問題文全文(内容文)：
絶対に水を満タンにできないといわれているクラインの壺　実験動画です

問題文全文(内容文)：
図のように、波長λ［m］のX線を質量m［kg］の静止している電子に向けて入射したとき、電子は図のθの方向に速さv〔m/s）でたたき出され、入射線はθ’の方向に波長でλ’［m］となって散乱されたとする。プランク定数をh［J・s］、光速をc［m/s］とする。
（1） X線の入射方向の運動量保存則を表せ。
（2） X線の入射方向に垂直な方向の運動量保存則を表せ。
（3） 衝突前後のエネルギー保存の法則を表せ。

宿題
真空中に静止していた質量 m［kg］の電子に波長λ［m］のX線光子を衝突させる。
電子はX線の入射方向 θ の角をなす方向に速さ v［m/s］ではね飛ばされ、X線光子は
入射方向と垂直な方向に波長λ’［m］となって散乱された。光速をc［m/s］、プラ
ンク定数をh［J・s］とする。
（１）衝突前後のエネルギー保存則を表せ。
（２）X線の入射方向に関する運動量保存則を表せ。
（３）X線の入射方向に垂直な方向に関する運動量保存則を表せ。

問題文全文(内容文)：
2　次の文章を読み、下の問1〜4に答えなさい。［解答番号　1　〜　4　］
図のように、鉛直に置かれた内部の断面積が S の円筒形のシリンダーに、シリンダー内部と同じ断面積で質量 m のピストンがはまって静止しており、内部に単原子分子理想気体が封入されている。シリンダーとピストンは断熱材でできており、ピストンはシリンダーの内壁と気密を保ってなめらかに動くことができる。最初、ピストンが静止している状態を初期状態とし、ピストンが静止している位置を x = 0 として鉛直下向きを正とする x 軸をとる。このときの容器内の気体の圧力を p₀、体積を V₀、温度を T₀ とする。
初期状態から、ピストンを鉛直下方向にわずかにゆっくりと押し下げてから手を放すと、ピストンは単振動を始めた。外気の温度は初期状態の容器内の気体の温度と等しく T₀ で、外気の圧力は P₀、重力加速度の大きさを g 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、$p V^{\frac{5}{3}} = \text{一定}$ が成立する。また、ε を実数として $\vert{}\varepsilon\vert{}$ が 1 に対して十分に小さいとき、ε の2次以上の項を無視する以下の近似式を用いてよい。
$$(1 + \varepsilon)^\alpha \approx 1 + \alpha \varepsilon \quad (\alpha \text{は実数})$$

問1
ピストンの位置が $x$ のとき、容器内の気体の圧力を $p_x$ とする。初期状態からの体積変化 $Sx$ は初期状態の気体の体積 $V$ に比べて十分に小さい。このとき、$p_x$ と $p_0$ の関係は、$V, S, x$ を用いてどのように表されるか。最も適したものを選びなさい。
$p_x = \fbox{1} \times p_0$

① $\left(1 - \frac{5Sx}{3V}\right)$
② $\left(1 - \frac{3Sx}{2V}\right)$
③ $\left(1 - \frac{2Sx}{3V}\right)$

④ $\left(1 + \frac{2Sx}{3V}\right)$
⑤ $\left(1 + \frac{3Sx}{2V}\right)$
⑥ $\left(1 + \frac{5Sx}{3V}\right)$


問2
ピストンに作用する力は $x$ 軸正の向きを正とする。ピストンの位置が $x$ のとき、ピストンに作用する力 $F$ はいくらか。最も適したものを次の ①～⑥ のうちから一つ選びなさい。
$F = \fbox{2}$

① $-\frac{5p_0 S^2}{3V}x$
② $-\frac{3p_0 S^2}{2V}x$
③ $-\frac{2p_0 S^2}{3V}x$

④ $mg - \frac{5p_0 S^2}{3V}x$
⑤ $mg - \frac{3p_0 S^2}{2V}x$
⑥ $mg - \frac{2p_0 S^2}{3V}x$


問3
ピストンの単振動の周期 $t$ はいくらか。最も適したものを次の ①～⑥ のうちから一つ選びなさい。
$t = \fbox{3} \times \frac{2\pi}{S}$

① $\sqrt{\frac{3mV}{5p_0}}$
② $\sqrt{\frac{2mV}{3p_0}}$
③ $\sqrt{\frac{mV}{p_0}}$

④ $\sqrt{\frac{3mV}{2p_0}}$
⑤ $\sqrt{\frac{2mV}{p_0}}$
⑥ $\sqrt{\frac{5mV}{2p_0}}$

問4
シリンダーを同形で熱をよく通す物質でできたものに替える。初期状態は同じ圧力 $p_0$、体積 $V_0$、温度 $T_0$ である。初期状態から、ピストンを鉛直方向にわずかにゆっくりと押し下げてから手を放すと、ピストンは単振動を始めた。ピストンが単振動中、容器内の気体の温度は外気と同じ温度 $T_0$ に保たれるものとし、この場合のピストンの単振動の周期を $t'$ とする。$t'$ は $t$ の何倍か。最も適したものを、次の ①～⑥ のうちから一つ選びなさい。$\frac{t'}{t} = \fbox{4}$

① $\sqrt{\frac{3}{5}}$
② $\sqrt{\frac{2}{3}}$
③ $\sqrt{\frac{3}{2}}$
④ $\sqrt{\frac{5}{3}}$
⑤ $\sqrt{2}$
⑥ $\sqrt{3}$

問題文全文(内容文)：
図のように、水平な床の点Pから距離Sはなれた鉛直な壁に向かって、初速度v_0（水平成分の大きさv_x。鈴直成分の大きさv_y）で小球を発射したところ、小球は、床から高さhの点Qで壁に垂直に衝突してはねかえり、壁の前方の点Rに落下した。重力加速度の大きさをg，小球と壁との間の反発係数を0.60とする。次の各問に答えよ。
（1） 小球が点Pから点Qに到達するまでの時間を、v_y,gを用いて表せ。
（2）点Pでの小球の速度成分v_x,v_yを、h,g,Sのうち、必要なものを用いて表せ。
（3） 小球が点Qから点Rに到達するまでの時間を、h、gを用いて表せ。
（4） 壁から点Rまでの距離を、Sを用いて表せ。

問題文全文(内容文)：
q［C］の正の点電荷を中心とする、半径 r［m］の球面を考える。点電荷から放射状に均等に出た電気力線は、球面を垂直に貫く。クーロンの法則の比例定数を k［N・m²/C²］として、次の各問に答えよ。
（1） 点電荷が球面の位置につくる電場の強さを求めよ。
（2）（1）の結果を利用して、点電荷から出る電気力線の総本数を求めよ。