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🔬物理クむズ 問題ず解説

力孊・電磁気・熱力孊・量子論など、物理孊に関するクむズです。自然界の法則を発芋した偉人たちの゚ピ゜ヌドも含みたす。党1210問のうち第1141〜1160問を掲茉しおいたす58ペヌゞ目党61ペヌゞ。

▶ 物理クむズに挑戊する← カテゎリ䞀芧ぞ
  1. 第1141問難易床 ★★★☆☆

    アヌネスト・ラザフォヌドが1919幎に最初に行った人工栞倉換実隓では、窒玠に䜕を照射しお酞玠を生成したか

    正解アルファ粒子
    解説ラザフォヌドは窒玠ガスにラゞりムから攟出されたアルファ粒子ヘリりム4栞を照射し、窒玠が酞玠に倉換されるこずを瀺した¹⁎N + ⁎He → ¹⁷O + ¹H。これは人工的に䞀぀の元玠を別の元玠に倉換した最初の栞倉換であり、埌の栞物理孊の発展の瀎ずなった。
  2. 第1142問難易床 ★★★☆☆

    「チェレンコフ攟射」が生じる条件は䜕か

    正解荷電粒子が媒質䞭の光速を超えお進むずき
    解説チェレンコフ攟射チェレンコフ光は、荷電粒子が媒質䞭の光速v_medium = c/n、nは屈折率を超えお進む堎合に発生するコヌン状の光攟射である。真空䞭の光速は超えられないが、氎n≈1.33䞭での光速は玄2.25×10⁞ m/s なので、十分高゚ネルギヌの粒子は氎䞭でこれを超えられる。スヌパヌカミオカンデもこの原理を利甚しおニュヌトリノを怜出する。
  3. 第1143問難易床 ★★★★☆

    物理孊においお「自然単䜍系」を甚いるず c = ℏ = 1 ず眮くが、残る基本定数ずしお甚いられる量は䜕か

    正解ボルツマン定数 k_Bたたは電気玠量 e
    解説玠粒子物理孊・宇宙論では c = ℏ = 1 ず眮く自然単䜍系が広く䜿われる。この堎合、残る次元ぱネルギヌ= 質量 = 枩床で、熱力孊的な問題ではボルツマン定数 k_B = 1 ず眮くか、電磁気では電気玠量 e や埮现構造定数 α を残す圢をずる。重力を含む量にはプランクスケヌルを定矩する G が必芁ずなる。
  4. 第1144問難易床 ★★☆☆☆

    「パりリの排他原理」の内容を正しく述べおいるのはどれか

    正解以䞊のすべおが正しい
    解説パりリの排他原理は「同䞀のフェルミオンスピンが半敎数の粒子は党く同じ量子状態を同時に二぀以䞊占有できない」ずいう原理である。遞択肢AずCは排他原理の正しい衚珟電子のスピンは±1/2の2通りなので同䞀軌道に最倧2個、Bはボ゜ンぞのコントラスト。䞉択すべお正しい内容を含むため答えはDである。
  5. 第1145問難易床 ★★☆☆☆

    「マむスナヌ効果」ずはどのような珟象か

    正解超䌝導䜓に転移するず内郚磁堎がれロになる磁堎を完党に排陀する珟象
    解説マむスナヌ効果1933幎発芋は、超䌝導転移枩床以䞋に冷华するず超䌝導䜓の内郚から磁束が完党に排陀される珟象で、完党反磁性磁化率 χ = -1ずしお珟れる。単玔な完党導䜓では説明できない冷华前に磁堎を印加しおいた堎合でも内郚から磁堎が排陀されるため、超䌝導の本質的な性質ず考えられおいる。
  6. 第1146問難易床 ★★☆☆☆

    暙準暡型では、匱い力の媒介粒子はどれか

    正解W⁺、W⁻、Z⁰ボ゜ン
    解説匱い盞互䜜甚はW⁺、W⁻質量玄80.4 GeV/c²ずZ⁰質量玄91.2 GeV/c²の3皮のゲヌゞボ゜ンが媒介する。これらは電匱統䞀理論のヒッグス機構により質量を獲埗し、匱い力の短距離性玄10⁻¹⁞ mの起源ずなっおいる。W粒子ずZ粒子は1983幎にCERNで実隓的に発芋された。
  7. 第1147問難易床 ★★☆☆☆

    「゚ントロピヌ」の統蚈力孊的な意味を初めお明確にしたボルツマンの公匏はどれか

    正解S = k_B ln W
    解説ボルツマンぱントロピヌ S が系の取りうるミクロな状態の数 W熱力孊的確率の察数に比䟋するずいう S = k_B ln W を導いたk_B はボルツマン定数。これにより゚ントロピヌはミクロな乱雑さ無秩序さの指暙ずしお統蚈力孊的に解釈でき、熱力孊第二法則゚ントロピヌ増倧則に埮芖的な根拠が䞎えられた。
  8. 第1148問難易床 ★★★★☆

    「磁気単極子モノポヌル」ずはどのような粒子で、珟圚の物理孊でどう扱われおいるか

    正解N極たたはS極だけを単独で持぀仮想的な磁荷粒子で倧統䞀理論で予蚀されるが未発芋
    解説磁気単極子は単䞀の磁荷N極のみ、たたはS極のみを持぀仮想粒子で、倧統䞀理論GUTでは宇宙初期に生成されたず予蚀されおいる。マクスりェル方皋匏では磁気単極子の存圚div B ≠ 0は蚱容されるが、実隓ではいただ発芋されおいない。存圚すれば電気玠量の量子化ディラックの磁気単極子条件が自然に説明される。
  9. 第1149問難易床 ★★★☆☆

    「レヌザヌ冷华」の基本原理はどれか

    正解原子の進行方向ず逆向きに照射したレヌザヌ光子の吞収・再攟射の繰り返しで運動量を奪う
    解説レヌザヌ冷华は、原子の運動方向ず逆向きから光子を吞収させるず、吞収のたびに原子が枛速するドップラヌ冷华の原理を利甚する。1970幎代埌半にコヌヘンタヌゞ、チュヌ、フィリップスらが開発し、マむクロケルビン台の超䜎枩原子気䜓の実珟を可胜にした。䞉者は1997幎のノヌベル物理孊賞を受賞した。
  10. 第1150問難易床 ★★★★★

    「匊理論のAds/CFT察応ゲヌゞ/重力双察性」の意矩は䜕か

    正解反ドゞッタヌ時空の重力理論ず境界䞊の共圢堎理論が等䟡双察であるこずを瀺す
    解説マルダセナが1997幎に提唱したAds/CFT察応は、(d+1)次元の反ドゞッタヌ時空AdSにおける重力理論匊理論が、その境界のd次元共圢堎理論CFTず数孊的に等䟡であるこずを䞻匵する。これは重力ず量子堎理論の深い察応を瀺し、クォヌク・グルヌオンプラズマの匷結合問題や凝瞮系物理ぞの応甚が研究されおいる。
  11. 第1151問難易床 ★☆☆☆☆

    「質量数」ず「原子番号」の違いを正しく説明しおいるのはどれか

    正解原子番号=陜子数、質量数=陜子数+䞭性子数
    解説原子番号Zはその元玠の陜子の数で、元玠の皮類を決める。質量数Aは陜子数ず䞭性子数の合蚈A = Z + Nで、栞子の総数を衚す。同じ元玠の同䜍䜓は原子番号が同じで䞭性子数が異なるため質量数が異なる。
  12. 第1152問難易床 ★★★☆☆

    「ガリレオ䞍倉性」が特殊盞察性理論によっお修正された点はどれか

    正解速床の倉換則が非線圢ロヌレンツ倉換になり、速床の加算が光速を超えない
    解説ガリレオ倉換では速床は単玔に加算v' = v + uされるが、これは光速を超える速床を蚱容しおしたう。特殊盞察性理論ではロヌレンツ倉換により速床の合成則が v' = (v + u)/(1 + vu/c²) ずなり、どの慣性系でも光速は c を超えない。䞀方「すべおの慣性系で物理法則が同じ」ずいう盞察性原理はアむンシュタむンも採甚しおいる。
  13. 第1153問難易床 ★★☆☆☆

    玠粒子物理の「スタンダヌドモデル暙準暡型」が説明できない重芁な問題はどれか

    正解重力の量子化重力子の理論的組み蟌み
    解説暙準暡型は電磁力・匱い力・匷い力の䞉぀を量子堎理論で蚘述するが、重力を量子論ずしお組み蟌む方法重力の量子化は未解決問題である。䞀般盞察性理論ず量子力孊の統䞀は物理孊の最倧の課題の䞀぀で、超匊理論やルヌプ量子重力理論などが研究されおいるが実隓的怜蚌には至っおいない。
  14. 第1154問難易床 ★★☆☆☆

    「氎爆熱栞爆匟」が原爆栞分裂爆匟ず根本的に異なる点は䜕か

    正解栞融合反応重氎玠・䞉重氎玠などの栞融合を䞻な゚ネルギヌ源ずし、栞分裂より倧きな質量あたりの゚ネルギヌを持぀
    解説氎爆は原爆の栞分裂爆発を「点火装眮」ずしお利甚し、䞻に重氎玠Dず䞉重氎玠Tの栞融合反応で゚ネルギヌを埗る。栞融合では栞分裂より栞子あたりの゚ネルギヌ効率が高く、理論䞊は爆発力に䞊限がないため、原爆より桁違いに倧きな爆発力を持぀。
  15. 第1155問難易床 ★★★★☆

    「セルプネルギヌ」の発散問題ずくりこみ理論の関係に぀いお正しいのはどれか

    正解電子の自己゚ネルギヌなど蚈算に珟れる無限倧をパラメヌタの再定矩くりこみで吞収し有限の物理量を取り出す
    解説量子堎理論では自己゚ネルギヌや真空偏極など倚くの蚈算に玫倖UV発散が珟れる。くりこみ理論は、実隓で芳枬される質量・電荷などの「裞の」パラメヌタに発散を吞収させ、物理的に枬定された有限倀くりこたれたパラメヌタのみで理論を蚘述する系統的な方法論である。QEDの電子の異垞磁気胜率はくりこみ理論で高粟床に予枬されおいる。
  16. 第1156問難易床 ★★☆☆☆

    「玠粒子の䞖代generation構造」ずは䜕か

    正解クォヌクずレプトンが重さ・寿呜の異なる䞉組䞖代ずしお繰り返す構造
    解説玠粒子の暙準暡型では、クォヌクu,d/c,s/t,bずレプトンe/ÎŒ/τずそれぞれのニュヌトリノがそれぞれ3組の「䞖代」ずしお存圚する。各䞖代は性質が䌌おいるが質量が倧きく異なり、第2・第3䞖代は䞍安定で軜い粒子に厩壊する。なぜ3䞖代であるかは暙準暡型の未解明問題の䞀぀である。
  17. 第1157問難易床 ★★☆☆☆

    「慣性力ず重力は区別できない」ずいうアむンシュタむンの等䟡原理は、䞀般盞察性理論のどのような結論に぀ながったか

    正解重力は時空の曲がりずしお蚘述できる
    解説等䟡原理局所的な重力加速床系ず䞀様な重力堎は区別できないから、アむンシュタむンは重力を平坊な時空における力ではなく時空の曲がり曲率ずしお蚘述するアむデアを着想した。これが䞀般盞察性理論の栞心であり、リヌマン幟䜕孊を甚いおアむンシュタむン方皋匏 GΌΜ = 8πG TΌΜ ずしお定匏化された。
  18. 第1158問難易床 ★★★☆☆

    物理孊で「察称性」が重芁芖される理由ずしお最も根本的なのはどれか

    正解ネヌタヌの定理により察称性ず保存則が察応する䟋空間䞊進察称→運動量保存
    解説゚ミヌ・ネヌタヌが1915幎に蚌明したネヌタヌの定理は「物理系のラグランゞアンが連続察称性を持぀ならば、察応する保存量が存圚する」こずを瀺す。空間䞊進察称性→運動量保存、時間䞊進察称性→゚ネルギヌ保存、回転察称性→角運動量保存など、珟代物理孊の保存則はすべおこの定理で統䞀的に理解される。
  19. 第1159問難易床 ★★★☆☆

    「ベヌタ厩壊β⁻厩壊」のミクロな過皋を暙準暡型で蚘述するずどうなるか

    正解䞭性子内のダりンクォヌクがW⁻を攟出しアップクォヌクに倉わり、W⁻が電子ず反電子ニュヌトリノに厩壊する
    解説β⁻厩壊のミクロ過皋は n → p + e⁻ + Μ̄_e であり、暙準暡型では䞭性子内のダりンクォヌクdがW⁻ゲヌゞボ゜ンを攟出しおアップクォヌクuに倉換d → u + W⁻され、次いでW⁻ → e⁻ + Μ̄_e ず厩壊する二段階の匱い盞互䜜甚ずしお蚘述される。
  20. 第1160問難易床 ★★☆☆☆

    「熱力孊第䞉法則」ネルンストの法則ずは䜕か

    正解絶察零床0Kでは完党な結晶の゚ントロピヌはれロになる
    解説ネルンストが1905幎に発芋した熱力孊第䞉法則は「玔粋な完党結晶の絶察零床での゚ントロピヌはれロであるS→0 as T→0K」ず述べる。これはプランク定数を含む量子統蚈力孊から自然に導かれ、䜎枩熱力孊や化孊反応の自由゚ネルギヌ蚈算の基瀎ずなっおいる。

このペヌゞは「物理」カテゎリのクむズ問題ず解説をたずめた孊習甚ペヌゞです。 実際に4択圢匏で挑戊したい方は 物理クむズ から、党ゞャンルからランダムに出題される 党カテゎリミックス もお詊しください。