてもよいと思います。
ただし、次の問題で(V₁+V₂)として使用する(問題文に記載がある)場合は絶対値をつけてはいけません。

>aとhの極板の電荷の合計が0となっていないのですがそれで良いのでしょうか?
コンデンサー①と②の間には-(q₁+q₂)の電荷があるため、aとhの極板の電荷の合計は0にはならないです(+(q₁+q₂)になる)
各コンデンサーで向き合う極板の電荷の合計は0になります。

りんご

長文の質問にも関わらず、すごく丁寧に回答して頂きありがとうございます!1つ目の質問は理解したのですが、2つ目の質問について、まだ少し分からないことがあって、極板の電荷の合計はプラスになると、回路の中でマイナスになってしまうところがある思ってしまったのですが、違うのでしょうか??

GDO

合計はゼロ0になってますよ
4ヶ所(a、a'、h、h')の合計は0です
両端のaとhは、電池の“電圧”で電荷を調整しています

りんご

このように考えていて、aとhの電荷の合計が0になると思ってしまいました、、、

GDO

なるほど、勘違いよくわかります。
ですが、電池は両側の電荷の合計を0にするのではなくて、両側の電位差(電圧)をEに保つものです。
両側の電位差がEになるように電荷が流れ出る(必ずしも合計は0ではない)と考えてください。

りんご

何度も聞いてしまい申し訳ないです。電池は、電荷を持っておらず、運ぶだけのものとして認識していたのですが、そうではないのでしょうか??

GDO

電荷を運ぶ(左右に押し出す)だけと考えて良いですが、電圧は一定です。

GDO

補足:電池は電荷(電子)を持ってますよ。電池の仕組みを調べてみてください。

りんご

ボルタ電池と考えれば電池は電子を持っているというのが納得できました!ありがとうございます!なのですが、まだ少し分からないことがあるのですが、今回の場合はこの写真の左下に該当して、電気量はどうしても保存すると思ってしまいました。見当違いのことを言ってしまっていたら申し訳ないです、また、何度も対応して頂きほんとにありがとうございます🙇‍♀️

GDO

「閉じた回路では電荷保存する」と思ってよいです。
写真の図も「閉じた回路なので電池が間にあっても電荷保存する」を示しています。電荷保存は写真の赤点線内です。

「電池は電荷のたまり場ではない」の表現は適切ではなく、混乱しますね。たぶん、「電池は回路を閉じたとき、電荷を吸い込んだり、吐き出したりしない」というような意味で記載したと思われます(わかりやすい表現できなくて、すみません)

りんご

さっきの写真の赤線と今回の赤線の部分は閉じた回路で、一緒のことだと思ってて、そうなると、最初の電気量0は保存されると思ったのですが、違うのですか??理解が追いつかず、何度もお時間をいただいてしまい申し訳ないですm(_ _)m

GDO

「最初」の意味の理解が違っているようです。
最初とは、電池をつないだときは、電池をつないで安定した状態が最初になります。
「電池は電圧が一定になるように電荷の出入りがある」と考えるとよいてます。
この問題の場合、a'、h'に電荷がたまってるので、電池の電圧がEを保つように、電池から電荷が流れ出て、安定した状態になったときが最初の状態と考えてみてください。

電気量0にしてしまうと、a’、h'の電気量の和も0になってしまい、矛盾しますよ(a’、h'が回路のバランスを崩して、電池が電荷でバランス・電圧一定させてます)

GDO

この問題の回路は、全体としては閉じてないですが、a'とh'のところだけ見ると、閉じた回路と考えます。
うまく伝わらないのが、残念です、、、

GDO

この写真の説明が不十分だから混乱しているのかもしれません。
外側の極板の電荷量が変わると電荷保存されないです。

GDO

もしも分からなければ🙇‍♂️
分かりやすい(と思う)例を考えてみます

りんご

なるほど、ではこういうことであってますでしょうか?

りんご

また、電池は電圧が一定にするようにするということは、場合によっては電荷を帯びることもあるのでしょうか?

りんご

もしよろしければ、例を教えていただけると幸いですm(_ _)mお手数お掛けしてしまい申し訳ないです

GDO

回答遅くなります
すみません

りんご

全然大丈夫です、ありがとうございますm(_ _)m

GDO

「また、電池は電圧が一定にするようにするということは、場合によっては電荷を帯びることもあるのでしょうか?」

ある意味そんな感じです(帯電しませんが)。

GDO

長文で、すみません。
これまでの回答で誤った表現があったので、以下の内容で確認ください。

■質問の問題を解くためのポイント(条件等)
・コンデンサーの相対する極板の電荷の合計は0
・孤立した回路の合計電荷は不変
・電池の電圧は一定(理想的な電圧源)であると仮定
 理想的な電池とは、
 ✓回路図で単なる電池は、その端子間電圧は常に一定の起電力を持つとみなす。
 ✓一定の電圧を供給し続けるという前提で計算を行う。

(電池は電荷を帯びず、中和させています・・・作り出すのと逆変化が片側に生じる)。

■これまでの回答での訂正等
混乱させてしまっていたら申し訳ありません。
・「電池は電荷を持っておらず、運ぶだけのもの」の件
 電池は電荷をため込んでいるのではなく、電子を作り、運んでいます(発電機)
 ”電荷を持っている”という表現は、あまり適切でなかったです。
・「孤立した回路」のことを「閉じた回路」と記載していました(真逆です)

■画像で例を添付
・3つのコンデンサーのうち、1つを切り離した場合
(質問の問題との比較用)
・コンデンサーに帯電した金属板を入れた場合
計算間違いなどありましたらごめんなさい。

りんご

すごく丁寧に細かく説明してくださり、ありがとうございました!電池は電荷を運ぶだけのものと勘違いしていて、沢山説明させてしまって申し訳ないです。今まで、コンデンサーに電荷を持った導体を挿入する問題には当たったことなく、そのような理解でたまたまあっていて、勘違いし続けてしまっていたのだと思いますm(_ _)m入試本番でこのような思い違いをしてたと思うと、とてもひやっとします、ほんとにありがとうございます!また、1つ最後に質問なのですが、今回書いてくださった例で上側は電池を含む回路でも極板の電荷が保存されていて、下側は保存されていないと思うのですが、どのようにして極板の電荷が保存されるかされないかは見分ければ良いのでしょうか?

GDO

「例で下側は保存されていない」とは、電池側を孤立部分と考えた場合ですね。
”外部から電荷を追加した場合”は、電池側では電荷保存されない場合があります。
(電池を含まない孤立部分で電荷保存を考えた方が良いです)
例えば、上側の図でも、C₁とC₂の間の合計電荷(-3CE)を放電した場合は、電池側の孤立部分は電荷の保存されなくなります。

私は、電荷保存の問題を電池側を孤立部分として解いた記憶がありません(覚えていないだけ?)

不明点・疑問点あれば、どうぞコメントください。

りんご

外部から電荷を追加するというのは下のような認識で合ってますでしょうか??私の参考書に3枚目の写真のQの問題で電池側を孤立部分として解いた問題があって、勘違いしていました。

りんご

一枚目の写真の一番下の行の他にものところは無視してください!間違えました!

GDO

コンデンサーの間にプラスまたはマイナスに帯電した金属板を入れる場合などです。
(プラス、マイナスで0になるものは問題なし…電池側も保存されます)

なるほど、そのQは電池側での孤立部分の電荷保存を考えていますね。
(電荷の挿入などしてないので、電池側での孤立部分も電荷保存がなりたちます)
すべてのコンデンサーの電気量が同じになることを思いつけば解けますが、それは電池側の孤立部分を電荷保存で考えることと同じですね。
名門の風のQ…覚えておきます(笑)

GDO

以下のように考えると問題が解けると思います

外部から電荷を追加した場合、他の孤立部分の変化は、
・電池を含む孤立部分では逆符号の電荷が増加する。
 (電池が電荷を作って調整し、電圧を一定にする)
・接地されている場合があれば、接地されている孤立部分で、逆符号の電荷が増加する。
・電池がなく、接地されていない場合は、変化しない

計算問題の解き方なので、ミクロ的には異なる状態になっていると思います(特に3番目)

例題としては、名門の森(←風ではく、森でした)のQで、
・2Cのコンデンサの中間に帯電した厚さのない薄い金属板を入れてみる
(例えば+2/5・CEに帯電…解きにくい数値だったらごめんなさい)

りんご

なるほど!全部理解しました!私の質問に対して長い時間を割いて、真摯にご対応いただき、ありがとうございました!お忙しい中にもかかわらず、細やかに耳を傾けてくださり、私の疑問や不安に一つひとつ丁寧に応えていただいたいて感謝しかないです。ありがとうございました!
また、風でなく森の方です!(一応、訂正させていただきます。)

りんご

すごく丁寧にまとめて下さり、ありがとうございます!疑問、誤解がわかってとてもスッキリしました!改めて、回答ありがとうございました!(電波が悪かったのか1つ前に回答してくださったのが見れていませんでした。)

GDO

先ほどの例題は、エネルギーが最小になる条件を使わないと解けないです。
平方完成を作って最小になる条件を求めます。

ベストアンサーありがと~

りんご

考えてくださった問解いてみました!また、解いていてひとつ疑問に思ったのですが、書いてくださった

・電池を含む孤立部分では逆符号の電荷が増加する。
 (電池が電荷を作って調整し、電圧を一定にする)

で、なぜ、逆符号の電荷が増加することで電圧が一定に保てるのでしょうか?考えてくださった例でそうなるのは納得しているのですが、あまりイメージがわかないです、

GDO

電池(理想的な電池)は、電圧を一定に保つので、「電圧が保てる」のではなく「電圧を保つ(維持する)」です。
なので、外部から追加した電荷分はどこかで消化(中和)しないと、回路のどこかで不整合が生じます。
電池または接地して、追加分を相殺する必要があります。
(今回の問題では、電池が追加分を相殺。電池内で帯電してしまっているような感じです)

また、添付されていた画像の解き方だと、片方の電池だけで相殺しているようです。両方の電池で考えないとうまくいきません。
参考に、解き方を画像添付しました(少し違う解き方でごめんなさい)

GDO

添付画像の内容に間違いありました🙇
中間に入れたので、4C、4Cのコンデンサーになります
(答えも変わります)

りんご

なるほど、理解しました!そのような発想はなかったです!すごく勉強になりました!本当に、ありがとうございました!

GDO

ミス多くてごめんなさい、正しく計算したので画像添付しておきます
・金属板を入れたコンデンサーの容量をCにしてしまった場合
・正しく4Cで計算した場合
の2通り
数値で最小であることを確認したので大丈夫だと思います

りんご

ご親切にありがとうございます!こんなに丁寧に解説して頂き感謝の気持ちでいっぱいです!

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