
問1.
一辺の長さが3aと4aの長方形の各頂点にゼロでない電荷Qa、Qb、Qc、Qdをもった粒子をおい た(それぞれの粒子をA、B、C、Dとする)。粒子Aに働く力の総和(合力)がゼロの時、電荷Qa、 Qb、Qc、Qdの間の関係を求めよ。ただし、粒子の大きさは無視できるものとする。
問2.
1辺の長さaの正方形の各頂点に4本の無限に長い直線導線A、B、C、Dを正方形の面に垂直 になるようい配慮し、それぞれの導線に同じ向きに電流Iを流す。導線Aの単位長さ当たりに働く 力のの大きさと方向を求めよ。
問2.の答えはrの位置の磁場をB=μ0I/2πrとして、rを各導線までの距離にし、F=IBでもとめ るでいいでしょうか? また、これはすべての導線つまり、AのB、C、Dに対する力の合計を求め るということでよろしいでしょうか?
問3.
抵抗R1、R2と自己インダクタンスL1、L2のコイル(ソレノイド)、および、起電力Vの電池をつな いだ。スイッチを入れた後の時刻tに、抵抗R1、R2および電池の各部分に流れる電流をそれぞ れ、I1(t)、I2(t)およびI(t)(並列回路なので、I=I1+I2です)とする。ただし、コイルの抵抗と電池の 内部抵抗は無視できるものとし、I1(0)=I2(0)=I(0)=0とする。十分時間がたった時、つまりt →∞でのI1(t) 、I2(t)、I(t)を求めよ。
問4.
面積Aの導体板を間隔dをおいて、平行にならべてある。このコンデンサーの間に面積Aで厚さ d1の導体板をコンデンサーの極板と並行においた。このときコンデンサーの静電容量はどのよう に変化するか。ただし、d1<dとする。
この問題の答えは単純にεA/(d-d1)でよろしいでしょうか?
問5.
速さの2乗に比例する抵抗を受けながら落下する物体の、下向きの速さv(t)の時間変化は、微 分方程式 dv/dt = g - bv^2 で表される。ここで、g、bは正の定数である。初期条件v(0)=0の
もとに、この微分方程式を解け。
図がなくてすみません。問題が多いですが、解けるやつだけでも大変有難いのでよろしくお願いします。
No.4ベストアンサー
- 回答日時:
問1
Qaに働く力が0ということは、Qb,Qc,Qdの3つの電荷が、A点に作る電場ベクトルの総和が0だということです。この条件を満たすとき、Qaの電荷には依存しないので、Qaは任意です。
文章からは、A,B,C,Dの位置関係がきちんと説明されていないので、
AB=CD=3a
BC=DA=4a
AとC、BとDが対角に在るものとして回答します。
B→A方向をx軸の正の向き、D→A方向をy軸の正の向きとする。
また、B,C,Dの点電荷がA点に作る電場の大きさをそれぞれEb,Ec,Ed
とすると
Eb=k・|Qb|/(9a^2)
Ec=k・|Qc|/(25a^2)
Ed=k・|Qd|/(16a^2)
Qb,Qc,Qdの符号も考慮して
A点における、x軸方向の電場の合計は
k・Qb/(9a^2)+{k・Qc/(25a^2)}・(3/5)
∴(1/9)Qb+(3/125)・Qc=0
これが0でなければならないから、QbとQcとは異符号。
y軸方向の合計は
k・Qd/(16a^2)+{k・Qc/(25a^2)}・(4/5)
∴(1/16)Qd+(4/125)・Qc=0
QdとQcとは異符号。
整理すると
|Qb|:|Qc|:|Qd|=3^3:5^3:4^3
ただし、Qb,Qdは同符号の電荷,QcはQbと反対符号の電荷
Qaは任意。
問2
>答えはrの位置の磁場をB=μ0I/2πrとして、rを各導線までの距離にし、F=IBでもとめる?
はい、そのとおりです。
>また、これはすべての導線つまり、AのB、C、Dに対する力の合計を求める?
はい、そのように計算します。ただし、力はベクトルですから、和もベクトル和になることをお忘れなく。
対称性を考慮すると、計算が少し楽になります。合力は、A→Cの方向で
(μ0I^2/2πr)・(√2)+(μ0I^2/2π(r・√2)
=(μ0I^2/2πr){(√2)+(1/√2)}
=(μ0I^2/2πr)(3/√2)
問3 電池を使っているので、電流は直流と考えて良いのでしょうか? "並列"接続とされていますが、各素子間の関係が不明瞭です。定常状態になった後では、コイルは抵抗0ですから、電源に対して4つの素子のすべてが並列だと、抵抗には電流が流れず、コイルには∞の電流が流れることになり、問題そのものが不適切に思えます。素子間の接続関係をきちんと正確に伝えるべきでしょう。
問4
>この問題の答えは単純にεA/(d-d1)でよろしい?
はい、そのとおりです。
回路をそのままに、丁寧に考察すると…
元々のコンデンサーの極板をG,H、挿入した導体の、Gに近い方の面をJ、他面をKとします。
コンデンサーが電荷Qを蓄えるまでに充電されると、その極板間の電場によって、導体に静電誘導による誘導電荷が現れてきます。誘導電荷もQです。Gの電荷が+Qとすると、Jには-Qが、Kには+Qが現れますから、あたかもGJ、KHが平行板コンデンサーになっているように考えても構いません。GJの距離をd'とすると
GJ間の静電容量C1は
C1=εA/d'
KH間の静電容量C2は
C2=εA/(d-d1-d')
2つのコンデンサーは直列になってるので、合成容量Cは
1/C=1/C1+1/C2
=k・(d'+d-d1-d')
=k・(d-d1)
となりますから
C=εA/(d-d1)
まあ、挿入されているのが導体ですから、思考実験風に考えれば、計算するまでもないですか。
導体を、一方の極板の方に、平行移動していって、限りなく近づけたとしても各部の電荷量は変化しませんから、"離れた所"から見ると、G,Jの電荷合計=0、Kに+Qが現れて見えるわけで、K、Hを極板としたコンデンサーができたようなものですね。コンデンサーの極板間距離が d-d1 になったかのように見えるわけですから、公式で、極板間距離を d-d1 とすれば良いことがわかります。
問5
微分方程式を解く問題ですね。
dv/dt=g-b・v^2=-b(v^2-g/b)
g/b=β^2とおくと
dv/dt=-b(v^2-β^2)
変形すると
dv/(v^2-β^2)=-b・dt
さらに左辺は
dv・(1/2β){1/(v-β)-1/(v+β)} と変形できますから
dv/(v-β)-dv/(v+β)=-2βb・dt
辺々を積分して
log|(v-β)/(v+β)|=-2βbt+C'
Cは積分定数です。
ところで
dv/dt=g-b・v^2
で、左辺が0になるとき、v=v∞(終端速度)ですから g-b・(v∞)^2=0
つまりv∞=√(g/b)=β
初速度が0でしたから、0<v<v∞ なので
v-β<0です
∴log|(v-β)/(v+β)|=log((β-v)/(β+v))
∴(β-v)/(β+v)=C・e^(-2βbt)
t=0でv=0でしたから
C=1
∴(β-v)/(β+v)=e^(-2βbt)
整理して
v=β・(1-e^(-2βbt))/(1-e^(-2βbt))
分母分子に e^(βbt) を掛けると
v=β・(e^(βbt)1-e^(-βbt))/(e^(βbt)1+e^(-βbt))
双曲関数の定義から
v=β・tanh(βbt)
=√(g/b)・tanh(t・√(bg))
No.3
- 回答日時:
じゃあ私は問3を.
コイルと抵抗がどうつながっているのか説明がないので,添付図みたいな回路と想像しましたがどうでしょうか?
十分時間が経つと電流I1(t),I2(t)は一定の値に収束し,コイルは単なる導線のように振る舞うようになるので,収束値をI1(∞)などと表すと,
V = R1 I1(∞) = R2 I2(∞).
∴I1(∞) = V/R1, I2(∞) = V/R2, I(∞) = I1(∞) + I2(∞) = V(1/R1 + 1/R2).
因みに,微分方程式を立てて初期条件のもとで解くと,
I1(t) = (V/R) {1 - exp(-R1 t/L1)},
I2(t) = (V/R) {1 - exp(-R2 t/L2)},
I(t) = I1(t) + I2(t)
となります.

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