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85 (物理(第4問) 問5)
問題文
真空中の、大きさが同じで符号が逆の二つの点電荷が作る電位の様子を調べよう。
続いて、図1のように、長方形の一様な導体紙(導電紙)に電流を流し、導体紙上の電位を測定すると、図2のような等電位線が描けた。ただし、点P、Qを通る直線上に、負の電極(点Q)から正の電極(点P)の向きにx軸をとり、電極間の中央の位置を原点O(x=0)にとる。また、原点での電位を0mVにとる。図2の太枠は導体紙の辺を示す。
直線PQ上で位置x〔mm〕と電位V〔mV〕の関係を調べたところ、図3が得られた。
最後に、x=0mmの位置における電場の大きさを用いて、導体紙の抵抗率を求めることを試みた。
図4に示すように、導体紙を立体的に考えて、導体紙のx軸に垂直でx=0を通る断面の面積をSとする。x=0を中心とする小さい幅の範囲において、電場の大きさは一様とみなせるものとする。この電場の大きさをEとし、面積Sの断面を通る電流をIとするとき、導体紙の抵抗率を表す式として正しいものを、後の選択肢のうちから一つ選べ。
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問題
大学入学共通テスト(理科)試験 令和6年度(2024年度)本試験 問85(物理(第4問) 問5) (訂正依頼・報告はこちら)
真空中の、大きさが同じで符号が逆の二つの点電荷が作る電位の様子を調べよう。
続いて、図1のように、長方形の一様な導体紙(導電紙)に電流を流し、導体紙上の電位を測定すると、図2のような等電位線が描けた。ただし、点P、Qを通る直線上に、負の電極(点Q)から正の電極(点P)の向きにx軸をとり、電極間の中央の位置を原点O(x=0)にとる。また、原点での電位を0mVにとる。図2の太枠は導体紙の辺を示す。
直線PQ上で位置x〔mm〕と電位V〔mV〕の関係を調べたところ、図3が得られた。
最後に、x=0mmの位置における電場の大きさを用いて、導体紙の抵抗率を求めることを試みた。
図4に示すように、導体紙を立体的に考えて、導体紙のx軸に垂直でx=0を通る断面の面積をSとする。x=0を中心とする小さい幅の範囲において、電場の大きさは一様とみなせるものとする。この電場の大きさをEとし、面積Sの断面を通る電流をIとするとき、導体紙の抵抗率を表す式として正しいものを、後の選択肢のうちから一つ選べ。
- SE/I
- IS/E
- IE/S
- S/IE
- E/IS
- I/SE
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この過去問の解説 (1件)
01
解答 SE/I
解説
導体紙の抵抗率を表す式を求める問題です。
抵抗率をρ、問題文中で「小さい幅」と呼ばれているものをdとすると、
抵抗Rに対して R = ρ(d/S) が成り立ちます。
これと V=Ed と オームの法則 R = V/I を組み合わせると、
ρ(d/S) = Ed/I
となり、変形して
ρ = SE/I
を得ます。 よって答えは SE/I となります。
簡潔な解説
大学レベルの物理では
(電流密度ベクトル)=(抵抗率の逆数)×(電場ベクトル)
という式がオームの法則と呼ばれます。この問題で言えば、
I/S = (1/ρ)×E
が成り立つということであり、これを変形すると
ρ = SE/I
を得ます。
この選択肢が正解となります。
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