電磁気と交流の問題

真空中で、紙面内に 2 本の平行な直線 ${\ell }_1$, ${\ell }_2$ を距離 $d$ だけ離して引く。${\ell }_1$ と ${\ell }_2$ にはさまれた領域にだけ、紙面に垂直で表から裏の向きに、磁束密度の大きさ $B$ の一様な磁場がかけられている。

質量 $m$、電気量 $q(q>0)$ の荷電粒子を、${\ell }_1$ 上の点 O から、${\ell }_1$ に垂直に、紙面内で磁場の領域に向けて速さ $v$ で入射させた。粒子は磁場の領域を通り抜けて ${\ell }_2$ から出ていき、そのとき粒子の速度の向きは、入射したときの速度の向きから $30^{\circ }$ だけ曲がっていた。$v$ を $m$, $q$, $B$, $d$ を用いて表せ。ただし、重力の影響は無視できるものとする。

真空中の紙面内に、直線 $l$ を境界とする 2 つの領域がある。直線 $l$ の上側の領域にだけ、紙面に垂直で裏から表の向きに、磁束密度の大きさ $B$ の一様な磁場がかかっており、下側の領域には磁場も電場もない。

質量 $m$、電気量 $q(q>0)$ の荷電粒子が、下側の領域から直線 $l$ 上の点 O を通って磁場の領域に入った。O を通過するときの粒子の速さは $v$ で、速度の向きは紙面内にあり、直線 $l$ と $60^{\circ }$ の角をなして上側の領域に向かっていた。その後、粒子は磁場の中で紙面内を運動し、やがて直線 $l$ 上の点 P を通って磁場の領域から出た。

O と P の間の距離を、$m$, $q$, $v$, $B$ を用いて表せ。ただし、重力の影響は無視する。

水平面と角 $\theta \left(0<\theta <\frac{\pi }{2}\right)$ をなす斜面に沿って、2 本の長い平行な金属レールを間隔 $l$ で、斜面の最大傾斜の方向に置いた。レールの上端どうしは抵抗値 $R$ の抵抗でつながれている。この空間全体には、鉛直上向きに磁束密度の大きさ $B$ の一様な磁場がかかっている。

質量 $m$ の金属棒を、レールと垂直になるように（水平に）レールの上にのせ、静かにはなすと、棒はレールと垂直を保ったままレールに沿ってすべり下り、やがて一定の速さになった。この一定の速さを、$m$, $g$, $R$, $B$, $l$, $\theta$ を用いて表せ。ただし、重力加速度の大きさを $g$ とし、金属棒とレールの電気抵抗、金属棒とレールの間の摩擦、回路の自己誘導は無視できるものとする。また、レールは十分に長く、棒はレールから外れないものとする。

真空中に、水平に置いた 2 枚の平行な金属板 S, T がある。T は S の上方にあり、T には小さな穴 P があけてある。T の上側の空間全体には、紙面に垂直で裏から表の向きに、磁束密度の大きさ $B$ の一様な磁場がかけられている（紙面は鉛直面とする）。S と T の間には、S の電位が T より $V$ だけ高くなるように電圧をかけてあり、S と T の間には磁場はない。

質量のわからない、電気量 $q(q>0)$ の正イオンを S の表面に静かに置くと、イオンは S, T 間の電場で加速されて P から鉛直上向きに磁場中へ入り、磁場中で円運動をして T の上面の点 Q に達した。P と Q の距離は $L$ であった。このイオンの質量を、$q$, $B$, $V$, $L$ を用いて表せ。ただし、重力の影響は無視できるものとし、イオンの S 上での初速度は $0$ とする。

水平面上に、2 本の長い平行な金属レールを間隔 $0.50\mathrm{m}$ で置き、レールの左端どうしを抵抗値 $2.0\Omega$ の抵抗でつないだ。レールの上に、レールと垂直に金属棒をのせる。この空間全体には、鉛直下向きに磁束密度の大きさ $0.40\mathrm{T}$ の一様な磁場がかかっている。

金属棒に、レールと平行で右向きの外力を加え、レールと垂直を保ったまま一定の速さ $3.0m/s$ で右向きに動かした。このとき金属棒に加えている外力の大きさは何 N か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、金属棒とレールの電気抵抗、金属棒とレールの間の摩擦、回路を流れる電流がつくる磁場は無視できるものとする。