大学入学共通テスト（理科） 過去問
令和6年度（2024年度）本試験
問73 (物理（第2問） 問4)

ペットボトルロケットに関する探究の過程についての次の文章を読み、後の問いに答えよ。

図1は、ペットボトルロケットの模式図である。ペットボトルの飲み口には栓のついた細い管（ノズル）が取り付けられていて、内部には水と圧縮空気がとじこめられている。ノズルの栓を開くとその先端から下向きに水が噴出する。ペットボトルとノズルはそれぞれ断面積S₀、sの円筒形とする。考えやすくするために、以下の計算では、水の運動による摩擦（粘性）、空気抵抗、大気圧、重力の影響は無視する。

図1のように、ペットボトルがストッパーで固定されている場合を考える。

栓を開けた後、図2（a）のような状態にあったところ、時刻t＝0からt＝△tまでの間に質量△m、体積△Vの水が噴出し、図2（b）のような状態になった。このとき、△tは小さいので、t＝0からt＝△tまでの間、圧縮空気の圧力pや、噴出した水の速さuは一定とみなせるものとする。また、ペットボトルやノズルの中にあるときの水の運動エネルギーは考えなくてよい。水の密度をρ₀とする。なお、以下の図で、t＜0で噴出した水は省略されている。

次の文章中の空欄（　ウ　）・（　エ　）に入れる語句および数式を示す記号の組合せとして最も適当なものを、後の選択肢のうちから一つ選べ。

時刻t＝0からt＝△tまでの間に噴出した水の、t＝△tでの（　ウ　）が、この間に圧縮空気がした仕事W′に等しいとき、u＝（　エ　）となる。この式と前問の結果から、pとρ₀を用いてuを表すことができる。

（　ウ　）に入れる語句
a　　運動量
b　　内部エネルギー
c　　運動エネルギー

（　エ　）に入れる数式
d　　2W′／△m
e　　2W′／p△m
f　　√（2W′／△m）