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物理 高校生

ローレンツ力の分野です。(3)の解説の説明の交流電圧の角周波数が円運動の角速度と等しくなっていれば〰︎とあるのですがなぜそうなるのかわからないです。教えて頂きたいです。よろしくお願い致します。

【3】 正の電気をもつ質量の荷電粒子を加速する ことを考える。いま、半径 R,厚さの中空で半円 形の電極 AとBを図のように距離だけ離し、平面 上に置いた。ただし、厚さと距離はいずれも半 径Rより十分小さいものとする。2つの電極には図 の真上から見た図に対して紙面を裏から表に貫く方 向に磁束密度の大きさ B の一様な磁場がかかって いる。2つの電極ではさまれた領域 (Cとする) には 磁場はないものとする。電極AとBの間には交流 電圧V(f)=Vcos.ℓ,f が加わっており,t=0のと 真上から見た図) C A B P Be Bo /装置の\ 断面 CB 8E き、電極Aが高電位とする。 また領域Cの電場は一様とみなせるとしよう。 ABU Q FK この装置によって荷電粒子が加速されるようすは次のとおりである。 時刻 f=0 に電極 Aの右端の点Pに荷電粒子を置くと電圧V によって加速され、 電極 B に入る。荷電粒 子が2つの電極間の距離を移動する時間は十分短く、その間電圧は一定とみなせるもの とする。電極 Bに入った荷電粒子はローレンツ力を受けて円運動を行い,領域Cに達す るが、電極内の移動時間は領域を通過する時間に比べて十分長い。したがって、この 間に交流電圧の位相が180°変化していれば荷電粒子は再び電圧V によって加速され、 電 極Aに入って円運動を行い、領域Cに達する。 このように電極 A, B内で円運動した荷 電粒子は領域Cを通過するたびに加速をくり返す。以上を考慮して次の問いに答えよ。 (1) 時刻 f=0 電極 A の右端の点P に置かれた初速度の荷電粒子が電極 B に入ると きの速度を求めよ。 (2) 電極 Bに入った荷電粒子が行う円運動と円運動の向き(時計回り、反時計 回り)を答えよ。 (3)(2)の荷電粒子が電極 B内を通過する時間および領域Cに到達した荷電粒子を再 Vで加速するために必要な交流電圧の角周波数」をそれぞれ求めよ。 (4)(3)の荷電粒子が領域Cを通過して電極Aに入るときの速度 #27 電極 A内での円運 動の半径 および電極A内を通過する時間をそれぞれ で表せ。 (5)ここまでの考察により, 荷電粒子は領域Cを通過するたびに電圧Vでどんどん加速 されるが,加速に伴って電極 A, B内での円運動の半径がどんどん増大してしまい 荷電粒子が到達できる速度の上限が電極の大きさに依存してしまう。そこで,荷電粒子 の円運動の半径を保ったまま加速するには磁束密度の大きさと交流電圧の位相をどのよ うに制御すればよいか、答えよ。

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数学 中学生

この問題の⑵から⑸がわかりません! 誰か解答解説お願いします!

4 次の [1] [II] に答えなさい。 [1] 秋さんは、授業で学習した消費電力について、家庭で使っている電気器具を調べることにした。 一人では心配なので先生に話を聞きながらまとめることにした。 まず。 秋さんは、自宅で使っている電気ケトルの性能について考えることに した。 右の図1は、電気ケトルに書かれていた表示である。 電気ケト ルは、少量の湯を短時間で沸かすことができる電気器具である。 電気 ケトルの内部には電熱線があり、スイッチを入れると水があたたまる 構造になっている。ほかに、毎日使うオープントースターには消費電力 900Wと表示されてい 【先生と秋さんの会話】 先生 理科の実験では直流電源装置を使ったけれど 家庭の電源は交流です。 秋さん:そうですね。 家庭に供給されるのは交流電流で、電圧 Ⅱ オープントースター は100Vだと思います。 また、 家庭内の電気配線は、電 電気ケトル 気器具が並列になるように接続されていると思います。 図I 定格電圧 100V 定格周波数 50 60Hz 定格消費電力 1200W 最大容量 0.8L 先生 その通りです。 秋さん: 家で電気ケトルとオープントースターは、毎朝使って いるんですが 2つの電気器具を図のように延長 コードにつないでもいいのでしょうか。 先生 そんなつなぎ方をしては危ないよ。 延長コードの表示 には「合計 1500Wまで」 と書いてあるでしょう。 電気 ケトルは1200Wで, オープントースターは 900Wと表 示されていたよね。 延長コードを使っても並列に接続され、つないだ電気器具の電力 の合計が表示をこえると、 延長コードが過熱して, 火災になる危険があるんだよ。 秋さん: えっ、そうなんですか。 「タコ足配線は危ない」 ってよく聞くけれど、 2つくらいの 電気器具だったら大丈夫だと思っていました。 /cov bicy 12 A 50 かいてみると分かりやすいよ。 先生: それが大丈夫とは限らないんだ。 図Ⅲのような回路図に は抵抗で は 交流電源だよ。 回路図Aは電気ケトルだけを接続した場 合で、 回路図Bは電気ケトルとオープントースターを接 続した場合だよ。 では、回路図AとBの抵抗や電流の大 きさはそれぞれどうなるか考えてみよう。 図Ⅲ A コンセント 延長コード (合計 1500Wまで) X+ B ZPOV AA (1) 図Ⅲの回路図 A. Bの抵抗と電流の大きさについてまとめた秋さんのあとの文中の @ b に入れるのに適している語をそれぞれ次のア、イから一つずつ選び、記号を○で囲みな さい。 ア 大きく イ 小さく 【秋さんのまとめたこと】 回路図Aは電気ケトルだけなので直列回路 回路図Bは2つの電気器具をつないでいるので 並列回路である。よって、回路全体の抵抗を考えた場合、回路図Aよりも回路図Bのほうが @ なるということは,点Xに流れる電流に比べて点Yに流れる電流は なる。 家 庭内の電気配線では, 電気器具が並列に接続されるので、接続される電気器具が多いほど回路 全体の抵抗がなり電流が ⑤ なるから危険なのである。 (2) 図の回路図Bの全体の抵抗の大きさは何Ωであったと考えられるか 小数第1位まで求めな さい。 ただし、回路に接続されている電源が交流電源であっても、回路全体の抵抗の求め方は直 流電源の場合と変わらないものとする。 ⅡI] 電流回路と発熱量. 電流と磁界について 次の実験1.2を行った。 【実験1】 ・発泡ポリスチレンのカップに室温と同じ温度の水を100gずつ入れた。 図のような装 置を用意して、電熱線PQに電流を流して水の上昇温度を測定した。 スイッチ①だけを閉じ, 電熱線Pに 6.0Vの電圧を加えて、水をときどきかき混ぜながら1分ごとに水の温度を測定した。 このとき、電流計は15Aを示した。 次に、スイッチ② だけを閉じて電熱線Qも同様の操作を行っ て図Vのグラフの結果を得た。

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