物理
高校生
解決済み

この問題の2枚目の写真にあるQの問題についてなのですが、なぜsin型と分かるのですか?(なぜcos型ではないのかというのが分からないのではなく、なぜ三角関数の形で表せるのかがわからないです)回答よろしくお願いしますm(_ _)m

内部抵抗がで起電力Eの 電池,抵抗値の抵抗, 電気容 量Cのコンデンサー 自己イン ダクタンスのコイルおよび スイッチS~S4を使って図の ような回路をつくった。 b点を 接地し,その電位を0とする。 A スイッチ S1 と S4 を開き, 電池 S₁ a R C 0 b S2とSを閉じて十分に時間がたった後に,Sを閉じた。 この直後にコンデンサーに流れる電流はいくらか。 S S₁ コンデンサーの極板間の電位差がVになった瞬間に,コンデ ンサーに流れている電流はいくらか。 BAでコンデンサーを充電し終った後に, スイッチ S1 を開いた。 (3)この直後、コンデンサーの電気量はいくらか。 また, R を流れ る電流はいくらか。 その後,抵抗 R で発生する熱量はいくらか。 C スイッチ S2 と S4 を開き, St と S3 を閉じてコンデンサーを充電 た後に,S1 を開き、続いて S4 を閉じた。 S4を閉じた後,a点の電位がはじめて最低値に達するまでの時 間はいくらか。 また, a点の電位の最低値と電流の最大値はいく らか。 D スイッチS2を開き, S1 と S と S4 を閉じて十分に時間がたった S を開く。 (6) S1を開く直前のコンデンサーの電気量はいくらか。 また, S1 を開いた後のコンデンサーの電気量の最大値はいくらか。 (センター試験+九州大) Level (1)
= LR 20 VLC r S」 を開いた直後 QDでSを開いたときを時刻 t = 0 として点の電位 Va を tの関 数として表せ。(★)
45 はじめ, 電流は時計回りに流れ, コンデンサ 一の下の極板を+に帯電させていく。 したがっ て, a点の電位 Vaは負となり,右のように変化 する。グラフは「-sin 型」 となる。 最大値を V1 とすると, エネルギー保存則より V1 Va 0 T -V1 1½ LI² = 1/1 CV₁₂² L L ... V2 = 1 11√ C = r VC t= T .. Va V₁ = -Vi sin 2 = √sin C EL t r なお,V1 は Q1 = CV1 より求めてもよい。

回答

✨ ベストアンサー ✨

なぜsin、cosで表せるかは後で概略的に説明しますが、コンデンサーとコイルをつなぐいだときに起こる「電気振動」は教科書や参考書で確認して覚えるのがよいです。

◆勉強して、ある程度覚えている前提の説明
・電気振動は周期T=2π√LCであり、sin、cosのどちらかで表すことができる
・S₁を開く直前は、E/rの電流が流れていて、a点の電位は0である
・S₁を開いた瞬間、コイルでは直前の電流(E/r)を流そうとする現象が起きる

⇒このことから、
 最初t=0のとき、電位は0だからVa=A・sinBtの形が良さそうなことが分かる
 周期は周期T=2π√LCだからVa=A・sin(2πt/T)=Va=A・sin(t/√LC)になる
 電流の方向はS₁を開く直前にコイルに流れていた方向に流れるため、aの電圧は低くなる
  Va=-A'・sin(t/√LC) …A'>0
 エネルギー保存からVa=E/r・√(L/C)が最大電圧になることが分かる
  Va=-E/r・√(L/C)・sin(t/√LC)
という感じで求めていきますす。

◆sin、cosになることを概略的に説明(微積分を使います)
 S₁を開く前、コンデンサとコイルの電圧は0である
 S₁を開いた瞬間、コイルの電圧VʟはLdI/dtが生じる(I=E/rの変化)
 コンデンサーの電圧Vᴄ=Q/Cである…電流が流れ、Qは時間変化する
Vʟ+Vᴄ=0(直列)なので、LdI/dt+Q/C=0
 微分してみると、Ld²I/dt²+1/C・dQ/dt=0
 dQ/dt=Iであるから、Ld²I/dt²+1/C・I=0
 I=-CLd²I/dt² …こんな状態変化(微分方程式)になっています。

 2回微分して-1/CLが出てくる(上記方程式を満たす)関数は、
 I=A₁sin(t/√CL)+A₂cos(t/√CL)になるが、
 t=0のとき電流は最大(E/r)なので(初期条件)
 I=-E/r・cos(t/√CL)であることがわかる
 
・コンデンサーの電圧を求める
 I=dQ/dtだから、求めた電流を積分してQを求めると
  Q=-E/r・√(CL)・sin(t/√CL)
 V=Q/C=-E/r・√(L/C)・sin(t/√CL)

りんご

なるほど、すごく丁寧に教えていただきありがとうございます!納得しました!

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