物理 > 動く解説 > 物理 第4編 電気と磁気|第3章 電流と磁場

京都大:円と運動量

❓ 1. 疑問と結論

上から見た,なめらかな床。磁場は画面の表から裏へ向かう。電荷をもつ小球 C が円を回っている。 円のいちばん下で,電荷をもたない小球 A が正面からぶつかってくっつく。質量は増え,速さも変わる。くっついたあとは,どんな大きさの円を回るのだろうか。

🎯 結論:半径は運動量で決まる

\[ r = \dfrac{mv}{QB} = \dfrac{\text{運動量}}{QB} \]

だから,くっついたあとの円の大きさは,くっつく前の運動量の和で決まる。

📚 2. 解説

① 半径の式を導く → ② ぶつかる一瞬は運動量の和が変わらない → ③ 3 つの場合をくらべる,の順に見る。

① 半径の式は,ローレンツ力と向心力から

  1. 動く電荷は,動く向きに垂直な力を受ける

    磁場の中を速さ \(v\) で動く電荷 \(Q\) は,動く向きに垂直な力 \(QvB\)(ローレンツ力)を受ける。

  2. 力がいつも中心を向くので,円を回る

    力が動く向きに垂直なので,速さは変わらず,向きだけが変わり続ける。

  3. 向心力と等しい

    円を回るには中心向きに \(m\dfrac{v^2}{r}\) の力が要る。\(m\dfrac{v^2}{r} = QvB\) より \(r = \dfrac{mv}{QB}\)。 \(mv\) は運動量なので,半径 = 運動量 ÷ \(QB\)。

② ぶつかる一瞬は,運動量の和が変わらない

③ 3 つの場合をくらべる

  1. 止まっている A

    A の運動量は 0。和は C の運動量のまま → 半径は同じ(質量が増えて遅くなり,ゆっくり回る)。

  2. 向かってくる A(運動量は C の半分)

    向きが逆なので引き算。和は C の半分 → 半径も半分。

  3. 向かってくる A(運動量は C より大きい)

    和は左向き。左へ進むとローレンツ力の向きが逆になり,ぶつかった点の反対側に円ができる。回る向きは同じ。

🔑 まとめ

🔍 3. もっと詳しく

⏱ 1 周の時間は,速さによらず質量で決まる

1 周の時間は \(T = \dfrac{2\pi r}{v} = \dfrac{2\pi m}{QB}\)。速さによらない。くっつくと質量が \(m\) から \(m + M\) に増えるので, どの場合でも 1 周の時間は \(\dfrac{m + M}{m}\) 倍に長くなる(止まっている A にくっつくと,同じ円をゆっくり回るのはこのため)。

⚡ A も電荷をもっていたら

くっついたものの電荷は 2 つの和になる。半径は \(\dfrac{\text{運動量の和の大きさ}}{(\text{電荷の和})\,B}\) で決まるので,電荷の和でも割る。 運動量で決まるという見方はそのまま使える。