【物理共通テスト対策】2019年センター試験本試験第2問A(電磁気学)*

「ただよび」理系チャンネル

2 Jul 202215:43

Summary

TLDR今日の物理授業では、2019年のセンター試験の電磁気問題を扱いました。ダイオードの動作と半導体abの電気特性について説明し、ダイオードが正方向に流れる電流と逆方向に流れる電流の違いを解説しました。また、直流と交流電源の差異や抵抗の並列接続による電流の変化についても触れ、ダイオードの特性を理解するためのグラフの選択を行いました。授業の締めくくりでは、復習の重要性を強調し、学生に理解を深めるよう促しました。

Takeaways

😀 授業のテーマは2019年のセンター試験の電磁気問題である。
🎓 ダイオードが登場し、半導体ABの結合面での電流の動きについて説明されている。
🔋 半導体ABの結合面では、電荷の移動とキャリア（電子やホール穴）の役割が強調されている。
💡 ダイオードの両端に電圧をかけることで、半導体AB内の電流の方向が決まる。
⚡ ダイオードが正方向に電圧をかけられた場合、電子とホール穴が集まらず、電流が流れにくい状態になる。
🔌 直流電源と交流電源の使い方の違いが説明されており、ダイオードの動作に影響を与える。
📈 抵抗値が同じである場合のダイオードと抵抗の並列接続による電流の時間変化が議論されている。
📊 グラフとして適切な電流の時間変化を選ぶことが求められている。
👨‍🏫 授業の最後には、ダイオードの動作と電流の流れを理解し、復習を忘れずにとアドバイスがされている。

Q & A

センター試験の2019年の電磁気の問題とはどのような内容ですか？
-センター試験の2019年の電磁気の問題は、ダイオードを使った電気回路に関する問題で、半導体ABの結合面での電流の流れやダイオードの特性について説明されています。
ダイオードの両端に電圧をかける場合、半導体AB内の電流はどのように変化しますか？
-ダイオードの両端に電圧をかけると、結合面付近でキャリアが集まって電流が流れます。ダイオードの方向に電圧がかかると、電流が流れやすくなり、逆方向になると電流が流れにくくなります。
半導体ABの結合面でどのような現象が起こりますか？
-半導体ABの結合面では、正の電荷と負の電荷が集まり、pn結合を形成します。このpn結合は電流を制御するメカニズムとして機能し、ダイオードの特性を決定します。
ダイオードが機能するのはどのような状況ですか？
-ダイオードは順方向に電圧がかかっている場合に機能し、電流を通じることができます。逆方向に電圧がかかると、電流は流れにくくなります。
pn結合における「空乏層」とは何を指しますか？
-空乏層とは、pn結合においてキャリアが缺乏している領域を指し、電流がほとんど流れにくくなります。これはダイオードの非機能状態を形成します。
ダイオードを使った電気回路で直流電源と交流電源を使い分ける理由は何ですか？
-直流電源はダイオードの特性を利用して特定の方向の電流のみを許可し、一方で交流電源は周期的に電圧の方向を変えるため、ダイオードがその方向に応じて電流を制御します。
ダイオードを使った電気回路に抵抗を並列に接続した場合、どのような影響が考えられますか？
-抵抗を並列に接続すると、ダイオードが機能しない場合でも電流が抵抗を通過して流れることになります。これはダイオードの制御機能をバイパスする効果があります。
電気回路の問題でグラフを選ばなければならない場合、どのような点を注意深く観察する必要がありますか？
-グラフを選ぶ際には、ダイオードの方向、電流の流れ方、電源の電圧の向き、抵抗の接続方法などを注意深く観察し、それらが問題文と一致しているかどうかを確認する必要があります。
電気回路の問題を解決する際に、なぜ定量的な考察が重要なのですか？
-定量的な考察は、電流や電圧などの具体的な値を预测し、理論と実験結果を比較するのに不可欠です。これにより、電気回路の動作を正確に理解し、問題を解決することができます。
授業の最後で復習を促す理由は何ですか？
-人間は時間とともに学んだことを忘れがちです。定期的に復習をすることで、知識を定着させ、長期的な記憶に移行させることができます。

Outlines

00:00

🧑‍🏫 物理授業の導入とダイオードの説明

本日の物理授業では、2019年のセンター試験の電磁気問題に焦点を当てた。先生はダイオードや半導体について説明し、図1の8番の問題を通じて、半導体abの接合面での電流の担い手であるキャリア（電子やホール穴）の動きを説明する。ダイオードが正しい方向に電圧がかかると、半導体から電流が流れ、直流電源を逆向きにしてしまうことについても触れている。

05:02

🔌 ダイオードの電気的性質と空乏層

ダイオードの電気的性質について詳しく説明し、空乏層（デpletion layer）が形成されると電流がほとんど流れないことを強調する。また、正解の図を通じて、接合面でのプラスとマイナスのキャリアが集まって電流が流れることを説明する。問題文の直流電源の電圧を逆転させた場合の電流の流れについても議論している。

10:04

🔄 スイッチと抵抗の変更による電流の変化

スイッチを操作して直流電源から交流電源に変更し、同じ抵抗値の抵抗を並列に追加した状況について説明する。図2と図3を通じて、a対bの電圧が変化する場合の電流の時間変化を考察し、適切なグラフを選択することが問題の焦点である。ダイオードの方向に電流が流れる方向と、抵抗値の無視できる電圧降下についても触れている。

15:07

📊 電流の時間変化グラフの選択と授業の締めくくり

最後に、適切な電流の時間変化グラフを選択することが求められる。ダイオードと抵抗が直列につながっている場合とバイパスが存在する場合の電流の流れを比較し、正しいグラフを選ぶことが重要である。授業の締めくくりとして、復習の重要性と授業の内容を振り返り、学生に理解を深めるよう促す。

Mindmap

Keywords

💡ダイオード

ダイオードとは半導体を用いた電子部品で、電流を一方的方向のみ通過させることができます。ビデオでは、ダイオードが電流の流れを制御する役割を果たし、特定の方向にのみ電流を通過させる性質を説明しています。例えば、「ダイオードの両端での電圧によって、それぞれの半導体内の電流の担いでキャリアというやつですが」とあるように、ダイオードは電流の流れを制御する重要な要素です。

💡半導体

半導体は電阻が変動する材料で、電子部品の基礎をなすものです。ビデオでは、「二つの異なる半導体 ab」と述べており、半導体がダイオードの構成要素であり、電気的性質を決定する役割を果たしていることが示されています。半導体は電気デバイスの基本的な構成要素であり、ビデオのテーマに密接に関連しています。

💡電流

電流とは電荷が移動する現象であり、物理学において重要な概念です。ビデオでは、「それぞれの半導体 ab 内の電流の担いでキャリア」と説明されており、電流がダイオードを通過する様子や、その流れがどのように制御されるかがテーマとなっています。また、「電流が流れることになるじゃないですか」と触れられており、電流の流れはダイオードの動作原理を理解する上で核心的な要素です。

💡キャリア

キャリアとは、半導体において自由に移動できる電荷キャリアを指します。通常は電子ですが、ホールキャリア（正の電荷を持つキャリア）も存在します。ビデオでは、「キャリアというやつですがこれは雪も a と b の接合面に移動して」と説明されており、キャリアが電流の担い手であり、ダイオードの動作に寄与する重要な役割を果たしていることが理解できます。

💡電圧

電圧とは電気的な力であり、電流を生み出す原因となります。ビデオでは、「直流電源を逆向きにしちゃいます」と触れられており、電圧がダイオードの動作に重要な影響を与えることが示されています。また、「a に対する b の電圧がかかります」と説明されているように、電圧はダイオードを通過する電流の方向や強さを決定する重要な要素です。

💡空乏層

空乏層とは、p型半導体とn型半導体の接合部で生成される電荷の少ない領域です。ビデオでは、「空乏層ができているときは田中はほとんど流れはしないわけですよね」と説明されています。空乏層はダイオードの特性を決定し、電流の流れを制御する重要な役割を果たします。

💡電子

電子は原子の外殻に存在する負の電荷を持つ粒子です。ビデオでは、「負電荷の担い手と言えばそれは何だかんだと言って、電子じゃないですか」と触れられており、電子が半導体における電気的传导を担う主要なキャリアであることが示されています。また、電子の移動はダイオードの動作原理に密接に関連しています。

💡ホールキャリア

ホールキャリアとは、p型半導体において電子の欠陥（穴）が正の電荷を持ち、電気的传导に寄与する現象を指します。ビデオでは、「正の電荷の担い手です、けれどもこれもねー、まぁこんなを招くようなことかもしれない、アン連しちゃ電子なんですよ、ただし、電子が不足してますね」と説明されています。ホールキャリアは半導体における電気的传导を理解する上で重要な概念です。

💡電荷

電荷とは物体が持つ電気的な性質で、正または負の電荷を持ちます。ビデオでは、「マイナスとつながれた方っていうのはまた、あ、そうですよ、ちゃんと、この電源の負極とは逆の方向に動くじゃないですか」と触れられており、電荷は電流の流れやダイオードの動作に直接的な影響を与えます。

💡抵抗

抵抗とは電流を妨げる物体の性質を指し、電気回路の基本的な構成要素です。ビデオでは、「同じ抵抗値の抵抗を図のようなん、図2のようにねなんか抵抗がプラスされて、並列につき加えたと思う」と説明されています。抵抗は電流の強さや電圧の分配に影響を与えるため、ダイオードを含む電気回路の動作を理解する上で重要な要素です。

Highlights

本日の物理の授業を始め、センター試験の2019年の電磁気の問題を扱う。

ダイオードの両端での電圧によって半導体内の電流の担い手が変化する。

半導体abの接合面でキャリアが移動し、電流が流れることについて説明。

直流電源を逆向きにすると電流が流れなくなる理由。

半導体abの電流の担い手と正負電荷の関係を解説。

ダイオードの特性と電流の向きについての基本的な説明。

半導体内の正電荷の担い手であるホール穴の説明。

ダイオードの順方向と逆方向の電流の流れ方針を比較。

空乏層の形成と電流の流れに与える影響。

直流電源と交流電源を用いた電流の時間変化の説明。

抵抗値の並列接続と電流の分配についての解説。

ダイオードと抵抗の接続方法が電流の流れ方に与える影響。

定常電流の問題とダイオードの特性を考慮した解説。

電流の時間変化グラフを選ぶ際の注意点。

ダイオードの順方向と逆方向の電圧降下を無視できる場合の説明。

電流の流れ方針とダイオードの特性を定量的に考慮する重要性。

最終的な電流の流れ方針とダイオードの特性を結びつける。

授業の締めくくりと復習の重要性の強調。