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順天堂大学物理2012年第3問

熱を通さないシリンダーと、熱を通さない断面積S、質量Mのピストンがある。シリンダーとピストンの間から気体はもれず、ピストンはなめらかに動くものとする。シリンダー内部には圧力p、温度Tの理想気体があり、ピストンはシリンダーの底面から高さLで静止している(図1)。気体の定積モル比熱をCV、重力加速度の大きさをg、気体定数をR、外気の大気圧は無視できるものとして、下の問い(問1~問5)に答えよ。
〔解答番号15
juntendo-2012-physics-3-1
  • 問 1 図1のように、ピストンにはたらく重力と気体の圧力による力がつり合っているとき、シリンダー内部の気体の圧力pはいくらか。正しいものを、次の(1)~(6)のうちから一つ選べ。
    p=1
    • (1) Mg
    • (2) MgL
    • (3) MgS
    • (4) MgS
    • (5) MgL
    • (6) MgLS
  • 問 2 ピストンが静止している状態から、ピストンに外力を加えてわずかな距離xだけ持ち上げたところ(図2)、理想気体の圧力と温度は、それぞれ、p+ΔpT+ΔTになった。状態方程式を用いると、圧力の変化の割合Δppと温度の変化の割合ΔTTの間には、Δpp=2の関係がある。2に入れるのに正しい式を、次の(1)~(8)のうちから一つ選べ。ただし、abが1に対してじゅうぶん小さいとき、(1+a)(1+b)1+a+bと近似してよい。
    • (1) ΔTT+xL
    • (2) ΔTTxL
    • (3) ΔTT+xLS
    • (4) ΔTTxLS
    • (5) ΔTT+xL
    • (6) ΔTTxL
    • (7) ΔTT+xLS
    • (8) ΔTTxLS
  • 問 3 熱の出入りはないので、ピストンをxだけ持ち上げると気体は断熱変化する。このとき温度変化の割合ΔTTはどのように表されるか。正しいものを、次の(1)~(8)のうちから一つ選べ。
    ΔTT=3
    • (1) RCVLx
    • (2) RCVLx
    • (3) CVRLx
    • (4) CVRLx
    • (5) R(CV+R)Lx
    • (6) R(CV+R)Lx
    • (7) CV+RRLx
    • (8) CV+RRLx
  • 問 4 このときピストンに加えている鉛直方向の外力の大きさはいくらか。正しいものを、次の(1)~(8)のうちから一つ選べ。4
    • (1) RMgCVLx
    • (2) RMgLCVSx
    • (3) CVMgRLx
    • (4) CVMgLRSx
    • (5) CVMg(CV+R)Lx
    • (6) CVMgL(CV+R)Sx
    • (7) (CV+R)MgCVLx
    • (8) (CV+R)MgLCVSx
  • 問 5 ピストンに加えていた外力を取り去れば、ピストンは単振動を始める。このときの単振動の周期はいくらか。正しいものを、次の(1)~(8)のうちから一つ選べ。5
    • (1) 2πCVLgR
    • (2) 2πCVSgLR
    • (3) 2πRLgCV
    • (4) 2πRSgCVL
    • (5) 2π(CV+R)LgCV
    • (6) 2π(CV+R)SgCVL
    • (7) 2πCVLg(CV+R)
    • (8) 2πCVSg(CV+R)L