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理科 中学生

(2)と(4)の解説をしてほしいです。

4 電流と磁界について調べるため、次の [実験1] から 〔実験4] までを行った。 図1 〔実験 1) ① エナメル線を巻いてコイルをつく り 図1のように, スタンドに固定 した棒に糸でつり下げ U字形磁石 をN極を上, S極を下にして, 両 極の間をコイルの一部が通るように 置いた。 ② 次に、 コイルの両端の端子x,y の間に電源装置, 電熱線, 電流計を 導線を用いて接続した。 ただし, 端 子xは電源装置の端子に, 端子y マイナス は電流計の5Aの一端子に接続した。 ③ 電源装置の電圧を0Vから少しず つ大きくした。 【実験1] の③では、図1の矢印Pの向きに電流 が流れ, 矢印Qの向きにコイルが動いた。 [実験 2] ① [実験] の後に, U字形磁石に かえて円盤状の磁石を、図2のよう に,N極が上になるようにコイルの 真下に置いた。 ② 電源装置の電圧を0Vから少しず つ大きくして, コイルの動きを調べ た。 スー [実験3] 図2 ① 〔実験2] の後に、図3のように コイルをスタンドで固定し, 端子x, yを検流計につないだ。 ② 棒磁石のN極をコイルに向け, 図3 の矢印の向きにコイルの直前まで近づ けたときの、 検流計の針の動きを調べ た。 [実験3] の結果, 検流計の針は一側に振れた。 [実験4] ① [実験3] の後に、図4のように, 端子x,yの間に電源装置と電熱線を 導線を用いて接続した。 さらに, コイ ルの中を通るように水平に台を置き、 コイルの中心に方位磁針Aを, コイル の真下に方位磁針Bを置いた。 ② 電源装置を調節して電流を流し, 方 位磁針A,Bが指す向きを調べた。 図3 図4 — (6) - 糸 コイル 台 N 端子 x ND 磁石 N y, 南 電流計 R T 端子 x X 検流計 端子 方位磁針A 方位磁針B 西 北 OM4 (695-30)

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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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