エネルギー保存則の問題 共通テスト物理

共通テスト物理の問題について質問です。

先日、友人の物理教師と話したときに話題になり、結論が出ませんでした。 共通テスト物理の第3問、水銀の励起についての保存則に関する問題(p26)の(a)では
「電磁波によるエネルギー損失はないのか」
という問いです。

私は予備校で数学を教えており、物理の問題も解いていたのですが、その可能性に気がまわっていませんでした。

一回の衝突でエネルギー損失がないのなら、上下に周期的に複数回衝突を繰り返してもエネルギー損失はないことになりますが、この時に電磁波は発生しないのでしょうか。

https://www.toshin.com/kyotsutest/butsuri_questi …

どうぞよろしくお願いします。

質問者からの補足コメント

• お二人ともご回答ありがとうございます。
  
  私は教科書的な解答は理解しています。
  実際に友人に問われるまではお二人と同じように考えていました。
  
  しかし、「電子の運動の変化による電磁波の発生」を考慮しない明確な根拠がわかりません。
  
  「高校の範囲だから」というのをお二人ともおっしゃっていますが、高校生でも電流の変化が磁場を、磁場の変化が電場を生むことは知っています。
  そこからエネルギー損失があると考えた高校生は、不正解とされて当然でしょうか…

    補足日時：2021/03/24 10:11

• ご回答ありがとうございます。
  もちろん「電子の運動にともなう電磁波」のことです。
  詳しくは補足をご覧ください。

  No.1の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2021/03/24 10:19

• ありがとうございます。
  (a)で「電荷の運動変化による電磁波」が発生すると考えることは、高校生にとって不合理とまでは言えないのではないか、と考えています。

  No.2の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2021/03/24 10:23

• ありがとうございます。
  質問した時点でそこまでの気持ちではなかったですが、そうなります。
  しかしだとすると、出題ミスといって差し支えないレベルの問題だと思うのです。

  No.3の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2021/03/24 15:23

• ボーアの電子模型が基本ですね。
  
  電子は原子核の周りを周回していますが、電磁波の発生をせずにいられるのはある条件を満たしたときだけとする。(それは物質波が定常波として存在できることと一致する。)
  これは、水素元素から発生するスペクトルの観測値を、エネルギー準位の差としてうまく説明する。
  
  導出は古典力学的な円運動と電場による位置エネルギーを考えます。この場合は電磁波は出ないという特殊な条件を仮定してです。
  
  高校生にとって、エネルギーが保存しないという解答が合理的であると思っているのではありません。
  不合理とまでは言えないのではないかと思っているのです。(お二人の解答を見てだんだんと考えが固まってきました)
  そうであるなら、この問題は解答不能な問題になってしまいます。
  
  上記の知識を踏まえて、エネルギーは保存しないという解答をした生徒は不正解とされて良いでしょうか。

  No.4の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2021/03/24 15:43

• 私は別に
  「摩擦や空気抵抗を無視できるなんて書いてないからエネルギーが保存するかわからないじゃないか」
  のような屁理屈を言っているのではありません。
  
  この問題では、電流の変化が確かに問題に記載されているのです。
  衝突の際にエネルギーが失われて電磁波が放射されたという話をしているのではなく、電子の運動変化が電磁場に影響しているはずだ、(そう考えることが非合理とまでは言えない)と考えています。
  
  あと繰り返しになるのですが、私はこの問題を正解していますし、他の問題も全問正解しています。私の質問の経緯を勘違いされませんようお願いします。

  No.6の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2021/03/24 23:57

• よい回答をありがとうございます。
  工業高校では…という件は興味深いです。
  かなり考えがまとまってきました。
  
  まず、何度も繰り返しになりますが、
  
  > 電子と水銀原子の衝突は、完全弾性衝突（と、励起が起こった時のオマケ現象）として解けばよい、と解釈し、それ以外の要素（相対性理論、素粒子物理）は無視してよい
  
  この問題に対する私の認識はこれで間違いありません。
  
  では「理論値の6割」について。
  高校では流体を力学的に扱うことをしませんが、誘導付きなら出題はできますね。
  流出量を計算せよ、という問題の場合、理論値の6割を解答したら不正解になるのは当然でしょう。
  
  しかし、問題が
  「流出量はA√(2gH)になるか。またはそれより多いか、少ないか。」
  ならどうでしょう。答えは変わりませんか？
  
  少ないと解答した生徒は不正解ですか？
  誤差の大小が重要な要素ですか？
  
  続く

  No.8の回答に寄せられた補足コメントです。 補足日時：2021/03/25 17:12

• 補足続き
  (縮流というものが理想的な流体、理想的な穴でも起こるものなのか分からないですが。
  なお、私の考えを分かっていただくための例として挙げただけですので、あまりこの件に深入りされることは望みません。)
  
  ここまで露骨ではないにしろ、この共通テストの問題は同じ欠陥を孕んでいるようにおもいます。
  
  文科省肝煎りの大学入試改革は、大学入試を改革することで高校での授業のあり方を問うものです。
  世論に口出しされながらも、作問はなかなか工夫していると思います。
  
  では、この問題がもつメッセージはどのようなものでしょうか。
  
  高校生にはもっと量感指導せよということでしょうか。誤差と、それを無視することについての議論を積極的にせよということでしょうか。
  それとも、問題作成者に忖度する能力を磨けというメッセージでしょうか。
  
  続く

    補足日時：2021/03/25 17:13

• 補足続き
  
  いいえ、
  「保存則を意味も分からず適用するのではなく、そもそも保存するのかしないのか、そしてなぜ保存するのかを考えよ」
  というのが大学入試センターの言わんとすることでしょう。私は少なくとも解いているときにはそう感じていました。「よくできてるな〜」と思ったくらいです。
  
  しかしこの問い方は、本当によくできているでしょうか。
  これが私がここに質問を書き込んだ動機を言語化したものです。

    補足日時：2021/03/25 17:15

No.1 回答者： 素人2号 回答日時： 2021/03/24 02:18

過程aは衝突による励起が起きず、ゆえに電磁波の発生も無い。

という仮定の世界の話ですから、
運動エネルギーの損失は無いと捉えるのが自然と思います。

そうで無く、電荷の運動に伴う電磁波の発生に対する考慮であるならば、
高校物理の学習範囲から考えて、
それは考慮に入れないと言う、見えない前提があると捉えます。

上記から、励起の理解を試す設問としての疑問は感じませんが、

仰る「電磁波」は、
どの原理で発生した物を対象としておられるでしょうか？