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物理 高校生

(シ)で直列(問題の図4)と並列(問題の図5)の時のコンデンサーに蓄えるエネルギーを比較しているのですが(シ)の解説で0<ω^2LC<2の時とあるのですがどうしてこの範囲になるのか分かりません。 ω^2LCが2より大きい値を取った時は考えないのでしょうか? 出典:難問題の... 続きを読む

Chapter 1 電磁気 Section 4 交流と荷電粒子の運動 192 例題 35 交流回路② 以下の空欄(ア)~(シ)にあてはまる式または語句を解答用紙の該当す る欄に記入せよ。 また, 空欄(a), (b)にあてはまる答えを図3から選び、 その番号を解答用紙の該当する欄に記入せよ。 る。したがって、同じ電圧振幅 V を発生する交流電源に接続するとき, コンデンサーが蓄えるエネルギーの最大値は直列接続の場合( [J] であり, 並列接続の場合(ク) 〔J〕 である。 また, コイルが蓄え るエネルギーの最大値は、 直列接続の場合は) [J] であり,並列 接続の場合は) [J] である。 並列接続の場合, コンデンサーが蓄 えるエネルギーの最大値とコイルが蓄えるエネルギーの最大値が等 しくなるのはω=)〔rad/s〕のときである。 コンデンサーから放射される電磁波の強さは, コンデンサーが蓄積 するエネルギーに比例するとしよう。 交流電圧源の電圧振幅 Vo を一 として、交流電圧の角振動数を変えて電磁波の放射エネルギーを大 きくしようとするとき, コイルとコンデンサーの直列接続と並列接続 とを比較するとシン) 接続のほうがより強く電磁波を放射すると考 えられる。 図1に示すように, 電気容量がC〔F〕] のコンデンサーを角振動数ω [ rad/s ] の交流電圧を発生する電圧源に接続する。 回路には時間を [s] として,図2に示すようなIo cos wt 〔A〕 の交流電流が図1の矢印の 向きを正として流れる。 t=0s でコンデンサーの電圧は0Vで,コンテ ンサーの蓄える電荷はOCであった。 交流電流が流れることによって 時刻に図1のコンデンサー上側の極板が蓄える電荷は) [C]で あり、コンデンサー両端の電圧は() [V] である。この交流電圧 はコンデンサーの極板間に,時間的に変動する電界を作る。 変動する電界付近には, 変動する磁界が発生する。 図2の0<t< / 200の間では,コンデンサーの極板間の電界の向きは図3の(a) の向きである。この向きの電界の時間変化率は0<t < π/20 の間で正 であり、この間に変動する電界は、コンデンサーの上側極板に流れ込 む電流が,そのままコンデンサーの極板間を流れるものと考えた場合 に発生する磁界と,同じ向きに磁界を発生する。 したがって,0<t <π/20の間にコンデンサー周囲に発生する磁界は図3(b)の向 きである。 この磁界の周りには、変動する電界がさらに発生する。 こ うして、コンデンサーの周りには、次々と変動する磁界と電界が発生 し、周りの空間に伝えられる。 これが電磁波である。 光の速さをc[m/ s] とすると,このコンデンサーから放射された電磁波の波長は(ウ) [m〕 と計算される。 コンデンサーから電磁波を発生させるとき, コンデンサーとコイル を接続した回路がよく用いられる。 電気容量C [F] のコンデンサーと 自己インダクタンスL [H] のコイルを,図4のように直列接続する場 合と,図5のように並列接続する場合を比較しよう。図4の直列回路 I cos at 〔A〕 の交流電流が流れるとき, 電圧源が発生する電圧の振 幅は国〔V〕である。 一方, 図5の並列回路のコイルとコンデンサー Vosin at 〔V〕 の電圧を加える場合には, コンデンサーに流れる電流 の振幅は(オ) [A], コイルに流れる電流の振幅はカ) [A] であ 図 1 考え方の キホン 電流 415 図4 電流 [A] Io 0 -10 2ω ② 3 w2w 図2 図5 2x 時間 t(s) コンデンサー -0 電流 図3 (同志社大) 交流で電圧や電流を求める場合、 普通は,振幅(最大値) と位相を 別々に処理すればよい。 振幅はオームの法則から求め、位相はπ/2 だけ進むとか遅れるとかを判断し, cot+π/2とかwt-π/2とかとすればよい。ただ この問題では、設問の順序からみて、 微分や積分を用いて解答するのが、出題者 の意図であろう。 1-4 交流と荷電粒子の運動 電磁気 193

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物理 高校生

【物理】 答える際に、「右向き」などをつける時とつけない時の違いはなんですか? どちらからも引っ張っている時はつけるのが普通だと思うのですが、普通の問題で書く理由がわからないです。 回答よろしくお願いします!

例題2 図の台車の加速度を求めよ。 5.02.0kg 12.0N 解 台車には重力Wと垂直抗力Nもはたらいて いるが、台車は水平面上で運動するから、鉛直方 向の重力と垂直抗力とはつり合っていると考えら れる(図1)。 よって、図2のように、台車にはた らく合力は、 右向きを正とすると F = 12.0N-5.ON = 7.0N ma=F (5) 台車の加速度を求めよ。 右向きを正をする ma=Fより £= 4N m= a=m (6) 台車の質量を求めよ。 =560=0.8m/5² F-15N a 0.75m15²² =20kg 16.0N 305 4.0kg_ 15kgn4N 例題 3 図の台車の加速度を求めよ。 解 引く力の鉛直成分と水 平成分は右下図のようになる。 2.0kg円 台車は水平面上で運動するか ら鉛直方向の力はつり合っ ている。 (N +3.0N-W = 0) 右向きに0.8m/s² (9) 台車の加速度をそれぞれ求めよ。 ⇒0.75m/s² ISN = 3,05 N E 3,0BN m 4.0kg 右向に1.3m15² 右向きを正をする。台車を引く力の 水平方向の成分は、 Fx=Fcos30°= 6.0N²² ≒3m15² 6.ON 1.30 3.ON 2 p 3.0.3 N 30° ① (図1) よって運動方程式=Fより, F 7.ON 2.0kg M -=3.5m/s² = a= ===6.0N 40kg a= (7) 台車にはたらく力の大き さを求めよ。 □F=1.5kg×3.0m/5² =45N (8) 台車の加速度を求めよ。 台車にはたらく合力は右向きを 正をすると、 4.0N+(-10.ONE-6.0N 2.5kg 10N 145° a = 3.0 EN (図2), m 2.5kg CADA よって、台車にはたらく力の合力は引く力の水平方 向成分 3.0√3Nである。 ma=Fより、 m/s² Fx=Fcos 45°=10NX 50 = 2.6 m/s² 右向きに3.5m/s² = (3.0x¹₂,73) m/s² 13.0×12.0 TON =2.82m15 ≒2.8m/5² 右向に2.8m/s² 1.5k =-1150/52 F 3.0 √3N 3.0√3 2.0kg 772 2,0 IO ON 4.0kg4.0N 3.0m/s² a= 左向きに 1.5m/s^ 右向きに 2.6m/s² 28.0N 30° 5.ON 5.0kg Fx=Fcos30°=8,0N×3 =4.0N よって台車にはたらく力は (5.0-4.05) N € (5,0-for-3) N 5.0kg 左向きに0.38mcs² =-0.380

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