共通テスト物理2021年度／第3問B （原子のエネルギーと運動量）解説
共通テスト物理2021年度／第3問A（全反射と屈折の法則）解説の続き
２０２１年度共通テスト 物理 第３問B
問４ 電子の運動エネルギー
図６は蛍光灯の原理を考えるための簡単な模式図である。ガラス管内のフィラメントを加熱して熱電子（電子を放出させ）、電圧Vで加速させる。
問４ 電子が電圧Vによって加速され、館内で水銀原子と一度も衝突せずにプレートに到達したとき、電子が得る運動エネルギーを表す式として正しいものを、次の①〜⑥のうちから一つ選べ。ただし電気素量をｅとする。
引用元: ２０２１年度共通テスト物理 第３問 問４
一度も衝突せずにプレートに到達したとあるので、運動エネルギーはフィラメントから放出されたときのままなので、ｅV
よって問４の答は②
問５、問６ 運動量保存の法則、運動エネルギー
加速された電子が水銀原子に衝突した場合には、図７のような二つの過程（a）（ｂ）が考えられる。図に示したように、水銀原子が動いた向きをy軸の負の向きとし、衝突はｘｙ平面内で起こったものとする。
過程（ａ） 運動エネルギーE0の電子と状態Aで静止している水銀原子が衝突し、電子の運動エネルギーはEとなる。水銀原子は状態Aのまま、運動エネルギーE水銀をもって運動する。
過程（ｂ） 運動エネルギーE0の電子と状態Aで静止している水銀原子が衝突し、電子の運動エネルギーはE ‘となる。水銀原子は状態Aよりエネルギーが高い状態Bに変化して、運動エネルギーE ‘水銀をもって運動する。
状態Bの水銀原子は、やがてエネルギーの低い状態Aに戻り、そのとき紫外線を放出する。その後、この紫外線が蛍光灯館内の蛍光物質にあたって、可視光線が生じる。
問５ それぞれの過程における衝突の前後で、電子と水銀原子の運動量の和はどうなるか。最も適当なものを、次の①〜⑥のうちから一つ選べ。
問６ それぞれの過程における衝突後、電子と水銀原子の運動エネルギーの和はどうなるか。最も適当なものを、次の①〜⑨のうちから一つ選べ。
引用元: ２０２１年度共通テスト物理 第３問 問５、問６
過程（a）、（ｂ）どちらの場合とも、衝突時に外力が働いていないので、運動量保存の法則は成り立つ。
よって問５の答は①
また過程（ａ）では衝突前の運動エネルギーが、衝突により電子と水銀の運動エネルギーに変わるだけなので、運動エネルギーの和は保存されるが、過程（ｂ）では水銀原子にもエネルギーが蓄えられるので、その分運動エネルギーは減る。
よって問６の答は⑥
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