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以下の文章中の
□に適切な数または式を記入せよ。
図のように、導体でできた2本のレールが,同一水平面上に距離d隔てて平行に置か
れている。このレール上を質量mの導体棒がレールと直交したまま摩擦なしで動く。
これらは磁束密度の方向が鉛直下向きで大きさがBの一様な磁場 (磁界) 中に置かれて
いる。2本のレールの左端には,電気容量Cのコンデンサーが導線で接続されており、
その極板をP1, P2とする。 レールと平行で図の矢印の方向をx方向とする。 最初、コ
ンデンサーに電荷はなく,導体棒は図中の破線の位置に静止していた。 時刻t=0以
後,導体棒にx方向を向いた大きさ一定の外力Fが加えられ,導体棒は動き始めた。
ただし,レール,導体棒, 導線, およびそれらの接触点の電気抵抗は無視できるものと
し、回路を流れる電流により生じる磁束密度も無視できるものとする。
I
m
P1
F
B
C
d
B
レール
P2
IC
(1) 時刻t(t > 0) で導体棒の速さがぃのとき, 誘導起電力によりコンデンサーの極板間
に電位差 (ア)が生じ, 極板P」には電荷Q (イ)が蓄えられる。
(2) このとき, 極板P」に電流が流れ込んでいる。 この電流Iが導体棒にも流れてい
ることを考慮すると,導体棒のx方向の加速度をαとして,その運動方程式はma=
(ウ)と表される。
(3) 4tを微小時間とすると, 時刻tからt+4tの間に極板P の電荷は, Qから Q + 4Q に変
化する。電荷の変化分 4Qは,電流Iを用いて4Q=(エ)と表される。また,この
4tの間に導体棒の速さがひから+ Av に変化したとすると, 4Q と Avの間には(イ)と同
Av (オ)
At
様の関係が成り立つ。 これより、 導体棒の加速度は電流I を用いて α =
と表すことができる。 この結果と運動方程式を用いてIを消去し加速度を求めると
α= (カ) となる。このことから, 導体棒は等加速度運動をすることがわかる。
(4) 導体棒が初めの位置Oから距離Lだけ進む間に外力Fのした仕事は(キ
ある。また,距離L進んだ後の極板P, の電荷gは、(イ)を考慮すると,Lと加速度
を用いてg=クと表される。この時にコンデンサーに蓄えられている静電
エネルギーは,gを用いて(ケ) ]と表される。 したがって,外力のした仕事 (キ)
で
(コ)と表される。
8
のうち静電エネルギー(ケ)として蓄えられる割合は, m, C, B, dを用いて
モ
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