2023年09月07日

高校物理「電気・磁気」2023年共通テスト第4問より。コンデンサーの電気容量A

高校物理「電気・磁気」2023年共通テスト第4問より。コンデンサーの電気容量A

◆問題

第4問

 図2のように、直流電流、コンデンサー、抵抗、電圧計、電流計、スイッチを導線でつないだ。スイッチを閉じて充分に時間が経過してからスイッチを開いた。図3のグラフは、スイッチを開いてから時間tだけ経過したときの、電流計が示す電流Iを表す。ただし、スイッチを開く直前に電圧計は5.0Vを示していた。





問2 図3のグラフから、この実験で用いた抵抗の値を求めると何Ωになるか。その値として最も適当なものを、次の@〜Gのうちから1つ選べ。ただし、電流計の内部抵抗は無視できるものとする。[ 22 ]Ω
@ 0.02  A 2  B 20  C 200
D 0.05  E 5  F 50  G 500


解答はこのページ下に掲載します。


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◆解答

コンデンサーは、電流を流すと極板に電荷がたまる装置です。
電流を流し始めた直後は導線と同じ、つまり、抵抗ナシとみなし、
十分に時間が経過し、電荷がたまった後はそれ以上電子が流れ込むことができないので、オフになったスイッチと同じとみなすことができます。

今回の問題では、「スイッチを閉じて十分に時間が経過して」との記述から、まず最初に「5.0Vの電圧で充分にコンデンサーに充電した」と推定することができます。

それから「スイッチを開いた」とあるので、「コンデンサーと抵抗は電源から切り離された」とみなすことができます。

スイッチを開いた直後は、コンデンサーは5.0Vの電源と同じとみなすことができますが、時間の経過とともに極板上の電荷が減少し、極板間の電位差も減少し、電源としての電圧も減少していく。というわけです。
つまり、t=0のときの電圧は5.0Vで、そこから電圧は減少していくので、グラフがこんなふうになったと考えられます。

電圧が推定できるのはt=0のときの5.0Vで、このときの電流は100mAだから、オームの法則より

R=V/I
R=5.0/0.1=50Ω

これが抵抗の値だと推定できます。


次の問題→グラフから電気容量を求める


◆関連項目
オームの法則コンデンサー、電気容量球面上の電気力線
電気・磁気まとめ


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posted by えま at 10:25| Comment(0) | TrackBack(0) | 高校物理 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする
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