2021年東大物理第3問

今年の第3問は波動(光)💡です。模試でもよく出そうなパターンですが、今回は
運動量と力積を深く理解しているか(Ⅰ(3))」、「幾何的素養はあるか(Ⅲ(1))」
を問われた感じです。Ⅰ(3)がkey問題でしょうね🧐全部解くのがだるい人もⅠ(3)まで
は自力で解いてみてください🎵

<余談>
LASER(レーザー)とは「Light Amplification by Stimulated Emission of
Radiation(誘導放出による光増幅放射)の頭字語」である。もっと簡略化すると、

単一波長の強い光線て感じ?皮膚科のシミ取りでレーザー治療がよく使われてますね。


(1)屈折点での微粒子の接線を考えると下図のようになる。
  ∴ 屈折の公式より n=sinθ/sinφ → sinθ=nsinφ

(2)運動量の与式p=E/CとΔt間に射出される光子のエネルギーがQΔtより
   p=QΔt/C

(3)図3-1で1,2回目の屈折で反時計回りに角θ-φずつ曲げられている。また、
   |p→|の値は変化なし。

(4)力積=運動量変化を使えればOK。
   fΔt=Δp → f = 2psin(θ-φ)/Δt = 2Qsin(θ-φ)/c

(5) θ≒nφ、図3-2よりsinφ=d/r
   f=2Qsin(n-1)θ/c≒2Q(n-1)φ/c≒2(n-1)Q/c × d/r



(1)光子は入射角0なので、θ-φ=0より、力は働かない

(2)微粒子が光から受ける力は、Ⅰ(4)を参考にすると、左上と右上方向(そして合力が上方向)
   なので、力は上に働く

(3) θ=nφでφ≒d/rより、θに比例してOCも大きくなることが図3-2よりわかる。
   ∴OF=Δyが大きいほどf’も大きくなると予想できるから、イorウに絞れる。
   


(1)ただの幾何。下図より、h=Δxcosα、d=rsinφなので、
   d=h/n=Δxcosα/n  


(2)微粒子が光から受ける力はOH→方向。
   f’= 2fcosα ≒ 4(n-1)QΔx cos²α/nrC

(3)数値計算。単位を揃えるのに注意。
   f₀=(4×0.5×5×10⁻³/1.5×3×10⁸×10⁻⁵)×(10⁻⁶/2)=1×10⁻¹[N]


【講評】
Ⅰ(1)(2)は容易。それ以降は「運動量をベクトル変化として理解しているか」「力の作用・反作用を意識できているか」が肝である。また、幾何的要素の色も強い。
したがって、原理の理解と幾何の得意・不得意で差がついたと考えられる🧐

物理選択者は大半が物理+化学だと思いますが、実際やってみると、今回は物理も化学も
量が半端なく多い(物理が若干マシ?)。また、理解度が浅いと、第2問後半と第3問で
大量失点のリスク
がある。

今回のセットでは、目標点は理Ⅰ,Ⅱで30~35点、理Ⅲは40~45点くらいでしょうか。
しかし、なんで理科の試験はこんなにも時間がきついのか😥😥








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