問題文全文(内容文)：
$3$ 次の文章を読み、下の問 $1$ 〜 $5$ に答えなさい。〔解答番号 $\fbox{1}$ 〜 $\fbox{5}$ 〕

図のように，電気容量が同じ $C$ のコンデンサー $C_1, C_2$ と同じ特性のダイオード $D_1, D_2$, 抵抗値 $R$ の電気抵抗 $\text{R}$ からなる回路に，起電力が同じ $V_0$ で極性の逆の $2$ つの電池を並列に接続した電源 $\text{E}$ の電圧を，スイッチ $\text{S}$ で切り替えて回路にかける操作を繰り返す。ダイオード $D_1, D_2$ は理想的なダイオードで，順方向には抵抗 $0$ で電流が流れ，逆方向にはどのように大きな電圧がかかっても電流が流れないものとする。回路内の点 $\text{G}$ を接地して電位の基準とする。最初，コンデンサー $C_1, C_2$ に電荷は蓄えられていない。回路内において，抵抗 $\text{R}$ 以外の電気抵抗はすべて無視でき，回路のインダクタンスも無視できるものとする。この回路に次の操作を繰り返し行う。

操作Ⅰ：スイッチ $\text{S}$ を $\text{a}$ 側につなぎ，十分に時間が経過した後，$\text{S}$ を開く。
操作Ⅱ：スイッチ $\text{S}$ を $\text{b}$ 側につなぎ，十分に時間が経過した後，$\text{S}$ を開く。

操作Ⅰと操作Ⅱを続けて行うことを単に「スイッチ操作」と呼び，操作Ⅰと操作Ⅱを続けて $1$ 回行うときを「スイッチ操作 $1$ 回」と数える。

問 $1$ 次の文章中の空欄 $\fbox{ア}$ 〜 $\fbox{ウ}$ に入る文字または式，数値の組合せとして正しいものを，下の $\text{①}$ 〜 $\text{⑧}$ のうちから一つ選びなさい。 $\fbox{1}$

一般に，スイッチを切り替える直前直後でコンデンサーの極板間の電圧は変化しない。回路内で点 $\text{K, P, L}$ の電位をそれぞれ $V_K, V_P, V_L$ と表すと，$1$ 回目のスイッチ操作で，スイッチ $\text{S}$ を $\text{a}$ 側に接続した直後は，$V_K = V_P = V_0, V_L = 0$ なので，ダイオード $D_1, D_2$ のうち電流が流れるダイオードは $\fbox{ア}$ であり，電気抵抗 $\text{R}$ を流れる電流の大きさは $\fbox{イ}$ となる。十分に時間が経過し，操作Ⅰが終了すると，点 $\text{P}$ の電位は $\fbox{ウ}$ となる。

問 $2$ 次の文章中の空欄 $\fbox{ア}$ 〜 $\fbox{ウ}$ に入る文字または式，数値の組合せとして正しいものを，下の $\text{①}$ 〜 $\text{⑧}$ のうちから一つ選びなさい。 $\fbox{2}$

$1$ 回目のスイッチ操作で，スイッチ $\text{S}$ を $\text{b}$ 側に接続を切り替えた直後，ダイオード $D_1, D_2$ のうち電流が流れるダイオードは $\fbox{ア}$ で，電気抵抗 $\text{R}$ を流れる電流の大きさは $\fbox{イ}$ となる。十分に時間が経過し，操作Ⅱが終了すると，コンデンサー $C_2$ に蓄えられる電気量は $\fbox{ウ}$ となる。

$n$ 回目（$n$ は自然数）のスイッチ操作が終了した時点の点 $\text{P}$ の電位を $V_P(n)$ と表記する。

問 $3$ $2$ 回目のスイッチ操作が終了した時点の点 $\text{P}$ の電位 $V_P(2)$ はいくらか。正しいものを，次の $\text{①}$ 〜 $\text{⑥}$ のうちから一つ選びなさい。 $V_P(2) = \fbox{3}$

$\text{①}$ $-2V_0$ $\text{②}$ $-V_0$ $\text{③}$ $-\frac{1}{2}V_0$ $\text{④}$ $\frac{1}{2}V_0$ $\text{⑤}$ $V_0$ $\text{⑥}$ $2V_0$

問 $4$ $V_P(n+1)$ と $V_P(n)$ の間に成り立つ関係はどれか。正しいものを，次の $\text{①}$ 〜 $\text{⑥}$ のうちから一つ選びなさい。 $V_P(n+1) = \fbox{4}$

$\text{①}$ $\frac{1}{2}V_P(n) + \frac{1}{2}V_0$ $\text{②}$ $\frac{1}{2}V_P(n) + V_0$ $\text{③}$ $V_P(n) + \frac{1}{2}V_0$
$\text{④}$ $V_P(n) + V_0$ $\text{⑤}$ $\frac{3}{2}V_P(n) + \frac{1}{2}V_0$ $\text{⑥}$ $\frac{3}{2}V_P(n) + V_0$

問 $5$ スイッチ操作の回数 $n$ を十分に多くすると，コンデンサー $C_1, C_2$ が蓄えている電気量が変化しなくなる。このとき，コンデンサー $C_1$ が蓄えている電気量はいくらか。正しいものを，次の $\text{①}$ 〜 $\text{⑥}$ のうちから一つ選びなさい。 $\fbox{5}$

$\text{①}$ $\frac{1}{2}CV_0$ $\text{②}$ $CV_0$ $\text{③}$ $\frac{3}{2}CV_0$ $\text{④}$ $2CV_0$ $\text{⑤}$ $\frac{5}{2}CV_0$ $\text{⑥}$ $3CV_0$

（図表は動画参照）

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

図1のように、起電力\(2V_0\)の電池E、可変抵抗（抵抗値を変えることのできる電気抵抗）\(\text{R}_1\)、抵抗値\(\frac{2V_0}{I_0}\)の電気抵抗\(\text{R}_2\)、特性が等しいダイオード\(\text{D}_1\)、\(\text{D}_2\)、電気容量が\(C\)のコンデンサーC、電流計Aおよびスイッチ\(\text{S}_1\)、\(\text{S}_2\)、\(\text{S}_3\)を接続した回路がある。ただし、\(I_0\)、\(V_0\)は正の定数である。

ダイオード\(\text{D}_1\)を点aから点bに流れる電流\(I\)と点bに対する点aの電位\(V\)との関係は、図2のように、
\(I = \begin{cases} 0 & (V \leq V_0) \\ I_0 \left(\frac{V}{V_0} - 1\right)^2 & (V \geq V_0) \end{cases}\)
で与えられる。初め、スイッチはすべて開いており、コンデンサーCに電荷は蓄えられていない。回路内において、電気抵抗\(\text{R}_1\)と\(\text{R}_2\)以外の電気抵抗はすべて無視できるものとする。

可変抵抗\(\text{R}_1\)の抵抗値を\(\frac{2V_0}{I_0}\)にして、スイッチ\(\text{S}_1\)のみを閉じた。

問1 ダイオード\(\text{D}_1\)を流れている電流\(I_1\)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。\(I_1 = \boxed{1} \times I_0\)

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

次に、可変抵抗\(\text{R}_1\)の抵抗値を\(R_{\text{I}}\)に変えてスイッチ\(\text{S}_1\)、\(\text{S}_2\)、\(\text{S}_3\)を全て閉じ、十分に時間が経過するとコンデンサーCに\(\frac{3}{2}CV_0\)の電気量が蓄えられた。

問2 可変抵抗\(\text{R}_1\)の抵抗値\(R_{\text{I}}\)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。\(R_{\text{I}} = \boxed{2} \times \frac{V_0}{I_0}\)

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

可変抵抗\(\text{R}_1\)の抵抗値を\(R_{\text{I}}\)にした状態で、スイッチ\(\text{S}_1\)のみを開いた。

問3 スイッチ\(\text{S}_1\)を開いた直後に電流計Aを流れる電流\(I_{\text{A}}\)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。\(I_{\text{A}} = \boxed{3} \times I_0\)

① \(0\) 　 ② \(\frac{1}{16}\) 　 ③ \(\frac{1}{12}\) 　 ④ \(\frac{1}{8}\) 　 ⑤ \(\frac{1}{4}\) 　 ⑥ \(\frac{1}{3}\)

問4 スイッチ\(\text{S}_1\)を開いてから十分に時間が経過するまでの間に、電流計Aを通過した電気量の総和\(Q_{\text{A}}\)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。\(Q_{\text{A}} = \boxed{4} \times CV_0\)

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

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 \(\frac{Nmv_1^2}{2}\left\{1 - \left(\frac{r_2}{r_1}\right)^3\right\}\)

問題文全文(内容文)：
3. 次の文章を読み、下の問1〜4に答えなさい。［解答番号 $\boxed{1}$〜$\boxed{4}$］（図は動画内参照）

図1のように、焦点距離 $f\,(>0)$ の薄い凸レンズ L の光軸上に、L の中心 O から距離 $a\,(a>f)$ 離れた位置に光軸と垂直に大きさ $h$ の物体 P を置く。レンズ L の右側の焦点を $F_1$、左側の焦点を $F_2$ とする。$OF_1=OF_2=f$ である。この場合、レンズ L の右側に倒立実像 $P_i$ が生じる。レンズの中心 O から像 $P_i$ までの距離を $b\,(b>f)$ とする。

問1. $a+b=6f$ とする。このとき、薄い凸レンズ L による物体 P の実像は 2 つある。$a>b$ の場合の像の大きさを $h_1$ とする。$h_1$ として、正しいものを、次の①〜⑥のうちから一つ選びなさい。$h_1=\boxed{1}\times h$

① $\dfrac{1}{6}$ $\quad$ ② $\dfrac{1}{3}$ $\quad$ ③ $\dfrac{1}{2}$
④ $2-\sqrt{3}$ $\quad$ ⑤ $2-\sqrt{2}$ $\quad$ ⑥ $\sqrt{\dfrac{2}{3}}$

図2のように、焦点距離が $15\,\mathrm{cm}$ の薄い凸レンズ $L_1$ の光軸上で、$L_1$ の中心 $O$ を原点とし、右向きを正として $x$ 軸をとり、光軸に垂直に上向きを正として $y$ 軸をとる。$x=-24\,\mathrm{cm}$ の位置に大きさ $6\,\mathrm{cm}$ の物体 AB を光軸に垂直に頭 A が上になるようにして置く。次に、レンズ $L_1$ の右側 $x=42.5\,\mathrm{cm}$ の位置に平面鏡 M を光軸に垂直に設置する。平面鏡 M で反射してきた光による像がどのように見えるか考察する。どの位置に像があるかは像の頭の位置の座標 $(x,y)$ で表す。物体 AB の頭 A の位置の座標は $(-24,6)$ となる。

問2. 物体 AB → レンズ $L_1$ → 平面鏡 M → レンズ $L_1$ と、M で反射し再び $L_1$ を透過してきた光により、$x<0$ に実像 $P_1$ が生じる。この実像 $P_1$ はどの位置に生じるか。実像 $P_1$ の頭の位置の座標を $(x_1,y_1)$ として、正しいものを、次の①〜⑧のうちから一つ選びなさい。$(x_1,y_1)=\boxed{2}$

① $(-45,-10)$ $\quad$ ② $(-45,10)$ $\quad$ ③ $(-45,-5)$ $\quad$ ④ $(-45,5)$
⑤ $(-22.5,-10)$ $\quad$ ⑥ $(-22.5,10)$ $\quad$ ⑦ $(-22.5,-5)$ $\quad$ ⑧ $(-22.5,5)$

図3のように、レンズ $L_1$ の右側（$x>0$）の位置に、焦点距離が $12\,\mathrm{cm}$ の薄い凸レンズ $L_2$ を光軸に垂直に置き、その中心 $O_2$ を光軸に一致させる。レンズ $L_2$ を置く位置により実像が生じる場合と虚像が生じる場合がある。

問3. レンズ $L_2$ を $x=60\,\mathrm{cm}$ の位置に置いた場合、レンズ $L_1$ とレンズ $L_2$ の 2 つのレンズの組合せにより実像 $P_2$ が生じる。この実像 $P_2$ はどの位置に生じるか。実像 $P_2$ の頭の位置の座標を $(x_2,y_2)$ として、正しいものを、次の①〜⑧のうちから一つ選びなさい。$(x_2,y_2)=\boxed{3}$

① $(80,10)$ $\quad$ ② $(80,-10)$ $\quad$ ③ $(90,15)$ $\quad$ ④ $(90,-15)$
⑤ $(100,20)$ $\quad$ ⑥ $(100,-20)$ $\quad$ ⑦ $(120,30)$ $\quad$ ⑧ $(120,-30)$

問4. レンズ $L_2$ を $x=50\,\mathrm{cm}$ の位置に置いた場合は、顕微鏡や望遠鏡と同じ原理により、レンズ $L_2$ の右側から見ると虚像 $P_3$ が見える。この虚像 $P_3$ はどの位置に見えるか。虚像の頭 $P_3$ の位置の座標を $(x_3,y_3)$ として、正しいものを、次の①〜⑧のうちから一つ選びなさい。$(x_3,y_3)=\boxed{4}$

① $(-30,360)$ $\quad$ ② $(-30,-360)$ $\quad$ ③ $(-10,60)$ $\quad$ ④ $(-10,-60)$
⑤ $(10,60)$ $\quad$ ⑥ $(10,-60)$ $\quad$ ⑦ $(30,360)$ $\quad$ ⑧ $(30,-360)$

問題文全文(内容文)：
\(\boxed{2}\) 次の文章を読み、下の問1～4に答えなさい。〔解答番号 \(\boxed{1}\) ～ \(\boxed{4}\) 〕

図のように、水平面上に直線のレール\(\text{L}_1\)があり、\(\text{L}_1\)の左端Aには傾斜をつけた直線のレール\(\text{L}_2\)を鉛直面内でなめらかに接続し、\(\text{L}_1\)の右端Bには点Oを中心とする半径\(r\)の半円レール\(\text{L}_3\)を同一鉛直面内でなめらかに接続して、全体を動かないように固定する。ここで、水平面上の直線レール\(\text{L}_1\)上に、質量\(m\)の小球Pを置き、静止させておく。次に、直線レール\(\text{L}_2\)上で、水平面からの高さ\(h\)の位置に質量\(\alpha m\) (\(\alpha > 0\)) の小球Qを置いて静かに放す。小球P、Qとレール\(\text{L}_1\)、\(\text{L}_2\)、\(\text{L}_3\)の間に摩擦はなく、運動はレールを含む同一鉛直面内でのみ生じ、P、Qは\(\text{L}_3\)の端点Cまではレールから外れることはないものとする。小球Pと小球Qの間の反発係数（はねかえり係数）は\(\frac{1}{2}\)である。小球P、Qの大きさは無視でき、レール\(\text{L}_2\)は十分に長いものとし、空気抵抗も無視できるものとする。また、重力加速度の大きさを\(g\)とする。

レール\(\text{L}_2\)をすべり降りてきた小球Qが、水平面上のレール\(\text{L}_1\)に静止している小球Pと衝突した。衝突直後、小球Qは静止し、小球Pは右向きに速さ\(v_0\)で動き出した。

問1 小球Qの質量\(\alpha m\)の\(\alpha\)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。\(\alpha = \boxed{1}\)

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

小球Pはその後、半円レール\(\text{L}_3\)上をすべり上がり、\(\text{L}_3\)の端Cから飛び出して、レール\(\text{L}_1\)上で右端Bから\(4r\)離れた点Dに落下した。ただし、レール\(\text{L}_1\)の長さは\(4r\)より長いものとする。

問2 小球Pが端Cから飛び出す直前に、端Cでレール\(\text{L}_3\)から受ける垂直抗力の大きさ\(N_{\text{C}}\)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。\(N_{\text{C}} = \boxed{2}\)

① \(m\frac{v_0^2}{r}-mg\)　② \(m\frac{v_0^2}{r}+mg\)　③ \(m\frac{v_0^2}{r}-3mg\)
④ \(m\frac{v_0^2}{r}+3mg\)　⑤ \(m\frac{v_0^2}{r}-5mg\)　⑥ \(m\frac{v_0^2}{r}+5mg\)

問3 小球Pがレール\(\text{L}_3\)から離れることなく端Cに到達して飛び出すために必要な高さ\(h\)の値の最小値\(h_{\min}\)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。\(h_{\min} = \boxed{3}\)

① \(3r\)　② \(4r\)　③ \(5r\)　④ \(6r\)　⑤ \(9r\)　⑥ \(10r\)

問4 小球Pが点Dに落下したことから、小球Qを放した高さ\(h\)が決定される。このときの高さ\(h\)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。\(h = \boxed{4}\)

① \(4r\)　② \(8r\)　③ \(10r\)　④ \(12r\)　⑤ \(16r\)　⑥ \(18r\)

問題文全文(内容文)：
4. 次の文章を読み、下の問1〜4に答えなさい。［解答番号 $1$〜$4$］（図は動画内参照）

図1は光電効果を利用してプランク定数 $h$ を測定する実験装置の概略図である。真空にしたガラス管（光電管）内部に、光を受ける陰極 K と、K から放出される電子（光電子）を受ける陽極 P があり、K を接地して、電池と可変抵抗（抵抗値を変えることのできる電気抵抗）により P の電位を正負に変化させられるようになっている。陰極 K からの光電子放出によって流れる電流を光電流と呼ぶ。光電流 $I\,[\mathrm{A}]$ は電流計 A で、陰極 K と陽極 P の間の電圧 $V\,[\mathrm{V}]$ は電圧計 V で測定する。

陰極材として金属カリウムを用い、単色光を陰極 K に照射し、陽極 P の電位 $V_P$ を変化させると図2のようになった。光電流 $I$ の最大値 $I_0\,[\mathrm{A}]$ を飽和電流と呼び、光電流が流れなくなるとき（$V_P=-V_0$）の電圧 $V_0$ を阻止電圧と呼ぶ。電気素量を $1.60\times10^{-19}\,\mathrm{C}$、真空中の光の速さを $3.00\times10^8\,\mathrm{m/s}$ とし、測定されたプランク定数を $6.63\times10^{-34}\,\mathrm{J\cdot s}$ とする。

問1. 金属表面での光の反射や金属内部での電子とイオンとの衝突などのため、金属カリウムを陰極とし、照射する光の波長が $400\,\mathrm{nm}$ の場合、入射する光子数に対して放出される光電子数の割合が $1.0\times10^{-3}$ 程度である。飽和電流 $I_0=0.10\,\mu\mathrm{A}$ とする。1 秒間当たりに陰極 K に照射する光子の数はいくらか。最も適したものを、次の①〜⑥のうちから一つ選びなさい。$\boxed{1}$

① $3.1\times10^{12}$ ② $3.1\times10^{13}$ ③ $3.1\times10^{14}$
④ $6.3\times10^{12}$ ⑤ $6.3\times10^{13}$ ⑥ $6.3\times10^{14}$

問2. 1秒間当たりに陰極 K 面が受け取る光のエネルギーはいくらか。最も適したものを、次の①〜⑥のうちから一つ選びなさい。$\boxed{2}$ W

① $1.6\times10^{-6}$ ② $1.6\times10^{-5}$ ③ $1.6\times10^{-4}$
④ $3.1\times10^{-6}$ ⑤ $3.1\times10^{-5}$ ⑥ $3.1\times10^{-4}$

照射する光の波長を変えながら、同様の実験を行ったところ、照射する光の振動数 $\nu\,[\mathrm{Hz}]$ と測定された阻止電圧 $V_0\,[\mathrm{V}]$ の関係は図3のようになった。

問3. 金属カリウムの仕事関数はいくらか。最も適したものを、次の①〜⑥のうちから一つ選びなさい。$\boxed{3}$ eV

① $1.2$ ② $2.4$ ③ $4.8$
④ $12$ ⑤ $24$ ⑥ $48$

問4. 照射する光の波長が $400\,\mathrm{nm}$ の場合、飛び出してくる光電子の運動エネルギーの最大値はいくらか。最も適したものを、次の①〜⑥のうちから一つ選びなさい。$\boxed{4}$ eV

① $0.70$ ② $1.3$ ③ $2.4$
④ $3.1$ ⑤ $4.6$ ⑥ $5.2$

問題文全文(内容文)：
5. 次の文章を読み、下の問1〜5に答えなさい。［解答番号 $\boxed{1}$〜$\boxed{5}$］（図は動画内参照）

図1のように、細い鉄金 ABCDE を固定した L 字型の台車 P がなめらかで水平な床の上にあり、P の左端はなめらかで鉛直な壁に接している。鉄金を含めた台車 P の質量は $M$ である。鉄金には質量 $m$（$m < M$）の小球 Q が通されており、Q は鉄金に沿ってなめらかに運動することができる。鉄金は水平な AB 部分で台車に垂直に固定されている。また、BC 部分は鉛直で、点 D を最下点とした CDE 部分は点 O を中心とする半径 $r$ の半円をなしており、鉛直部分 BC と半円部分 CDE は点 C でなめらかに接続されている。鉄金はすべて同一鉛直面内にあり、点 C、O、E は同一水平面内にある。小球 Q を点 C より $r$ だけ高い位置より静かに放すと、最初は Q のみが点 D まで運動し、Q が点 D を通過後は、台車 P も動き始める。台車 P は傾くことなく水平方向のみに運動し、小球 Q は P の運動方向を含む同一鉛直面内でのみ運動する。小球 Q の大きさおよび空気抵抗は無視できるものとする。また、重力加速度の大きさを $g$ とする。

問1. 小球 Q が点 D を通過する直前の速さを $v_D$ とする。$v_D$ 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。$v_D=\boxed{1}$

① $\dfrac{1}{2}\sqrt{gr}$ ② $\sqrt{\dfrac{1}{2}gr}$ ③ $\sqrt{gr}$
④ $\sqrt{\dfrac{3}{2}gr}$ ⑤ $\sqrt{2gr}$ ⑥ $2\sqrt{gr}$

問2. 小球 Q が点 D を通過する瞬間に、台車 P が床から受ける垂直抗力の大きさを $N$ とする。$N$ 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。$N=\boxed{2}$

① $(M+m)g$ ② $(M+2m)g$ ③ $(M+3m)g$
④ $(M+4m)g$ ⑤ $(M+5m)g$ ⑥ $(M+6m)g$

問3. 小球 Q が点 D を通過した後、図2のように、鉛直線 OD と角度 $\theta$ をなす位置を通過する瞬間の Q の床に対する速度の水平成分の大きさを $v$、鉛直成分の大きさを $u$ とし、台車 P の床に対する速さを $V$ とする。$v$、$u$、$V$、$\theta$ の間に成り立つ関係式として正しいものを、下の①〜⑥のうちから一つ選びなさい。$\boxed{3}$

① $u=(v-V) \sin \theta$ ② $u=(v+V) \sin \theta$ ③ $u=(v-V) \cos \theta$
④ $u=(v+V) \cos \theta$ ⑤ $u=(v-V) \tan \theta$ ⑥ $u=(v+V) \tan \theta$

問4. その後、小球 Q は点 E より針金から離れて空中に飛び出した。このとき、台車 P の床に対する速さ $V$ 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。$V=\boxed{4}$

① $0$ ② $\dfrac{2m\sqrt{gr}}{M+m}$ ③ $\dfrac{2M\sqrt{gr}}{M+m}$
④ $\sqrt{gr}$ ⑤ $\dfrac{2m\sqrt{gr}}{M-m}$ ⑥ $\dfrac{2M\sqrt{gr}}{M-m}$

問5. 点 E を高さの基準とし、小球 Q が点 E より飛び出した後に達する最高点の高さを $h$ とする。高さ $h$ は半径 $r$ の何倍か。正しいものを、次の①〜⑥のうちから一つ選びなさい。$\dfrac{h}{r}=\boxed{5}$

① $\dfrac{M-m}{M+m}$ ② $\dfrac{M+m}{M-m}$ ③ $\dfrac{m}{M}$
④ $\dfrac{M}{m}$ ⑤ $\dfrac{2m}{M+m}$ ⑥ $\dfrac{2M}{M+m}$

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)：
問1　次の文章中の空欄 $\boxed{\text{ア}}$、$\boxed{\text{イ}}$ に入る式の組合せとして正しいものを、下の①〜⑥のうちから一つ選びなさい。（図と選択肢は動画内参照）

図1のように、$x$ 軸上を運動する物体 $A$、$B$ があり、時刻 $t=0$ に $A$ は $x=0$ の位置から、$B$ は $x=d$（$d>0$）の位置から同時に運動を開始した。図2、3は、それぞれ時刻 $t$ と物体 $A$ の速度 $v_A$、時刻 $t$ と物体 $B$ の速度 $v_B$ の関係を示したグラフである。グラフは時刻 $t=0$ から時刻 $t=8t_0$（$t_0>0$）の間を示しており、物体 $A$ の最大の速さは $2v_0$（$v_0>0$）、物体 $B$ の最大の速さは $v_0$ である。$x$ 軸の正の向きを速度の正の向きとし、物体 $A$、$B$ の大きさは無視できるものとする。
時刻 $t=0$ から時刻 $t=8t_0$ の間で、物体 $A$ が $x=d$ の位置を通過する瞬間に物体 $B$ に最も接近した。物体 $A$ が物体 $B$ に最も接近した時刻は $t=\boxed{\text{ア}}$ であり、この瞬間の $A$ と $B$ の間の距離は $\boxed{\text{イ}}$ である。

問2　次の文章中の空欄 $\boxed{\text{ア}}$ ～ $\boxed{\text{ウ}}$ に入る式または数値の組合せとして正しいものを、下の①〜⑥のうちから一つ選びなさい。（図と選択肢は動画内参照）

なめらかに動くピストンの付いたシリンダー内に理想気体を封入し、圧力 $p$ を縦軸に、体積 $V$ を横軸にとった $p$-$V$ グラフ上で、理想気体を圧力 $2p_0$、体積 $V_0$、温度 $T_0$ の状態 $A$ から、圧力 $p_0$、体積 $2V_0$、温度 $T_0$ の状態 $B$ に直線的にゆっくりと変化させた。この変化では理想気体の温度は $T_0$ よりいったん上昇し、その後下降して再び $T_0$ に戻る。この間の最大の温度 $T_{\max}$ を求めてみよう。
$AB$ 間の任意の状態 $C$ の圧力を $p$、体積を $V$、温度を $T$ とする。このとき、グラフ上で直線的な変化をするので、$p=-\frac{p_0}{V_0}V+\boxed{\text{ア}}$であり、$T$ は $V$ の関数として、$T=-\frac{T_0}{V_0^2}V\times\boxed{\text{イ}}$ と表される。したがって、この関係式より、最大の温度 $T_{\max}$ は $T_{\max}=\boxed{\text{ウ}}\times T_0$となる。

問3　次の文章中の空欄 $\boxed{\text{ア}}$、$\boxed{\text{イ}}$ に入る式の組合せとして最も適したものを、下の①〜⑥のうちから一つ選びなさい。（図と選択肢は動画内参照）

周期 $T$ の波を発する波源 $S$ が水面上を一定の速さ $v$ で運動している。この速さ $v$ が水面を伝わる波の速さ $V$ よりも大きいとき、図5のような波面（衝撃波）が生じる。波源 $S$ が運動している方向とこの衝撃波がなす角度を $\theta$ とし、水面を伝わる波の速さ $V$ は一定で変化しないものとする。
波源 $S$ の時刻 $0$ のときの位置を点 $S_0$、時刻 $T$ のときの位置を点 $S_1$ とする。時刻 $0$ から $T$ の間に、点 $S_0$ で波源 $S$ から出た波は半径 $VT$ の円周上に達し、$S$ は $vT$ だけ移動するので、角度 $\theta$ は $\sin\theta=\boxed{\text{ア}}$ を満たす。
ここで、点 $S_0$ から運動方向と角度 $\alpha$ をなす方向の十分に遠い位置にある点 $P$ に到達する波を考える。点 $S_0$ で波源 $S$ から出た波が点 $P$ に到達する時刻を $t_0$、点 $S_1$ で $S$ から出た波が点 $P$ に到達する時刻を $t_1$ とする。点 $P$ は点 $S_0$ と点 $S_1$ から十分に遠い位置にあるので、$\overline{S_0P}-\overline{S_1P}\simeq \overline{S_0S_1}\cos\alpha$ と近似できる。
このとき、$t_1-t_0=T\left(1-\boxed{\text{イ}}\right)$ となる。この式より波源 $S$ の速さが水面を伝わる波の速さより大きい場合、点 $P$ の位置によっては、点 $S_0$ で波源 $S$ から出た波が到達した後に、点 $S_1$ で $S$ から出た波が到達するとは限らなくなる。

問4　次の文章中の空欄 $\boxed{\text{ア}}$ ～ $\boxed{\text{ウ}}$ に入る数値の組合せとして正しいものを、下の①〜⑧のうちから一つ選びなさい。（図と選択肢は動画内参照）

図6のように、抵抗値 $4\,\Omega$ の電気抵抗 $R$、コイル $L$、コンデンサー $C$ を直列に接続し、角周波数が $\omega\,[\mathrm{rad/s}]$ で実効値 $100\,\mathrm{V}$ の交流電源 $E$ に接続したところ、コイル $L$ の誘導リアクタンスは $6\,\Omega$ であった。交流電源 $E$ の内部抵抗および回路内の導線の抵抗は無視できるものとし、回路を流れる電流による磁場も無視できるものとする。
この回路には電源電圧より位相が $\delta$（$\delta>0$）だけ遅れた実効値 $20\,\mathrm{A}$ の交流電流が流れた。このときの回路のインピーダンスは $\boxed{\text{ア}}\,\Omega$ であり、$\tan\delta=\boxed{\text{イ}}$ である。
角周波数を $\omega_0\,[\mathrm{rad/s}]$ にすると、回路のインピーダンスが最小になり、回路には最大の電流が流れるようになった。この角周波数は $\omega_0=\boxed{\text{ウ}}\times\omega\,[\mathrm{rad/s}]$ である。

問題文全文(内容文)：
物理

1. 次の問 1〜4 に答えなさい。（解答番号 $1$〜$4$）

[1]
円形容器の内側に沿って進行方向を向き、高さ $h$ の位置で等速円運動を行わせたときの角速度を $\omega_1$、容器から受ける垂直抗力の大きさを $N_1$ とする。また、高さ $2h$ の位置で同様に等速円運動を行わせたときの角速度を $\omega_2$、垂直抗力の大きさを $N_2$ とする。このとき、角速度の比 $\dfrac{\omega_2}{\omega_1}$ および垂直抗力の比 $\dfrac{N_2}{N_1}$ の組み合わせとして最も適切なものを、次の①〜⑥のうちから一つ選べ。

$\dfrac{\omega_2}{\omega_1} = \text{ア}$、$\dfrac{N_2}{N_1} = \text{イ}$

① ア：$\dfrac{1}{\sqrt{2}}$ イ：$1$
② ア：$\sqrt{2}$ イ：$1$
③ ア：$\dfrac{1}{2}$ イ：$1$
④ ア：$\dfrac{1}{\sqrt{2}}$ イ：$2$
⑤ ア：$\sqrt{2}$ イ：$2$
⑥ ア：$\dfrac{1}{2}$ イ：$2$


[2]
熱容量の無視できない容器に $-10^\circ\text{C}$ の氷 $200\text{ g}$ を入れ、$400\text{ W}$ の電熱器で加熱した。時間を $t\text{ [s]}$ としたときの温度変化の様子はグラフのようになった。容器の熱容量を $C\text{ [J/K]}$、氷の比熱を $c\text{ [J/(g}\cdot\text{K)]}$ とするとき、適切な値を次の①〜⑥のうちから選べ。ただし、水の比熱は $4.2\text{ J/(g}\cdot\text{K)}$、氷の融解熱は $334\text{ J/g}$ とする。

$C = \text{ア}\text{ J/K}$
$t_1 = \text{イ}\text{ s}$
$c = \text{ウ}\text{ J/(g}\cdot\text{K)}$

① ア：$40$ イ：$169$ ウ：$1.8$
② ア：$60$ イ：$179$ ウ：$2.1$
③ ア：$60$ イ：$169$ ウ：$2.1$
④ ア：$80$ イ：$179$ ウ：$1.8$
⑤ ア：$80$ イ：$189$ ウ：$2.4$
⑥ ア：$100$ イ：$189$ ウ：$2.4$


[3]
断面積と単位長さあたりの巻き数が等しい2つのコイル1、コイル2がある。コイル2の長さはコイル1の長さの2倍である。このとき、コイル2の自己インダクタンスはコイル1の自己インダクタンスの $\text{ア}$ 倍である。
また、コイル1に図5のような電流 $I(t)$ を流したとき、生じる自己誘導起電力の大きさを $V(t)$ とする。$V(T)$ と $V(4T)$ の比 $\dfrac{V(4T)}{V(T)}$ は $\text{イ}$ である。適切なものを次の①〜⑥のうちから一つ選べ。

① ア：$1$ イ：$\dfrac{1}{2}$
② ア：$2$ イ：$\dfrac{1}{2}$
③ ア：$2$ イ：$2$
④ ア：$4$ イ：$\dfrac{1}{2}$
⑤ ア：$4$ イ：$1$
⑥ ア：$4$ イ：$2$


[4]
放射性崩壊では $\alpha$ 線、$\beta$ 線、$\gamma$ 線が放出される。これらのうち、透過力が最も大きいものは $\text{ア}$ である。
天然カリウム $1\text{ g}$ 中には放射性同位体であるカリウム40（${}^{40}\text{K}$）が質量パーセントで $0.012\%$ 含まれている。カリウムの原子量を $40$、アボガドロ定数を $6.0 \times 10^{23}\text{ /mol}$ とすると、カリウム40の半減期 $T = 3.9 \times 10^{16}\text{ s}$（約12.5億年）を考慮したとき、天然カリウム $1\text{ g}$ あたりの放射能（1秒間あたりの崩壊数）は約 $\text{イ} \times 10\text{ Bq}$ である。（ただし $\left(\dfrac{1}{2}\right)^{\frac{1}{T}} \approx 1 - \dfrac{\log_e 2}{T}$、$\log_e 2 = 0.69$ とする。）

① ア：$\alpha$ 線 イ：$1$
② ア：$\alpha$ 線 イ：$3$
③ ア：$\beta$ 線 イ：$3$
④ ア：$\beta$ 線 イ：$6$
⑤ ア：$\gamma$ 線 イ：$1$
⑥ ア：$\gamma$ 線 イ：$3$