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阪大 基礎工学研究科 システム創成専攻 電子光科学I 2023年度 院試 過去問 解答例・解説(解説7項目)

解説7項目の分野は電磁気学・回路2項目、情報1項目、複素解析1項目です。解説は1問、途中式と最終答は大問1問ぶんを公開しています。PDFの収録範囲は商品ページで確認できます。問題本文は含みません。

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第1問 — 微積分:指数関数と三角関数の積の不定積分と広義積分

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第2問 — 複素解析:有理関数のフーリエ型積分を留数定理で求める

複素解析:有理関数のフーリエ型積分を留数定理で求めるの途中式・最終答をPDFで見る

第3問 — 情報理論:パリティ検査行列で定まる(8,4)線形符号の符号化と復号

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第4問 — 量子力学:無限井戸型ポテンシャル中の粒子と2準位への結合

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第5問 — 電磁気学:誘電体を挟む同心導体球と球殻の電荷・静電容量・静電エネルギー

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第6問 — 電磁気学:直線電流・円電流・回転する帯電球がつくる静磁場と磁気双極子モーメント

(1) 無限に長い直線電流の磁束密度

アンペールの法則は、定常電流について、閉曲線に沿う B\bm B の線積分が、その曲線を貫く電流の μ0\mu_0 倍に等しいことを表す。電流が時間によらないことが成立条件である。この法則だけでは B\bm B の向きが決まらないので、対称性で成分を絞る。BrB_r は、zz 軸まわりの円筒面にガウスの法則 ∇⋅B=0\nabla\cdot\bm B=0 を使うと、2つの底面の寄与が打ち消し合い、側面だけが残って 2πrh Br=02\pi rh\,B_r=0 となるから 00 である。BzB_z は、rzrz 面内の長方形の経路に使うと、経路が電流を囲まないので Bz(r1)=Bz(r2)B_z(r_1)=B_z(r_2) が出る。遠方で 00 になるため Bz≡0B_z\equiv0 である。

別の導き方として、ビオ・サバールの法則を使い、点 (r,0,0)(r,0,0) で μ0I4π∫−∞∞r dz′(r2+z′2)3/2=μ0I4π⋅2r\dfrac{\mu_0I}{4\pi}\displaystyle\int_{-\infty}^{\infty}\dfrac{r\,dz'}{(r^2+z'^2)^{3/2}}=\dfrac{\mu_0I}{4\pi}\cdot\dfrac2r を計算しても、同じ結果になる。

次元は μ0I/r\mu_0I/r で T である。数値例は I=1I=1 A、r=2r=2 cm で 10.0 μ10.0\ \muT である。誤りは、係数を取り違えるもので、円電流の中心の式 μ0I/(2r)\mu_0I/(2r) を使うと 31.4 μ31.4\ \muT、μ0I/(4πr)\mu_0I/(4\pi r) とすると 5.0 μ5.0\ \muT になる。磁束密度の向きを動径方向 r^\hat{\bm r} と書く誤りもある。電流を囲む向きの ϕ^\hat{\bm\phi} である。

(2) a) 円電流の zz 軸上の磁束密度

軸上では、円周上のどの素片も P から同じ距離 RR にあり、dl⊥Rd\bm l\perp\bm R で寄与の大きさが等しい。軸に垂直な成分は、向かい合う素片で打ち消す。軸方向の成分は、素片の寄与の a/Ra/R 倍だけ残る。分子の a2a^2 は周長 2πa2\pi a の aa と残る割合 a/Ra/R の aa に由来し、分母の (a2+z2)3/2=R3(a^2+z^2)^{3/2}=R^3 はビオ・サバールの R−2R^{-2} と割合の R−1R^{-1} の積に由来する。

極限で確かめる。z=0z=0 では円の中心の値 μ0I/(2a)\mu_0I/(2a) になる。∣z∣≫a|z|\gg a では Bz→μ0Ia22∣z∣3B_z\to\dfrac{\mu_0Ia^2}{2|z|^3} となり、(2)b) の磁気モーメント m=πa2Im=\pi a^2I をもつ磁気双極子の軸上の磁場 μ0m2π∣z∣3\dfrac{\mu_0m}{2\pi|z|^3} と一致する。数値例は a=5a=5 cm、I=1I=1 A で、Bz(0)=12.57 μB_z(0)=12.57\ \muT である。z=15z=15 cm では 0.397 μ0.397\ \muT で、双極子近似の 0.465 μ0.465\ \muT は 17%17\% 大きい。z=3az=3a ではまだ ∣z∣≫a|z|\gg a とは言いにくい。誤りは、分母の指数を 1/21/2 にするもの、分子の a2a^2 を aa にして次元が T でなくなるもの、電流の向きに対する右ねじの向きを逆にして −z-z と答えるものである。

(2) b) 円電流の磁気双極子モーメント

定義式 m=12∫r′×J dV\bm m=\dfrac12\int\bm r'\times\bm J\,dV は、一般の定常電流分布に使える。細い線電流では J dV→I dl\bm J\,dV\to I\,d\bm l となる。素片 dld\bm l と原点を結ぶ三角形の面積は 12∣r′×dl∣\tfrac12|\bm r'\times d\bm l| なので、平面内の閉じたループでは、12∮r′×dl\tfrac12\oint\bm r'\times d\bm l がループの面積ベクトルになり、m=IS\bm m=I\bm S に帰着する。m\bm m は、一様な磁束密度 B\bm B の中でループが受ける力のモーメント m×B\bm m\times\bm B と、エネルギー −m⋅B-\bm m\cdot\bm B を決める量でもある。単位は A⋅\cdotm2^2 で、a=5a=5 cm、I=1I=1 A なら 7.85×10−37.85\times10^{-3} A⋅\cdotm2^2 である。

(2)a) の軸上遠方の式から mm が読み取れ、μ0m/(2π∣z∣3)=μ0Ia2/(2∣z∣3)\mu_0m/(2\pi|z|^3)=\mu_0Ia^2/(2|z|^3) より m=πa2Im=\pi a^2I と一致する。誤りは、面積 πa2\pi a^2 の代わりに周長 2πa2\pi a を掛けるもの(A⋅\cdotm の単位になり、次元が合わない)、II を掛け忘れるものである。

(3) a) 回転する一様帯電球の中心の磁束密度

別の導き方は、球を zz 軸に垂直なリング電流に分けて (2)a) の結果を使う方法である。位置 (r′,θ)(r',\theta) の、断面積 r′ dr′ dθr'\,dr'\,d\theta のリングは、半径 R=r′sin⁡θR=r'\sin\theta、電流 dI=ρωR r′ dr′ dθdI=\rho\omega R\,r'\,dr'\,d\theta で、中心 (z=−r′cos⁡θ)(z=-r'\cos\theta) での寄与は dBz=μ0 dI R22r′3dB_z=\dfrac{\mu_0\,dI\,R^2}{2r'^3} である。これを積分しても μ0ρωa23\dfrac{\mu_0\rho\omega a^2}3 になる。さらに、半径 r′r' の薄い球殻(面電荷密度 σ\sigma)が中心につくる磁束密度は 23μ0σωr′\dfrac23\mu_0\sigma\omega r' で、σ=ρ dr′\sigma=\rho\,dr' として 00 から aa まで足しても同じである。

球殻だけなら B=μ0Qω6πaB=\dfrac{\mu_0Q\omega}{6\pi a} で、一様な球は内部の電荷も回転に寄与するため、同じ QQ なら 32\dfrac32 倍になる。数値例は Q=1 μQ=1\ \muC、ω=100\omega=100 rad/s、a=5a=5 cm で B=2.0×10−10B=2.0\times10^{-10} T である。数値による体積積分も同じ値になった。次元は μ0Qω/a\mu_0Q\omega/a で、QωQ\omega が電流の次元をもつため、円電流の中心の式 μ0I/(2a)\mu_0I/(2a) と同じ T になる。

誤りは、円電流の式に I=QωI=Q\omega を当てはめるものである。回転の周期は 2π/ω2\pi/\omega で、等価電流は Qω/(2π)Q\omega/(2\pi) なので、μ0Qω/(2a)=1.26×10−9\mu_0Q\omega/(2a)=1.26\times10^{-9} T と 2π2\pi 倍大きくなる。球殻の係数 1/(6π)1/(6\pi) をそのまま使うと 1.33×10−101.33\times10^{-10} T で、正しい値の 2/32/3 倍である。

(3) b) 回転する一様帯電球の磁気双極子モーメント

リング電流に分ける方法でも求められる。(3)a) と同じリング(半径 R=r′sin⁡θR=r'\sin\theta、電流 dI=ρωR r′ dr′ dθdI=\rho\omega R\,r'\,dr'\,d\theta)の磁気モーメントは dm=πR2 dIdm=\pi R^2\,dI で、m=πρω∫0ar′4dr′∫0πsin⁡3θ dθ=πρω⋅a55⋅43=4π15ρωa5m=\pi\rho\omega\int_0^ar'^4dr'\int_0^\pi\sin^3\theta\,d\theta=\pi\rho\omega\cdot\dfrac{a^5}5\cdot\dfrac43=\dfrac{4\pi}{15}\rho\omega a^5 となり、上の積分と一致する。

質量分布も同じ一様な球なら、角運動量 L=25Ma2ωL=\tfrac25Ma^2\omega(均一な球の慣性モーメント 25Ma2\tfrac25Ma^2)と m=Q2ML\bm m=\dfrac Q{2M}\bm L の関係から、m=Q2M⋅25Ma2ω=Qωa25m=\dfrac Q{2M}\cdot\dfrac25Ma^2\omega=\dfrac{Q\omega a^2}5 と求められ、積分の結果と一致する。球殻なら慣性モーメントが 23Ma2\tfrac23Ma^2 で、m=Qωa2/3m=Q\omega a^2/3 になる。

(3)a) の中心の磁束密度とは B=5μ0m4πa3B=\dfrac{5\mu_0m}{4\pi a^3} の関係がある。数値例は m=5.0×10−8m=5.0\times10^{-8} A⋅\cdotm2^2 である。誤りは、球殻の値 Qωa2/3Q\omega a^2/3 を使うもの(8.3×10−88.3\times10^{-8} A⋅\cdotm2^2、5/35/3 倍)、Qωa2/2Q\omega a^2/2 とするもの(円環に電荷が集まった場合の値で、1.25×10−71.25\times10^{-7} A⋅\cdotm2^2)である。

解答

(1) 無限に長い直線電流の磁束密度

zz 軸まわりの回転対称性と zz 方向の並進対称性から、磁束密度は rr だけの関数である。半径 rr の zz 軸を中心とする円周 CC(zz 軸に垂直な面内)にアンペールの法則 ∮CB⋅dl=μ0I\oint_C\bm B\cdot d\bm l=\mu_0I を使う。円周上で B\bm B が円周の接線方向(ϕ\phi 方向)で一定の大きさ BϕB_\phi をもつので、2πr Bϕ=μ0I2\pi r\,B_\phi=\mu_0I となる。

(2) a) 円電流の zz 軸上の磁束密度

電流は zz 軸の正の向きから見て反時計回りである。点 P=(0,0,z)\mathrm P=(0,0,z) と、円周上の素片 r′=a(cos⁡φ,sin⁡φ,0)\bm r'=a(\cos\varphi,\sin\varphi,0) を考える。素片は dl=a(−sin⁡φ,cos⁡φ,0) dφd\bm l=a(-\sin\varphi,\cos\varphi,0)\,d\varphi で、素片から P へ向かうベクトルは R=(−acos⁡φ,−asin⁡φ,z)\bm R=(-a\cos\varphi,-a\sin\varphi,z) である。ビオ・サバールの法則 dB=μ0I4πdl×RR3,R=a2+z2 d\bm B=\frac{\mu_0I}{4\pi}\frac{d\bm l\times\bm R}{R^3},\qquad R=\sqrt{a^2+z^2} で、外積は dl×R=a dφ (zcos⁡φ, zsin⁡φ, a)d\bm l\times\bm R=a\,d\varphi\,\bigl(z\cos\varphi,\ z\sin\varphi,\ a\bigr) となる。x,yx,y 成分は φ\varphi について 00 から 2π2\pi まで積分すると 00 になる。zz 成分は φ\varphi によらず、 Bz=μ0I4π⋅a2(a2+z2)3/2⋅2π=μ0Ia22(a2+z2)3/2 B_z=\frac{\mu_0I}{4\pi}\cdot\frac{a^2}{(a^2+z^2)^{3/2}}\cdot2\pi=\frac{\mu_0Ia^2}{2(a^2+z^2)^{3/2}} である。向きは +z+z である。

(2) b) 円電流の磁気双極子モーメント

磁気双極子モーメントは m=12∮r′×I dl\bm m=\dfrac12\oint\bm r'\times I\,d\bm l で定義される。素片の r′×dl=a2dφ z^\bm r'\times d\bm l=a^2d\varphi\,\hat{\bm z} なので、m=I2⋅a2⋅2π z^=πa2I z^\bm m=\dfrac I2\cdot a^2\cdot2\pi\,\hat{\bm z}=\pi a^2I\,\hat{\bm z} である。平面電流なら m=IS\bm m=I\bm S(面積 S=πa2S=\pi a^2)に等しい。

(3) a) 回転する一様帯電球の中心の磁束密度

体積電荷密度は ρ=3Q4πa3\rho=\dfrac{3Q}{4\pi a^3} である。位置 r′\bm r' にある電荷は、速度 v=ωz^×r′\bm v=\omega\hat{\bm z}\times\bm r' で動く。これを体積電流 J=ρv\bm J=\rho\bm v とみて、中心でのビオ・サバールの法則 B=μ04π∫J×(0−r′)r′3 dV\bm B=\dfrac{\mu_0}{4\pi}\displaystyle\int\dfrac{\bm J\times(\bm 0-\bm r')}{r'^3}\,dV を使う。外積は v×(−r′)=r′×v\bm v\times(-\bm r')=\bm r'\times\bm v で、その zz 成分は x′vy−y′vx=ω(x′2+y′2)=ωr′2sin⁡2θx'v_y-y'v_x=\omega(x'^2+y'^2)=\omega r'^2\sin^2\theta である。x,yx,y 成分は φ\varphi の積分で 00 になる。極座標 (r′,θ,φ)(r',\theta,\varphi) で Bz=μ0ρω4π∫02π ⁣dφ∫0π ⁣sin⁡3θ dθ∫0ar′ dr′=μ0ρω4π⋅2π⋅43⋅a22=μ0ρωa23 B_z=\frac{\mu_0\rho\omega}{4\pi}\int_0^{2\pi}\!d\varphi\int_0^\pi\!\sin^3\theta\,d\theta\int_0^ar'\,dr'=\frac{\mu_0\rho\omega}{4\pi}\cdot2\pi\cdot\frac43\cdot\frac{a^2}2=\frac{\mu_0\rho\omega a^2}3 で、ρ\rho を代入する。

(3) b) 回転する一様帯電球の磁気双極子モーメント

m=12∫r′×J dV\bm m=\dfrac12\displaystyle\int\bm r'\times\bm J\,dV に J=ρ ωz^×r′\bm J=\rho\,\omega\hat{\bm z}\times\bm r' を入れる。r′×v\bm r'\times\bm v の zz 成分は ω(x′2+y′2)=ωr′2sin⁡2θ\omega(x'^2+y'^2)=\omega r'^2\sin^2\theta なので、 mz=12ρω∫r′2sin⁡2θ dV=12ρω⋅2π∫0πsin⁡3θ dθ∫0ar′4dr′=12ρω⋅2π⋅43⋅a55=4π15ρωa5 m_z=\frac12\rho\omega\int r'^2\sin^2\theta\,dV=\frac12\rho\omega\cdot2\pi\int_0^\pi\sin^3\theta\,d\theta\int_0^ar'^4dr'=\frac12\rho\omega\cdot2\pi\cdot\frac43\cdot\frac{a^5}5=\frac{4\pi}{15}\rho\omega a^5 である。ρ=3Q/(4πa3)\rho=3Q/(4\pi a^3) を代入する。x,yx,y 成分は 00 である。

最終答

(1) 無限に長い直線電流の磁束密度

B=Bϕ ϕ^,Bϕ=μ0I2πr,Br=Bz=0\bm B=B_\phi\,\hat{\bm\phi},\quad B_\phi=\dfrac{\mu_0I}{2\pi r},\quad B_r=B_z=0(向きは電流の向きに右ねじを回す向き)

(2) a) 円電流の zz 軸上の磁束密度

Bz=μ0I a22 (a2+z2)3/2B_z=\dfrac{\mu_0I\,a^2}{2\,(a^2+z^2)^{3/2}}(向きは +z+z)。z=0z=0 で μ0I2a\dfrac{\mu_0I}{2a}

(2) b) 円電流の磁気双極子モーメント

∣m∣=πa2I|\bm m|=\pi a^2I、向きは +z+z(電流の向きに右ねじを回したときに進む向き)

(3) a) 回転する一様帯電球の中心の磁束密度

B=μ0Qω4πaB=\dfrac{\mu_0Q\omega}{4\pi a}、向きは +z+z(ω\omega と同じ向き)

(3) b) 回転する一様帯電球の磁気双極子モーメント

∣m∣=Qωa25|\bm m|=\dfrac{Q\omega a^2}5、向きは +z+z

第7問 — 電磁波:矩形導波管のTMモードの境界条件・分散関係・遮断周波数

電磁波:矩形導波管のTMモードの境界条件・分散関係・遮断周波数の途中式・最終答をPDFで見る

電子光科学Iの解答・解説PDF

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年度別の解答例(5年度)

  • 2026年度(解説7項目)

    線形代数:対称行列の直交対角化と行列指数関数 / 複素関数論:留数定理による実軸上の広義積分 / 情報理論:エントロピー、最適な瞬時符号、弱大数の法則

  • 2025年度(解説7項目)

    微分積分:楕円体面上での xyz の極値(ラグランジュの未定乗数法) / 複素解析:極座標のコーシー・リーマンの方程式と対数関数の周回積分 / 情報理論:3値入力・4値出力の通信路の相互情報量と通信路容量

  • 2024年度(解説6項目)

    解析:逆双曲線関数と逆三角関数の対数表示とマクローリン展開 / 複素解析:三角関数の周期積分と留数定理 / 情報理論:2元対称通信路と拡大ハミング符号の復号

  • 2023年度(このページ・解説7項目)

    微積分:指数関数と三角関数の積の不定積分と広義積分 / 複素解析:有理関数のフーリエ型積分を留数定理で求める / 情報理論:パリティ検査行列で定まる(8,4)線形符号の符号化と復号

  • 2022年度(解説7項目)

    線形代数:3次実対称行列の固有値・固有ベクトルと直交対角化 / 複素解析:コーシーの積分定理によるガウス積分とフレネル積分 / 微分方程式:1階線形方程式とベルヌーイ型方程式

2023年度の出題内容

解説7項目

この7問の分野は電磁気学・回路2問・情報1問・複素解析1問・量子力学1問です。

大問分野主題解説の小見出し最終答
第1問指数関数と三角関数の積の不定積分と広義積分—あり
第2問複素解析有理関数のフーリエ型積分を留数定理で求める—あり
第3問情報パリティ検査行列で定まる(8,4)線形符号の符号化と復号—あり
第4問量子力学無限井戸型ポテンシャル中の粒子と2準位への結合—あり
第5問電磁気学・回路誘電体を挟む同心導体球と球殻の電荷・静電容量・静電エネルギー—あり
第6問電磁気学・回路直線電流・円電流・回転する帯電球がつくる静磁場と磁気双極子モーメント—あり
第7問矩形導波管のTMモードの境界条件・分散関係・遮断周波数—あり

前年度(2022年度)との違い

大問数
2022年度 7問 → 2023年度 7問
2022年度の解答例

大阪大学の公式過去問

公開年度範囲
領域別。電子光・物性物理・化学・化学工学・数理科学は2022〜2026年度など
公式の解答例
解答例の掲載なし
英語の扱い
受験する年度・専攻の募集要項で確認してください。
院試hubの最終確認
2026-10-26
大阪大学の公式過去問PDF