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2015年度 理論 問12
ブラウン管は電子銃、偏向板、蛍光面などから構成される真空管であり、オシロスコープの表示装置として用いられる。図のように、電荷 − e -e − e [C] をもつ電子が電子銃から一定の速度 v v v [m/s] で z z z 軸に沿って発射される。電子は偏向板の中を通過する間、x x x 軸に平行な平等電界 E E E [V/m] から静電力 − e E -eE − e E [N] を受け、x x x 方向の速度成分 u u u [m/s] を与えられ進路を曲げられる。偏向板を通過後の電子は z z z 軸と tan θ = u v \tan \theta = \dfrac{u}{v} tan θ = v u となる角度 θ \theta θ をなす方向に直進して蛍光面に当たり、その点を発光させる。このとき発光する点は蛍光面の中心点から x x x 方向に距離 X X X [m] だけシフトした点となる。u u u と X X X を表す式の組合せとして、正しいものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。 ただし、電子の静止質量を m m m [kg]、偏向板の z z z 方向の大きさを l l l [m]、偏向板の中心から蛍光面までの距離を d d d [m] とし、l ≪ d l \ll d l ≪ d と仮定してよい。また、速度は光速に比べて十分小さいものとする。
出典:第三種電気主任技術者 2015年度 理論 問12
回答を選ぶ 選択すると結果を表示 1 u : e l E m v u: \dfrac{elE}{mv} u : m v e l E , X : 2 e l d E m v 2 X: \dfrac{2eldE}{mv^{2}} X : m v 2 2 e l d E
2 u : e l E 2 m v u: \dfrac{elE^{2}}{mv} u : m v e l E 2 , X : 2 e l d E m v 2 X: \dfrac{2eldE}{mv^{2}} X : m v 2 2 e l d E
3 u : e l E m v 2 u: \dfrac{elE}{mv^{2}} u : m v 2 e l E , X : e l d E 2 m v X: \dfrac{eldE^{2}}{mv} X : m v e l d E 2
4 u : e l E 2 m v 2 u: \dfrac{elE^{2}}{mv^{2}} u : m v 2 e l E 2 , X : e l d E m v X: \dfrac{eldE}{mv} X : m v e l d E
5 u : e l E m v u: \dfrac{elE}{mv} u : m v e l E , X : e l d E m v 2 X: \dfrac{eldE}{mv^{2}} X : m v 2 e l d E
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正答・解説を確認する 正答:(5) 要点 正解は(5)。「u : e l E m v u: \dfrac{elE}{mv} u : m v e l E , X : e l d E m v 2 X: \dfrac{eldE}{mv^{2}} X : m v 2 e l d E 」が正しいです。です。
詳細解説を読む 正解は(5)です。
u u u の導出: 電子が偏向板(長さ l l l )を通過する時間 t t t は t = l v t = \dfrac{l}{v} t = v l です。 電界 E E E による加速度 a a a は、運動方程式 m a = e E ma = eE ma = e E より a = e E m a = \dfrac{eE}{m} a = m e E です。 通過後の x x x 方向の速度 u u u は、u = a t = e E m ⋅ l v = e l E m v u = at = \dfrac{eE}{m} \cdot \dfrac{l}{v} = \dfrac{elE}{mv} u = a t = m e E ⋅ v l = m v e l E となります。
X X X の導出: 問題文より tan θ = u v \tan \theta = \dfrac{u}{v} tan θ = v u です。 また、図何的関係と l ≪ d l \ll d l ≪ d の仮定(偏向板の中心から直線的に飛んでいく近似)より、X = d tan θ X = d \tan \theta X = d tan θ と表せます。X = d ⋅ u v = d ⋅ 1 v ⋅ e l E m v = e l d E m v 2 X = d \cdot \dfrac{u}{v} = d \cdot \dfrac{1}{v} \cdot \dfrac{elE}{mv} = \dfrac{eldE}{mv^{2}} X = d ⋅ v u = d ⋅ v 1 ⋅ m v e l E = m v 2 e l d E 。
よって、組合せとして正しいのは(5)です。 以上より、選択肢(5)が正解です。