基礎物理学:直前対策パック

公式集、全トピックの解法の要点、20 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。

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1公式と解法

運動学

速度
v = v0 + a·t
変位
s = v0·t + ½·a·t²
時間を含まない式
v² = v0² + 2·a·s
単位
1 m/s = 3.6 km/h

解き方

  1. わかっている量を単位つきで書き出します:v₀、v、a、t、s。
  2. わかっている 3 つの量と未知量を含む式を選びます。
  3. 正の向きを 1 つ決め、逆向きの量にはマイナスの符号をつけます。
  4. 解いて、答えが物理的に妥当か確認します。

ニュートンの法則

第 2 法則
ΣF = m·a
重力
W = m·g
動摩擦
Ff = μ·N
斜面上
斜面方向:m·g·sin θ、 垂直方向:m·g·cos θ

解き方

  1. 物体に働くすべての力を描いた自由体図を描きます。
  2. 運動の向きに沿って正の向きを決めます。
  3. 力を運動方向とそれに垂直な方向の成分に分けます(斜面では、斜面に沿って m·g·sin θ、斜面に垂直に m·g·cos θ)。
  4. 運動方向に ΣF = m·a を適用します。摩擦力は運動と逆向きに μ·N です。

放物運動

成分
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
位置
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
最高点の高さ
H = h + vy²/(2g)
水平到達距離(水平な地面)
R = v0²·sin 2θ/g

解き方

  1. 初速度を成分に分けます:vx = v₀·cos θ、vy = v₀·sin θ。
  2. 水平方向は等速運動、鉛直方向は加速度 −g の運動です。
  3. 鉛直方向の運動から飛行時間を求めます。
  4. その時間を水平方向の運動に使い、水平到達距離を求めます。

仕事とエネルギー

運動エネルギー
Ek = ½mv²
位置エネルギー
Ep = mgh
エネルギー収支
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
摩擦力がする仕事
W = μ·N·d
電力
P = W/t

運動量と衝突

運動量
p = m·v
保存則
Σm·v (before) = Σm·v (after)
完全非弾性
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
力積
J = F·Δt = m·Δv

解き方

  1. 正の向きを決め、各速度に符号をつけます。
  2. 衝突前の運動量の和を書きます:Σm·v。
  3. 完全非弾性衝突では衝突後に物体が一体となって動き、弾性衝突では運動エネルギーも保存されます。
  4. 衝突前の運動量と衝突後の運動量を等しいとおいて解きます。

静水圧

深さでの圧力
p = ρgh
鉛直な壁に働く力
F = ρg·hc·A
圧力中心
yp = yc + Ic/(ycA)
長方形
Ic = bH³/12

連続の式とベルヌーイ

連続の式
A1v1 = A2v2
ベルヌーイの定理
p1 + ½ρv1² + ρgz1 = p2 + ½ρv2² + ρgz2
流量
Q = A·v
円の面積
A = πd²/4

理想気体の状態方程式

理想気体の状態方程式
pV = nRT
気体定数
R = 8.314 J/(mol·K)
ボイル・シャルルの法則
p1V1/T1 = p2V2/T2
物質量
n = m/M
温度
T[K] = T[°C] + 273.15

熱機関と冷凍機

効率
η = W/QH = 1 − QC/QH
カルノー効率
ηC = 1 − TC/TH (kelvin)
冷凍機の COP
COPR = QC/W
ヒートポンプの COP
COPHP = QH/W = COPR + 1
エネルギー収支
QH = W + QC

波・音・光学

波の速さ
v = fλ, T = 1/f
弦
v = √(T/μ), μ = m/L
音の強さのレベル
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
点音源
I = P/(4πr²)
定常波
弦または開管 fn = n·v/(2L); 閉管 fn = n·v/(4L)、n は奇数
ドップラー効果
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
屈折率
n = c/v, λ = λ0/n
スネルの法則
n1sin θ1 = n2sin θ2
臨界角
sin θc = n2/n1
光ファイバー
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
レンズと鏡
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
二重スリット
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
回折格子
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
単スリット
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

解き方

  1. 問題の種類を見極めましょう:波の速さ、音の強さのレベル、定常波、ドップラー効果、屈折、レンズか鏡、または干渉。
  2. まず関係式を書きましょう:v = fλ、β = 10·log(I/I₀)、fₙ = n·v/(2L) または n·v/(4L)、f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs)、n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂、1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ、d·sin θ = mλ。
  3. 単位を換算しましょう:nm、mm、cm を m に。角度が法線から測られているかも確かめましょう。
  4. 符号ともっともらしさを確かめましょう:虚像は dᵢ < 0、近づく音源は高く聞こえる、閉管には奇数次の倍音しかない。

2演習問題

1.運動学ふつう
t (s)v (m/s)4.63 s27.78

100 km/h で走っている車が、一定の減速度 6 m/s² でブレーキをかけて停止する。 制動距離 s を求めよ。

v₀ = 100 km/ha = −6 m/s²v = 0
s = m
2.運動学むずかしい
v₀ = 16 m/s15 m

地面から高さ 15 m の屋上の端から、ボールを 16 m/s で真上に投げ上げる。空気抵抗は無視し、g = 9.81 m/s² とする。 投げてから地面に落ちるまでの時間 t を求めよ。

v₀ = 16 m/sh₀ = 15 mg = 9.81 m/s²
t = s
3.ニュートンの法則ふつう
6.5 kg3.5 kg

質量 6.5 kg と 3.5 kg のおもりが、軽くて摩擦のない滑車の両側に軽い糸でつながれてつり下げられている。系を静かに放す。g = 9.81 m/s² とする。 糸の張力 T を求めよ。

m1 = 6.5 kgm2 = 3.5 kgg = 9.81 m/s²
T = N
4.ニュートンの法則むずかしい
5 kg1 kgTF = 140 Nμ = 0.1

水平な床の上の 2 つのブロックが軽い水平な糸でつながれている。水平な力 140 N が前の 1 kg のブロックを引き、5 kg のブロックは後ろから引かれる。両方のブロックの動摩擦係数は 0.1 である。g = 9.81 m/s² とする。 ブロックの加速度 a を求めよ。

m1 = 5 kgm2 = 1 kgF = 140 Nμ = 0.1g = 9.81 m/s²
a = m/s²
5.放物運動ふつう
v0​ = ?15°R = 100 m

水平な地面からボールを水平から 15° 上向きに打ち出すと、100 m 先に着地する。空気抵抗を無視し、g = 9.81 m/s² とする。打ち出した速さ v0 を求めよ。

θ = 15°R = 100 mg = 9.81 m/s²
v0 = m/s
6.放物運動むずかしい
h = 60 mv0​ = 11 m/s30°到達距離

ボールを 高さ 60 m の崖の上から水平から 30° 上向きに投げる。空気抵抗は無視する。ボールが地面に落ちるまでの飛行時間 t を求めよ。

v0 = 11 m/sθ = 30°h = 60 mg = 9.81 m/s²
t = s
7.仕事とエネルギーふつう
45°L = 2 m0.2 kg

質量 0.2 kg の小球が長さ 2 m の軽い糸につり下げられている。糸が鉛直と 45° をなすまで横に引き、静かに放す。小球が最下点を通過するときの糸の張力 T を求めよ。

m = 0.2 kgL = 2 mθ = 45°g = 9.81 m/s²
T = N
8.仕事とエネルギーむずかしい
h = 4.5 mL = 4 mμ = 0.3k = 500 N/m

質量 0.5 kg のブロックを、なめらかなスロープ上の高さ 4.5 m から静かに放す。下で長さ 4 m の粗い水平区間(μ = 0.3)を通り、その後なめらかな面でばね(k = 500 N/m)に当たる。 ばねの最大縮み x を求めよ。

m = 0.5 kgh = 4.5 mL = 4 mμ = 0.3k = 500 N/mg = 9.81 m/s²
x = cm
9.運動量と衝突ふつう
2.5 kgv = ?12 gh = 13 cm

質量 12 g の弾丸を、軽い糸でつり下げた質量 2.5 kg の木片に水平に撃ち込むと、弾丸は木片の中にとどまる。木片は初めより 13 cm 高い位置まで振れ上がる。g = 9.81 m/s² とする。衝突前の弾丸の速さ v を求めよ。

m = 12 gM = 2.5 kgh = 13 cmg = 9.81 m/s²
v = m/s
10.運動量と衝突むずかしい
18 m/s13 m/s

質量 0.15 kg のボールが 18 m/s で壁に当たり、13 m/s でまっすぐはね返る。接触時間は 10 ms である。 壁がボールに与える力積の大きさ J を求めよ。

m = 0.15 kgvin = 18 m/svout = 13 m/sΔt = 10 ms
J = N·s
11.静水圧ふつう
ゲートd = 3 mH = 1.5 m

幅 3 m の鉛直な長方形ゲートが、水を入れたタンクの壁にあり、その上端は液面から 3 m 下にある。ゲートに働く静水圧の合力 F を求めよ。

d = 3 mH = 1.5 mb = 3 mρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
12.静水圧むずかしい
ゲートd = 0.5 mH = 2.5 m

幅 2 m の鉛直な長方形ゲートが、海水を入れたタンクの壁にあり、その上端は液面から 0.5 m 下にある。ゲートに働く静水圧の合力 F を求めよ。

d = 0.5 mH = 2.5 mb = 2 mρ = 1025 kg/m³g = 9.81 m/s²
F = kN
13.連続の式とベルヌーイふつう
Q = ?d = 30 mm, Cd​ = 0.65h = 5 m

大きな開放水槽から、直径 30 mm の刃形オリフィスを通って水が流出する。水位はオリフィスより 5 m 上に保たれ、流量係数は 0.65 である。流量 Q を求めよ。g = 9.81 m/s² とする。

d = 30 mmh = 5 mCd = 0.65g = 9.81 m/s²
Q = L/s
14.連続の式とベルヌーイむずかしい
H = ?d1​ = 100 mmp1​ = 110 kPad2​ = 20 mm

噴水のノズルが真上を向いている。ノズルのすぐ下で、供給管の直径は 100 mm、ゲージ圧は 110 kPa である。ノズル出口の直径は 20 mm で、ノズル前後の高さの差は無視できる。損失と空気抵抗を無視して、噴流がノズルより上に達する高さ H を求めよ。g = 9.81 m/s² とする。

d1 = 100 mmp1 = 110 kPa (ゲージ圧)d2 = 20 mmρ = 1000 kg/m³g = 9.81 m/s²
H = m
15.理想気体の状態方程式ふつう
400 g のO₂P = 450 kPaT = 70 °CV = ?

450 kPa、70 °C において、O₂ 400 g が占める体積 V はいくらか。理想気体として扱う。

m = 400 gM = 32 g/molP = 450 kPaT = 70 °CR = 8.314 J/(mol·K)
V = L
16.理想気体の状態方程式むずかしい
He, M = 4.003 g/molP = 850 kPaT = 70 °Cρ = ?

850 kPa、70 °C におけるHeの密度 ρ を、理想気体として求めよ。

M = 4.003 g/molP = 850 kPaT = 70 °CR = 8.314 J/(mol·K)
ρ = kg/m³
17.熱機関と冷凍機ふつう
TH​ = 350 °CTL​ = 15 °CEQH​ = 2700 kJQL​W = ?

熱機関が 350 °C の高温熱源と 15 °C の低温熱源の間で働く。 この機関は 2700 kJ の熱を受け取る。得られる最大の仕事 Wmax を求めよ。

TH = 350 °CTL = 15 °CQH = 2700 kJ
Wmax = kJ
18.熱機関と冷凍機むずかしい
TH​ = 22 °CTL​ = 10 °CHPQ̇H​ = 13.5 kWQ̇L​Ẇ = ?

ヒートポンプが 10 °C の熱源から熱をくみ上げ、22 °C の暖房システムに 13.5 kW の熱を供給する。実際の COP はこれらの温度間のカルノー COP の 55% である。使う電力 Ẇ を求めよ。

TH = 22 °CTL = 10 °CηII = 55%Q̇H = 13.5 kW
Ẇ = kW
19.波・音・光学ふつう
FFdo​ = 30 cmf = −5 cm

物体が、焦点距離 5 cm の薄い 発散 レンズの 30 cm 前にあります。像の距離 di を求めてください。符号の規則は 1/f = 1/do + 1/di を使います(発散レンズでは f < 0、虚像では di < 0)。

do = 30 cmf = −5 cm
di = cm
20.波・音・光学むずかしい
f1​ = 15 cmf2​ = −20 cm40 cm60 cm

2 枚の薄いレンズが同じ光軸上に 60 cm 離れて置かれています:レンズ 1 は f₁ = 15 cm、レンズ 2 は f₂ = −20 cm です。物体はレンズ 1 の 40 cm 前にあります。レンズ 2 から測った最終的な像の位置 di2 を求めてください(レンズ 2 より先が正、実像が正の規則)。

f1 = 15 cmf2 = −20 cms = 60 cmdo = 40 cm
di2 = cm

3溶液

1.運動学

答え: s = 64.3 m

等加速度運動:v = v₀ + a·t、s = v₀·t + ½·a·t²、v² = v₀² + 2·a·s。わかっている 3 つの量と求めたい 1 つの量を含む式を選び、正の向きを 1 つに決めて符号をそろえましょう。

単位

v₀ = 100/3.6 = 27.78 m/s

制動距離

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 27.78²/(2·6) = 64.3 m

答え

s = 64.3 m
2.運動学

答え: t = 4.022 s

等加速度運動:v = v₀ + a·t、s = v₀·t + ½·a·t²、v² = v₀² + 2·a·s。わかっている 3 つの量と求めたい 1 つの量を含む式を選び、正の向きを 1 つに決めて符号をそろえましょう。

運動の式

上向きを正とし、地面は出発点の h₀ 下にあります。

−15 = 16·t − ½·9.81·t²
4.905·t² − 16·t − 15 = 0

2 次方程式を解く

物理的に意味があるのは正の解だけです。

t = (16 + √(16² + 2·9.81·15))/9.81 = 4.022 s

答え

t = 4.022 s
3.ニュートンの法則

答え: T = 44.64 N

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

加速度

正味の駆動力は重さの差で、それが全質量を動かします。

a = (6.5 − 3.5)·9.81/(6.5 + 3.5) = 2.943 m/s²

軽いおもりから求める張力

T − m2·g = m2·a → T = 3.5·(9.81 + 2.943) = 44.64 N

答え

T = 44.64 N
4.ニュートンの法則

答え: a = 22.35 m/s²

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

系全体

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (140 − 5.886)/6 = 22.35 m/s²

答え

a = 22.35 m/s²
5.放物運動

答え: v0 = 44.29 m/s

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

水平到達距離の式を v₀ について解く

v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9.81·100/sin 30°) = 44.29 m/s

答え

v0 = 44.29 m/s
6.放物運動

答え: t = 4.103 s

放物運動:空気抵抗がなければ x = vxt、y = h + vyt − ½gt²。2 つの方向は独立で、共通なのは時間だけです。

初速度を分解する

水平速度は一定で、鉛直運動は下向きの一定加速度 g = 9.81 m/s² をもちます。

vx = v0·cos θ = 11·cos 30° = 9.526 m/s
vy = v0·sin θ = 11·sin 30° = 5.5 m/s

滞空時間

y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 を解き、正の解をとります。

0 = 60 + 5.5·t − 4.905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (5.5 + √(30.25 + 1177))/9.81 = 4.103 s

答え

t = 4.103 s
7.仕事とエネルギー

答え: T = 3.111 N

仕事とエネルギーの原理:運動エネルギーの変化は、すべての力がした仕事に等しくなります。重力とばねを位置エネルギー(mgh と ½kx²)として書くと、収支の式になります:初めのエネルギー = 終わりのエネルギー + 摩擦で失われたエネルギー (μN·d)。 円軌道上では、中心に向かう合力は mv²/r に等しくなければなりません。

最下点での速さ

v² = 2gL(1 − cos θ) = 2·9.81·2·(1 − cos 45°) = 11.49 m²/s²

最下点での力

m·g = 0.2·9.81 = 1.962 N
T = mg + mv²/L = 1.962 + 0.2·11.49/2 = 3.111 N

答え

T = 3.111 N

確認:T = mg(3 − 2cos θ) = 3.111 N。

8.仕事とエネルギー

答え: x = 25.45 cm

仕事とエネルギーの原理:運動エネルギーの変化は、すべての力がした仕事に等しくなります。重力とばねを位置エネルギー(mgh と ½kx²)として書くと、収支の式になります:初めのエネルギー = 終わりのエネルギー + 摩擦で失われたエネルギー (μN·d)。

粗い区間を通過した後のエネルギー

スロープはなめらかなので、エネルギーを奪うのは粗い区間だけです。

mgh − μmgL = 4.905·(4.5 − 0.3·4) = 16.19 J

最大縮み

½kx² = 16.19 → x = √(2·16.19/500) = 0.2545 m = 25.45 cm

答え

x = 25.45 cm
9.運動量と衝突

答え: v = 334.3 m/s

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

衝突後の振れ上がり

V = √(2·g·h) = √(2·9.81·0.13) = 1.597 m/s

衝突

m·v = (m + M)·V → v = (0.012 + 2.5)·1.597/0.012 = 334.3 m/s

答え

v = 334.3 m/s
10.運動量と衝突

答え: J = 4.65 N·s

運動量保存則:衝突の間に外力がはたらかなければ、衝突前の運動量の総和 Σm·v は衝突後の総和に等しくなります。速度には向きがあるので、正の向きを決め、逆向きの速度には負の符号をつけましょう。弾性衝突では運動エネルギーも保存され、完全非弾性衝突では物体どうしが一体となって動きます。

運動量の変化

J = m·Δv = 0.15·(13 + 18) = 4.65 N·s

答え

J = 4.65 N·s
11.静水圧

答え: F = 165.5 kN

平面に働く静水圧:F = ρ·g·yc·A。力は圧力中心 ycp = yc + Ic/(ycA) に作用し、これは常に図心より下にあります。

図心の深さと面積

yc = d + H/2 = 3 + 1.5/2 = 3.75 m
A = H·b = 1.5·3 = 4.5 m²
ゲートd = 3 mH = 1.5 mF

合力

F = ρ·g·yc·A = 1000·9.81·3.75·4.5 = 165.5 kN

答え

F = 165.5 kN
12.静水圧

答え: F = 87.98 kN

平面に働く静水圧:F = ρ·g·yc·A。力は圧力中心 ycp = yc + Ic/(ycA) に作用し、これは常に図心より下にあります。

図心の深さと面積

yc = d + H/2 = 0.5 + 2.5/2 = 1.75 m
A = H·b = 2.5·2 = 5 m²
ゲートd = 0.5 mH = 2.5 mF

合力

F = ρ·g·yc·A = 1025·9.81·1.75·5 = 87.98 kN

答え

F = 87.98 kN
13.連続の式とベルヌーイ

答え: Q = 4.551 L/s

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

理想的な噴流速度

√(2gh) = √(2·9.81·5) = 9.905 m/s

実際の流量

流量係数は、噴流の縮流と縁での摩擦を考慮したものです。

Q = Cd·A·√(2gh) = 0.65·0.0007069·9.905 = 0.004551 m³/s = 4.551 L/s

答え

Q = 4.551 L/s
14.連続の式とベルヌーイ

答え: H = 11.23 m

Continuity and Bernoulli: for an incompressible fluid the flow rate is the same at every section, Q = A₁v₁ = A₂v₂. Along a streamline without losses, p + ½ρv² + ρgz is constant, so where the fluid is faster or higher its pressure is lower.

出口流速

β = 20/100 = 0.2
v2 = √(2p1/(ρ(1 − β⁴))) = √(2·110000/(1000·0.9984)) = 14.84 m/s

噴流の高さ

噴流に沿ったベルヌーイの式:最高点では流速は 0 で、圧力は再び大気圧です。

H = v2²/(2g) = 14.84²/(2·9.81) = 11.23 m

答え

H = 11.23 m
15.理想気体の状態方程式

答え: V = 79.25 L

理想気体の状態方程式:PV = nRT、n = m/M。

物質量

n = 400/32 = 12.5 mol
T = 70 + 273.15 = 343.1 K

体積

V = nRT/P = 12.5·8.314·343.1/450 = 79.25 L

答え

V = 79.25 L
16.理想気体の状態方程式

答え: ρ = 1.193 kg/m³

理想気体の密度:ρ = PM/(RT)。

状態方程式を変形する

PV = (m/M)RT → ρ = m/V = PM/(RT)
T = 70 + 273.15 = 343.1 K

密度

ρ = 850·4.003/(8.314·343.1) = 1.193 kg/m³

答え

ρ = 1.193 kg/m³
17.熱機関と冷凍機

答え: Wmax = 1451 kJ

第 2 法則による限界:絶対温度 TH と TL の熱源の間で働くどんなサイクルも、可逆(カルノー)サイクルを上回れません:ηmax = 1 − TL/TH、COPR,max = TL/(TH − TL)、COPHP,max = TH/(TH − TL)。エネルギーは常に保存されます:QH = W + QL。

絶対温度

TH = 350 + 273.15 = 623.1 K
TL = 15 + 273.15 = 288.1 K

カルノー効率

ηmax = 1 − TL/TH = 1 − 288.1/623.1 = 53.76 %

最大仕事

Wmax = ηmax·QH = 0.5376·2700 = 1451 kJ

答え

Wmax = 1451 kJ
18.熱機関と冷凍機

答え: Ẇ = 0.998 kW

Second-law limits: no cycle working between reservoirs at absolute temperatures TH and TL can beat the reversible (Carnot) cycle: ηmax = 1 − TL/TH, COPR,max = TL/(TH − TL) and COPHP,max = TH/(TH − TL). Energy is always conserved: QH = W + QL.

絶対温度

TH = 22 + 273.15 = 295.1 K
TL = 10 + 273.15 = 283.1 K

カルノー COP と実際の COP

COPmax = 295.1/(295.1 − 283.1) = 24.6
COP = 0.55·24.6 = 13.53

入力動力

Ẇ = Q̇H/COP = 13.5/13.53 = 0.998 kW

答え

Ẇ = 0.998 kW
19.波・音・光学

答え: di = −4.286 cm

幾何光学:境界では n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂(スネルの法則)が成り立ち、角度は法線から測り、n = c/v です。より遅い媒質に入るとき、光線は法線に近づくように曲がります。より密な媒質(n₁ > n₂)から臨界角 θc = arcsin(n₂/n₁) を超えると、すべての光が反射されます:全反射です。薄いレンズと球面鏡は 1/f = 1/do + 1/di に従い、倍率は m = −di/do です。符号の規則:収束レンズと凹面鏡(f = R/2)では f > 0、発散レンズと凸面鏡では f < 0 です。di > 0 は実像、di < 0 は虚像、m < 0 は倒立した像を表します。

薄いレンズの式

1/di = 1/f − 1/do = 1/(−5) − 1/30
di = −4.286 cm
FF30 cmf = −5 cm

光線図

虚像、物体と同じ側

答え

di = −4.286 cm
20.波・音・光学

答え: di2 = −12.86 cm

幾何光学:境界では n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂(スネルの法則)が成り立ち、角度は法線から測り、n = c/v です。より遅い媒質に入るとき、光線は法線に近づくように曲がります。より密な媒質(n₁ > n₂)から臨界角 θc = arcsin(n₂/n₁) を超えると、すべての光が反射されます:全反射です。薄いレンズと球面鏡は 1/f = 1/do + 1/di に従い、倍率は m = −di/do です。符号の規則:収束レンズと凹面鏡(f = R/2)では f > 0、発散レンズと凸面鏡では f < 0 です。di > 0 は実像、di < 0 は虚像、m < 0 は倒立した像を表します。

レンズ 1 による像

1/di1 = 1/15 − 1/40 → di1 = 24 cm

レンズ 2 の物体

do2 = 60 − 24 = 36 cm

最終的な像

1/di2 = 1/(−20) − 1/36 → di2 = −12.86 cm

答え

di2 = −12.86 cm

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