【限定公開】【過去問解説】2022年度獨協医科大学医学部 物理 大問4【医塾公式】 - 質問解決D.B.(データベース)

【限定公開】【過去問解説】2022年度獨協医科大学医学部 物理 大問4【医塾公式】

問題文全文(内容文):
\(\boxed{4}\) 次の文章を読み、下の問1~5に答えなさい。〔解答番号 \(\boxed{1}\) ~ \(\boxed{5}\) 〕

図のように、気圧調整器で気圧を調整できる部屋の中に、熱を通さない球形容器Cを入れ、C内に単原子分子\(N\)個からなる理想気体を封入する。この球形容器C内の圧力は部屋の気圧と常に等しく保たれ、部屋の気圧が変化すると、Cの大きさも球形の形を変えることなく変化する。気体を封入した時点の球形容器Cの内半径は\(r\)であった。
球形容器C内は熱平衡状態に保たれ、分子は様々な方向に飛び回っている。この運動を次のように単純化して考える。分子はすべて同じ速さ\(v\)で運動し、分子同士は衝突せず、壁に衝突するまでは等速直線運動を行う。また、球形容器Cの内壁はなめらかで、分子はこのなめらかな内壁と弾性衝突し、衝突の前後で速さは変化しない。このような分子運動から気体の圧力を考えてみよう。気体分子1個の質量を\(m\)とする。ここで、球形容器Cの内壁に入射角\(\theta\)で衝突する分子Aに着目する。

問1 壁との1回の衝突で分子Aが壁に与える力積の大きさはいくらか。正しいものを、次の①~⑥のうちから一つ選びなさい。\(\boxed{1}\)

① \(mv \sin\theta\)   ② \(2mv \sin\theta\)   ③ \(mv \cos\theta\)
④ \(2mv \cos\theta\)   ⑤ \(mv\)   ⑥ \(2mv\)

問2 単位時間当たりに分子Aが壁に与える力積の大きさはいくらか。正しいものを、次の①~⑥のうちから一つ選びなさい。\(\boxed{2}\)

① \(\frac{mv^2}{4r}\)   ② \(\frac{mv^2}{2r}\)   ③ \(\frac{mv^2}{r}\)   ④ \(\frac{3mv^2}{2r}\)   ⑤ \(\frac{2mv^2}{r}\)   ⑥ \(\frac{4mv^2}{r}\)

問3 球形容器C内の気体の圧力\(p\)はいくらか。正しいものを、次の①~⑥のうちから一つ選びなさい。\(p = \boxed{3}\)

① \(\frac{Nmv^2}{4\pi r^3}\)   ② \(\frac{Nmv^2}{3\pi r^3}\)   ③ \(\frac{Nmv^2}{2\pi r^3}\)   ④ \(\frac{3Nmv^2}{4\pi r^3}\)   ⑤ \(\frac{Nmv^2}{r^3}\)   ⑥ \(\frac{3Nmv^2}{2\pi r^3}\)

部屋の気圧が\(p_1\)のとき、球形容器Cの内半径は\(r_1\)であった。この時点から、部屋内をゆっくりと減圧して行くと、球形容器Cがゆっくりと膨張して行き、部屋の気圧を\(p_2\)にすると、Cの内半径は\(r_2\)になった。部屋の気圧が\(p_1\)のときの分子の速さを\(v_1\)、気圧が\(p_2\)のときの分子の速さを\(v_2\)とする。単原子分子理想気体の断熱変化では気体の圧力\(p\)と体積\(V\)の間に、「\(pV^{\frac{5}{3}} = \text{一定}\)」の関係が成り立つ。

問4 \(v_1\)、\(r_1\)、\(r_2\)を用いて\(v_2\)はどのように表されるか。正しいものを、次の①~⑥のうちから一つ選びなさい。\(v_2 = \boxed{4} \times v_1\)

① \(\frac{r_1}{r_2}\)   ② \(\frac{r_2}{r_1}\)   ③ \(\left(\frac{r_1}{r_2}\right)^{\frac{1}{2}}\)   ④ \(\left(\frac{r_2}{r_1}\right)^{\frac{2}{3}}\)   ⑤ \(\left(\frac{r_1}{r_2}\right)^{\frac{2}{3}}\)   ⑥ \(\left(\frac{r_2}{r_1}\right)^{\frac{5}{3}}\)

問5 この断熱変化で球形容器C内の気体が、Cの壁に対してした仕事\(W\)はいくらか。正しいものを、次の①~⑥のうちから一つ選びなさい。\(W = \boxed{5}\)

① \(\frac{Nmv_1^2}{2}\left(1 - \frac{r_1}{r_2}\right)\)   ② \(\frac{Nmv_1^2}{2}\left(1 - \frac{r_2}{r_1}\right)\)   ③ \(\frac{Nmv_1^2}{2}\left\{1 - \left(\frac{r_1}{r_2}\right)^2\right\}\)
④ \(\frac{Nmv_1^2}{2}\left\{1 - \left(\frac{r_2}{r_1}\right)^2\right\}\)   ⑤ \(\frac{Nmv_1^2}{2}\left\{1 - \left(\frac{r_1}{r_2}\right)^3\right\}\)   ⑥ \(\frac{Nmv_1^2}{2}\left\{1 - \left(\frac{r_2}{r_1}\right)^3\right\}\)
チャプター:

0:00 問1解説
2:59 問2解説
5:00 問3解説
6:25 問4解説
9:27 問5解説

単元: #物理#熱・波・音#大学入試過去問(物理)#理科(高校生)#獨協医科大学
指導講師: 医塾の過去問解説チャンネル
問題文全文(内容文):
\(\boxed{4}\) 次の文章を読み、下の問1~5に答えなさい。〔解答番号 \(\boxed{1}\) ~ \(\boxed{5}\) 〕

図のように、気圧調整器で気圧を調整できる部屋の中に、熱を通さない球形容器Cを入れ、C内に単原子分子\(N\)個からなる理想気体を封入する。この球形容器C内の圧力は部屋の気圧と常に等しく保たれ、部屋の気圧が変化すると、Cの大きさも球形の形を変えることなく変化する。気体を封入した時点の球形容器Cの内半径は\(r\)であった。
球形容器C内は熱平衡状態に保たれ、分子は様々な方向に飛び回っている。この運動を次のように単純化して考える。分子はすべて同じ速さ\(v\)で運動し、分子同士は衝突せず、壁に衝突するまでは等速直線運動を行う。また、球形容器Cの内壁はなめらかで、分子はこのなめらかな内壁と弾性衝突し、衝突の前後で速さは変化しない。このような分子運動から気体の圧力を考えてみよう。気体分子1個の質量を\(m\)とする。ここで、球形容器Cの内壁に入射角\(\theta\)で衝突する分子Aに着目する。

問1 壁との1回の衝突で分子Aが壁に与える力積の大きさはいくらか。正しいものを、次の①~⑥のうちから一つ選びなさい。\(\boxed{1}\)

① \(mv \sin\theta\)   ② \(2mv \sin\theta\)   ③ \(mv \cos\theta\)
④ \(2mv \cos\theta\)   ⑤ \(mv\)   ⑥ \(2mv\)

問2 単位時間当たりに分子Aが壁に与える力積の大きさはいくらか。正しいものを、次の①~⑥のうちから一つ選びなさい。\(\boxed{2}\)

① \(\frac{mv^2}{4r}\)   ② \(\frac{mv^2}{2r}\)   ③ \(\frac{mv^2}{r}\)   ④ \(\frac{3mv^2}{2r}\)   ⑤ \(\frac{2mv^2}{r}\)   ⑥ \(\frac{4mv^2}{r}\)

問3 球形容器C内の気体の圧力\(p\)はいくらか。正しいものを、次の①~⑥のうちから一つ選びなさい。\(p = \boxed{3}\)

① \(\frac{Nmv^2}{4\pi r^3}\)   ② \(\frac{Nmv^2}{3\pi r^3}\)   ③ \(\frac{Nmv^2}{2\pi r^3}\)   ④ \(\frac{3Nmv^2}{4\pi r^3}\)   ⑤ \(\frac{Nmv^2}{r^3}\)   ⑥ \(\frac{3Nmv^2}{2\pi r^3}\)

部屋の気圧が\(p_1\)のとき、球形容器Cの内半径は\(r_1\)であった。この時点から、部屋内をゆっくりと減圧して行くと、球形容器Cがゆっくりと膨張して行き、部屋の気圧を\(p_2\)にすると、Cの内半径は\(r_2\)になった。部屋の気圧が\(p_1\)のときの分子の速さを\(v_1\)、気圧が\(p_2\)のときの分子の速さを\(v_2\)とする。単原子分子理想気体の断熱変化では気体の圧力\(p\)と体積\(V\)の間に、「\(pV^{\frac{5}{3}} = \text{一定}\)」の関係が成り立つ。

問4 \(v_1\)、\(r_1\)、\(r_2\)を用いて\(v_2\)はどのように表されるか。正しいものを、次の①~⑥のうちから一つ選びなさい。\(v_2 = \boxed{4} \times v_1\)

① \(\frac{r_1}{r_2}\)   ② \(\frac{r_2}{r_1}\)   ③ \(\left(\frac{r_1}{r_2}\right)^{\frac{1}{2}}\)   ④ \(\left(\frac{r_2}{r_1}\right)^{\frac{2}{3}}\)   ⑤ \(\left(\frac{r_1}{r_2}\right)^{\frac{2}{3}}\)   ⑥ \(\left(\frac{r_2}{r_1}\right)^{\frac{5}{3}}\)

問5 この断熱変化で球形容器C内の気体が、Cの壁に対してした仕事\(W\)はいくらか。正しいものを、次の①~⑥のうちから一つ選びなさい。\(W = \boxed{5}\)

① \(\frac{Nmv_1^2}{2}\left(1 - \frac{r_1}{r_2}\right)\)   ② \(\frac{Nmv_1^2}{2}\left(1 - \frac{r_2}{r_1}\right)\)   ③ \(\frac{Nmv_1^2}{2}\left\{1 - \left(\frac{r_1}{r_2}\right)^2\right\}\)
④ \(\frac{Nmv_1^2}{2}\left\{1 - \left(\frac{r_2}{r_1}\right)^2\right\}\)   ⑤ \(\frac{Nmv_1^2}{2}\left\{1 - \left(\frac{r_1}{r_2}\right)^3\right\}\)   ⑥ \(\frac{Nmv_1^2}{2}\left\{1 - \left(\frac{r_2}{r_1}\right)^3\right\}\)
投稿日:2024.01.20

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■解答
第1問 (1)2 (2)3 (3)4 (4)2 (5)3 (6)2
第2問 (7)2 (8)1 (9)3 (10)2 (11)1 (12)6
第7問 問1.√(2gH) 問2.√(6gH)e/2 問3.√(H/2g) 問4.H/4 問5.L/2
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