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物理 大学生・専門学校生・社会人

問題1が解けません途中式含めて教えていただけると助かります

1.2 解の存在と一意性 3 1 1階常微分方程式 本章では微分方程式の中でも最も単純な1階常微分方程式の解き方を学ぶ、単 純とはいっても解がすぐに見つかるとは限らない。 比較的容易に解が得られる微 分方程式にはいくつかのタイプがあるので、それをみてみよう.これらの解法は 2階以上の、より複雑な微分方程式の解法の基礎でもある. §1.1 微分方程式の階数 ェを変数とする未知関数をg(x)として F(x,y,y,y',...) = 0 x, y(x), y(x) = dy dx' d²y y" (x) = dx2, から成る方程式: (1.1) を常微分方程式という. また, 導関数の微分回数を階数といい, 階導関数 y(n) = dmy/dr” が (1.1) の最高階数の導関数のとき, (1.1) をn 階常微分方 程式という. たとえば,x軸上で力f (x) を受けて運動する質量mの質点の時刻での 座標x (t) は, よく知られているように,ニュートンの運動方程式 m = f(x) dt² (1.2) に従う.これは変数がt, 未知関数がェ (t) の2階常微分方程式の例である. 他方,同じ問題を質点がポテンシャルV (x) の中を力学的エネルギーEで 運動しているとしてエネルギー保存則の立場で見ると, d²x + V (x) = E (1.3) と表される.この式に含まれる導関数はdr/dt だけなので,これは1階常 微分方程式である。 [問題1] f(x)=-dV (x)/dr として,上の2式が等価であることを示せ. ヒント:エネルギー保存則によりEは一定であることに注意し、 (1.3) の両辺を で微分してみよ。) 本章では,最も階数の低い1階常微分方程式について学ぶ。 §1.2 解の存在と一意性 微分方程式の解の存在やその一意性などというと大変難しそうに聞こえる が,これから見るように直観的にはそれほど難しいことではない. 1階常微 分方程式のもっとも一般的な形は (1.1)より F(x,y,y)=0 (1.4) と表される. これをの方程式と見なして, それについて解けるときには dy = f(x, y) dr (1.5) と表される.この微分方程式は、 図1.1に示したように,その解y (x) があ ったとして解曲線y= y (x) をry 平面上に描くと, 任意の点(x,y) でのこ の曲線の接線の傾きがf(x,y) であることを意味する. したがって,(1.5) を解いてy(x) を求めるというの は, 曲線y=y(z) 上の点(x,y) で その接線の傾きがちょうどf (x,y) に等しいものを見出すことに相当す る. このことからまた, (1.5) を幾何 学的に解く方法も考えられる. ry 平面上の任意の点(x,y) f (x,y) を計算し,その値を傾きとしてもつ y 0 接線の傾き: f(x,y) 図 1.1 y=y(x)

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物理 大学生・専門学校生・社会人

量子力学の問題です。 わかる方おられませんか

2. 外部磁場中の荷電粒子の量子力学、 Landau 準位 ベクトルポテンシャル A(t,x)、 スカラーポテ ンシャル (t,x) がある3次元空間の中を質量m、 電荷eをもつ荷電粒子の運動を考える。 その運動量 をp、 位置座標をェとすると、 荷電粒子を記述するハミルトニアンは以下で与えられる。 1 H(t, z,p) = -(p- eA(t, x))² + eo(t, x) 2m (1) (1) この荷電粒子を表す波動関数を重(t,x) としたとき、 確率密度と確率の流れの密度は、ベクトルポ テンシャルがない (演習問題No.1の) 場合に対し微分∇を 「共変微分」Dに置き換えることで 得られることが知られている。 p:=²=v*v, J:= {*D-(D)*} ここで、 2m D:= V-ie A, +∇ ・J=0が成立することを示せ。 とおいた。このとき、連続の方程式 (2) 電場E = -Vo-b と磁場 B = ∇×4が次の(ゲージ) 変換で不変であることを示せ。 at 以下電場はなく、静磁場のみがある場合を考え、磁場が向いている方向を軸とする: B = (0,0,B) Əx AA'′=A_∇入, 中→d=6+ at ここで、 入 = \(t,x) は任意のスカラー場である。 さらに荷電粒子の波動関数も同時に →=e-ie (5) と変換させた場合、 Schrodinger 方程式場=H(t,x, l∇)が変換した場に対しても同様に成 立することを示せ。 A = (0, Bx, 0) にとって、とzに依存しない波動関数 (x,y) を調べる。 (2) このとき、トの取りうる範囲を求めよ。 (3) この背景の下で縦と横の長さがLz, Ly の長方形状の十分薄い平板を0に {(x,y)|0 ≤x≤LT, 0≤y≤Ly} (7) のように置き、この平板内に束縛される荷電粒子の運動を調べる。 このとき、以下のように、ベクト ルポテンシャルを Landau ゲージ (8) (4) このことを、Schrodinger 方程式がゲージ変換のもとで共変性をもつor 共変的である、などという。 同じ量子数をもつ状態がなす部分ベクトル空間の次元のことをその状態の縮退度と呼ぶ。 (6) (3) 波動関数 (x,y)=(x)eikyのように変数分離して荷電粒子に対する時間に依存しない Schrodinger 方程式を解き、 固有関数とエネルギー固有値を全て求めよ。 ただし、演習のプリントで与えられ た特殊関数は説明なしに用いて良いものとし、 規格化も行わなくて良い。 (4) 波動関数 (x,y) は方向に周期境界条件を満たすとする。 v(x, y) = v(x,y + Ly) (5) 基底状態に対しょ軸の位置演算子の期待値 (z) をe, B,kを用いて表わせ。 また、 位置演算子の期 待値が平板内に存在する条件から、 基底状態の縮退度を求めよ。

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化学 大学生・専門学校生・社会人

この問題のマーカーより上は理解できたのですがマーカーから下がなぜそのような式になるのかわかりません。教えててください🙇‍♀️

1 水銀柱 に相当 と表し D じ # 62 (1) 6.5×10 Pa (2) ①1.4×10-mol ② 1.5×102mol ※① 解説 (1) メタン (分子量16), 空気 (平均分子量 28.8) はそれぞれ 0.32 16 =0.020 (mol), 空気: -=0.40(mol) 空気の体積比はO220%, N2 80%であるから, O2 は 0.080mol, N2 は 0.32molo CH + 2O2 → 0.080 -0.040 0.040 11.52 28.8 CO2 + 2H2O 0 0 +0.020 +0.040 0.020 燃焼前 0.020 変化量 0.020 燃焼後 0 気体の総物質量は 0.040+0.020 +0.040+0.32=0.42(mol) pV=nRT より, px ( 2.00+30.0) = 0.42×8.31×10°× ( 327+273) 2.00 30.0 67+273 17+273 p = 6.5×10^(Pa) (2) H2O 以外の気体は変化しないので, H2O0.040mol についてのみ考 える。 AとB内の H2O の分圧 PH2O は等しく, A内とB内の H2O *24 (気体) の物質量をそれぞれ na, NB (mol) とすると, 物質量の比は次 のようになる。 : N2 0.32 (mol) 0 (mol) 0.040 0.32 (mol) ≒1.5×10 (mol) na: NB= =29:510 (i) A内とB内ともにH2Oがすべて気体として存在すると仮定する と A内の H2Oの分圧 DA は, pax 2.00=0.040x 24 px = 3.04×103 (Pa) B内の H2O の分圧も同じ圧力になるが, 17℃の飽和水蒸気圧 29 29+510 - ×8.31 ×103 × ( 67+273 ) (1.94×10 Pa) を超えるので, 仮定は矛盾している。 B内では液 体の水が存在する。 (ii) A内はすべて気体, B内は気液平衡の状態と仮定すると, B内は 17℃の飽和水蒸気圧で, A内のH2Oの分圧も同じ蒸気圧である。 67℃の飽和水蒸気圧 (2.70×10' Pa) を超えないので, A内はすべ て気体で存在する。 仮定は正しい。 1.94×10²×2.00=nx 8.31×103 × ( 67 +273) na=1.37…×10㎡≒1.4×10-3 (mol) 1510 nB = 1.37×10-3× -=2.40...×102 (mol) 29 液体として存在する水の物質量 n は , n=0.040-na-nB=0.040-1.37×10--2.40×10-2 空気は O2 (分子 (分子量28) が 20 の混合気体で. 分子量 (平均分 32x 20 100 =28.8 n= ・+28× A内とB内に不 ついて DV=nRT RT 気体の物質量 し, Tに反比

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