電験三種 平成23年度(2011) 理論 問12 過去問解説

問12 《電子の運動(電界の中の電子の等加速度運動)》
次の文章は,真空中における電子の運動に関する記述である。 図のように,$x$ 軸上の負の向きに大きさが一定の電界 $E$[V/m]が存在しているとき,$x$ 軸上に電荷が $-e$[C]($e$ は電荷の絶対値),質量 $m_0$[kg]の1個の電子を置いた場合を考える。$x$ 軸の正方向の電子の加速度を $a$[m/s²]とし,また,この電子に加わる力の正方向を $x$ 軸の正方向にとったとき,電子の運動方程式は $m_0 a =$(ア)……① となる。①式から電子は等加速度運動をすることがわかる。したがって,電子の初速度を零としたとき,$x$ 軸の正方向に向かう電子の速度 $v$[m/s]は時間 $t$[s]の(イ)関数となる。また,電子の走行距離 $x_{\mathrm{dis}}$[m]は時間 $t$[s]の(ウ)関数で表される。さらに,電子の運動エネルギーは時間 $t$[s]の(エ)で増加することがわかる。 ただし,電子の速度 $v$[m/s]はその質量の変化が無視できる範囲とする。 上記の記述中の空白箇所(ア),(イ),(ウ)及び(エ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次の(1)〜(5)のうちから一つ選べ。
問12の図
  1. (1) (ア)$eE$,(イ)一次,(ウ)二次,(エ)1乗
  2. (2) (ア)$\dfrac{1}{2}eE$,(イ)二次,(ウ)一次,(エ)1乗
  3. (3) (ア)$eE^2$,(イ)一次,(ウ)二次,(エ)2乗
  4. (4) (ア)$\dfrac{1}{2}eE$,(イ)二次,(ウ)一次,(エ)2乗
  5. (5) (ア)$eE$,(イ)一次,(ウ)二次,(エ)2乗
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正解は(5)
使う公式
運動方程式 $ma = F$、電界から受ける力 $F = eE$、等加速度運動 $v = at$、$x = \dfrac{1}{2}at^2$(m:質量[kg]、a:加速度[m/s²]、e:電荷の大きさ[C]、E:電界[V/m])
解説
【考え方】電子にはたらく力から加速度を出し、等加速度運動(同じ割合で速くなる動き)の式で、速さ・距離・エネルギーが t の何乗かを見ます。 ■1 (ア) 運動方程式 電子は負の電気なので、電界と反対の向き(x の正の向き)に力を受けます。 力の大きさは $eE$ なので、$m_0 a = eE$ です。→ (ア) $eE$ ■2 (イ) 速さ はじめ止まっているので、速さは $v = at$ です。 t の1乗なので、一次関数です。→ (イ) 一次 ■3 (ウ) 走った距離 $x_{\mathrm{dis}} = \dfrac{1}{2}at^2$ なので、t の二次関数です。→ (ウ) 二次 ■4 (エ) 運動エネルギー $\dfrac{1}{2}m_0 v^2 = \dfrac{1}{2}m_0 (at)^2 = \dfrac{1}{2}m_0 a^2 t^2$ t の2乗で増えます。→ (エ) 2乗 答えは(5)ピヨ。
出典:平成23年度(2011) 第三種電気主任技術者試験(電気技術者試験センター)理論 問12