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東京大学 院試 過去問 解答例

東大 工学系研究科 物理工学専攻 物理学 2026年度 院試 過去問 解答例・解説(全4問)

全4問。熱・統計力学1問・力学1問。テーマタグは8件(調和振動子・剛体の回転運動・分配関数)。

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解説4問と大問1問の途中式・最終答(全4問)
解答PDFに収録
途中式と最終答(最終答つき4問)
問題本文
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東大 物理学 2026年度 院試 過去問の出題内容(全4問)

この4問の分野は熱・統計力学1問・力学1問です。

大問分野主題解説の小見出し最終答
第1問力学剛体回転と磁気トルク途中式の意味あり
第2問—調和振動子と突然近似境界条件の見方あり
第3問熱・統計力学ゴム弾性の統計力学エントロピー弾性 / 断熱伸長の符号あり
第4問—異方性媒質と複屈折符号の確認 / P偏光の見通しあり

この年度の解説には検算4件・試験で書くべきポイント4件・典型ミス4件が付いています。

2026年度の出題テーマと、同じテーマを出した他大学・他年度

この年度は4問に8テーマが出ています。

前年度(2025年度)との違い

大問数
2025年度 4問 → 2026年度 4問
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第1問 — 剛体回転と磁気トルク

方針

前半は「張力が並進を妨げ、同時に回転を作る」という1自由度の剛体問題である。糸がすべらない条件 a=r2ω˙a=r_2\dot\omega を最後まで忘れないことが決定的である。後半は面素ごとのローレンツ力をトルクに直し、球面対称性で奇関数の面積分を消す問題である。

途中式の意味

ヨーヨー型剛体では、同じ張力 TT が並進方程式では上向きの力、回転方程式では回転を生むトルクとして現れる。ICω˙=Tr2I_C\dot\omega=Tr_2 と a=r2ω˙a=r_2\dot\omega から T=ICa/r22T=I_Ca/r_2^2 と書けるので、有効質量が M+IC/r22M+I_C/r_2^2 に増えた形になる。

検算

r2r_2 が大きいほど同じ張力で回転角加速度は小さく、落下加速度は gg に近づく。反対に r2→0r_2\to0 では非常に大きな回転を必要とするため a→0a\to0 となる。得られた a=2r22r12+2r22g a=\frac{2r_2^2}{r_1^2+2r_2^2}g はこの極限と一致する。

典型ミス

球殻の慣性モーメントで中身の詰まった球の公式 2MR2/52MR^2/5 を使うのは誤りである。ここでは薄い球殻なので 2MR2/32MR^2/3 を用いる。また、v\boldsymbol v を r×ω\boldsymbol r\times\boldsymbol\omega と書くとトルクの符号がすべて反転する。

試験で書くべきポイント

面積分では、消える項を「対称性によりゼロ」と一言で済ませず、少なくとも xz,yzxz,yz などの奇関数積分が消え、x2,y2,z2x^2,y^2,z^2 の積分が等しいことを明示すると答案の説得力が上がる。歳差の向きは、Ω\Omega の符号ではなく位相角 −Ωt-\Omega t の増減で判断すると符号ミスを避けやすい。

解答

1. ヨーヨー型剛体

内側の円盤は厚さを無視するので、慣性モーメントへの寄与はない。質量 MM は外側の2枚の円盤にあるとみなせるから、中心軸まわりの慣性モーメントは IC=12Mr12 I_C=\frac{1}{2}Mr_1^2 である。

鉛直下向きを正にとる。重心の加速度を aa、糸の張力を TT、角加速度の大きさを ω˙\dot\omega とすると、並進運動は Ma=Mg−T Ma=Mg-T であり、中心軸まわりの回転運動は ICω˙=Tr2 I_C\dot\omega=Tr_2 である。糸と内側円盤がすべらないので a=r2ω˙ a=r_2\dot\omega が成り立つ。したがって T=ICr22a T=\frac{I_C}{r_2^2}a を並進の式に代入して a=MgM+IC/r22=g1+r12/(2r22)=2r22r12+2r22g a=\frac{Mg}{M+I_C/r_2^2} =\frac{g}{1+r_1^2/(2r_2^2)} =\frac{2r_2^2}{r_1^2+2r_2^2}g を得る。

2. 帯電球殻の歳差運動

球殻上の位置ベクトルを r=(x,y,z)\boldsymbol r=(x,y,z) とする。剛体回転なので速度は v=ω×r \boldsymbol v=\boldsymbol\omega\times\boldsymbol r である。微小面積 dSdS にある電荷は σdS\sigma dS だから、ローレンツ力は dF=σdS (v×B)=σdS{(ω⋅B)r−(r⋅B)ω}. d\boldsymbol F=\sigma dS\,(\boldsymbol v\times\boldsymbol B) =\sigma dS\{(\boldsymbol\omega\cdot\boldsymbol B)\boldsymbol r-(\boldsymbol r\cdot\boldsymbol B)\boldsymbol\omega\}. 原点まわりのトルクは dN=r×dF=−σdS (r⋅B)(r×ω)=σdS (r⋅B)(ω×r). d\boldsymbol N=\boldsymbol r\times d\boldsymbol F =-\sigma dS\,(\boldsymbol r\cdot\boldsymbol B)(\boldsymbol r\times\boldsymbol\omega) =\sigma dS\,(\boldsymbol r\cdot\boldsymbol B)(\boldsymbol\omega\times\boldsymbol r).

B=(0,0,B)\boldsymbol B=(0,0,B) とすると r⋅B=Bz\boldsymbol r\cdot\boldsymbol B=Bz であり、 N=σB∫ΩRz(ω×r) dS. \boldsymbol N=\sigma B\int_{\Omega_R} z(\boldsymbol\omega\times\boldsymbol r)\,dS. 球面上の対称性から ∫ΩRxz dS=∫ΩRyz dS=0,∫ΩRz2 dS=4πR43 \int_{\Omega_R}xz\,dS=\int_{\Omega_R}yz\,dS=0,\qquad \int_{\Omega_R}z^2\,dS=\frac{4\pi R^4}{3} である。したがって Nx=4πσBR43ωy,Ny=−4πσBR43ωx,Nz=0. N_x=\frac{4\pi\sigma B R^4}{3}\omega_y,\qquad N_y=-\frac{4\pi\sigma B R^4}{3}\omega_x,\qquad N_z=0.

球殻の全質量は 4πR2ρ4\pi R^2\rho であるから、各主軸まわりの慣性モーメントは等しく Ix=Iy=Iz=23(4πR2ρ)R2=8πρR43 I_x=I_y=I_z=\frac{2}{3}(4\pi R^2\rho)R^2 =\frac{8\pi\rho R^4}{3} である。よって Iω˙=NI\dot{\boldsymbol\omega}=\boldsymbol N より ω˙x=Ωωy,ω˙y=−Ωωx,ω˙z=0,Ω=σB2ρ. \dot\omega_x=\Omega\omega_y,\qquad \dot\omega_y=-\Omega\omega_x,\qquad \dot\omega_z=0,\qquad \Omega=\frac{\sigma B}{2\rho}. 初期条件 ωx(0)=ω0sin⁡θ,ωy(0)=0,ωz(0)=ω0cos⁡θ \omega_x(0)=\omega_0\sin\theta,\quad \omega_y(0)=0,\quad \omega_z(0)=\omega_0\cos\theta を用いると ωx(t)=ω0sin⁡θcos⁡(Ωt),ωy(t)=−ω0sin⁡θsin⁡(Ωt),ωz(t)=ω0cos⁡θ. \omega_x(t)=\omega_0\sin\theta\cos(\Omega t),\qquad \omega_y(t)=-\omega_0\sin\theta\sin(\Omega t),\qquad \omega_z(t)=\omega_0\cos\theta. σ<0, B>0\sigma<0,\ B>0 では Ω<0\Omega<0 なので、ω\boldsymbol\omega の xyxy 平面への射影は +z+z 側から見て反時計回りに回る。

最終答

IC=Mr12/2I_C=Mr_1^2/2、Ma=Mg−TMa=Mg-T、ICω˙=Tr2I_C\dot\omega=Tr_2、a=r2ω˙a=r_2\dot\omega、したがって a=2r22g/(r12+2r22)a=2r_2^2g/(r_1^2+2r_2^2)。また dF=σdS{(ω⋅B)r−(r⋅B)ω}d\boldsymbol F=\sigma dS\{(\boldsymbol\omega\cdot\boldsymbol B)\boldsymbol r-(\boldsymbol r\cdot\boldsymbol B)\boldsymbol\omega\}、dN=σdS(r⋅B)(ω×r)d\boldsymbol N=\sigma dS(\boldsymbol r\cdot\boldsymbol B)(\boldsymbol\omega\times\boldsymbol r)、N=(4πσBR4ωy/3, −4πσBR4ωx/3, 0)\boldsymbol N=(4\pi\sigma BR^4\omega_y/3,\,-4\pi\sigma BR^4\omega_x/3,\,0)、Ix=Iy=Iz=8πρR4/3I_x=I_y=I_z=8\pi\rho R^4/3。Ω=σB/(2ρ)\Omega=\sigma B/(2\rho) として ωx=ω0sin⁡θcos⁡Ωt\omega_x=\omega_0\sin\theta\cos\Omega t、ωy=−ω0sin⁡θsin⁡Ωt\omega_y=-\omega_0\sin\theta\sin\Omega t、ωz=ω0cos⁡θ\omega_z=\omega_0\cos\theta。σ<0, B>0\sigma<0,\ B>0 では反時計回り。

第2問 — 調和振動子と突然近似

方針

前半は通常の摂動論、後半は「半調和振動子を全空間の奇数準位として見る」ことが核である。突然変化の後は、波動関数そのものは直後に変わらず、以後は新しいハミルトニアンの固有状態で展開して位相だけを進める。

境界条件の見方

V0→∞V_0\to\infty では左半直線が無限大障壁になるので、許される波動関数は x=0x=0 でゼロになる。偶数準位は ψ2k(0)≠0\psi_{2k}(0)\ne0 でこの条件を満たさない。一方、奇数準位は ψ2k+1(0)=0\psi_{2k+1}(0)=0 なので、右半分だけを取り出して 2\sqrt{2} 倍すれば規格化済みの固有状態になる。

検算

c0=1/πc_0=1/\sqrt{\pi} は 0<c0<10<c_0<1 であり、展開係数として自然な大きさである。また、t=2π/ωt=2\pi/\omega 後に全準位が同じ位相 −1-1 を得るのは、調和振動子のエネルギー間隔が等間隔であることの直接の帰結である。確率密度は初期状態と同じになる。

典型ミス

t=π/ωt=\pi/\omega で単に −Ψ(x,0)-\Psi(x,0) とするのは誤りである。半周期では (−1)j(-1)^j が付き、これは空間反転を表す。したがって波束は右半直線から左半直線へ移る。全体位相 e−iπ/2e^{-i\pi/2} は確率密度には影響しないが、波動関数を問われているので答案では落とさない。

試験で書くべきポイント

突然近似では「展開係数を全部求めなくても、等間隔スペクトルとパリティで時刻 π/ω\pi/\omega、2π/ω2\pi/\omega の波動関数を決められる」と示すのが短く強い答案である。特に ψj(−x)=(−1)jψj(x)\psi_j(-x)=(-1)^j\psi_j(x) の一行を入れると、半周期の導出が明確になる。

調和振動子と突然近似の途中式・最終答をPDFで見る

第3問 — ゴム弾性の統計力学

方針

一次元模型では、エネルギーではなく配置数が伸長に依存する。したがって張力はエントロピーの LL 微分から出る。三次元模型では、外力一定のアンサンブルで角度積分を行い、log⁡Z\log Z を βX\beta X で微分して伸長 LL を得る。

エントロピー弾性

LL が大きくなるほど右向きと左向きの比が偏り、配置数が減る。自由エネルギー F=−TSF=-TS はその分増加するので、戻ろうとする張力が生じる。小さい伸長で X∝TLX\propto T L となるのは、普通のばね定数がエネルギー起源ではなく温度に比例することを表している。

断熱伸長の符号

(∂T∂L)S≃TkBLCLNa2>0 \left(\frac{\partial T}{\partial L}\right)_S \simeq \frac{Tk_BL}{C_LNa^2}>0 なので、正に伸びた状態でさらに断熱的に伸ばすと温度は上がる。これは、伸長により配向エントロピーが減るため、その減少を内部自由度の温度上昇で補う必要がある、と解釈できる。

検算

一次元では L→NaL\to Na に近づくと全分子がほぼ同じ向きになり、さらに伸ばす余地がなくなるため張力が発散する。三次元では小さい外力に対する平均 ⟨cos⁡θ⟩\langle\cos\theta\rangle が q/3q/3 になるため、一次元の係数 11 に対して係数 33 が現れる。

典型ミス

X=−(∂F/∂L)TX=-(\partial F/\partial L)_T として符号を逆にするミスが多い。本問の定義では X=(∂F/∂L)TX=(\partial F/\partial L)_T であり、L>0L>0 なら正の張力が出る。また、三次元の分配関数で sin⁡θ dθdϕ\sin\theta\,d\theta d\phi の測度を落とすと sinh⁡q/q\sinh q/q が得られない。

試験で書くべきポイント

スターリング近似を使った後は、ℓ=L/(Na)\ell=L/(Na) を導入すると微分が簡潔になる。断熱過程では、まず dS=(CL/T)dT+(∂S/∂L)TdLdS=(C_L/T)dT+(\partial S/\partial L)_TdL と書き、次にマクスウェル関係で張力の温度微分に変換する順序が最も安全である。

ゴム弾性の統計力学の途中式・最終答をPDFで見る

第4問 — 異方性媒質と複屈折

方針

前半はローレンツ振動子模型で誘電率テンソルを作る。後半は、境界条件で接線方向の波数をそろえ、異方性媒質中の波動方程式を偏光ごとに解く。S偏光は電場が主軸方向に乗るため等方媒質と同じ形になるが、P偏光では電場、波数、エネルギー流の方向が一致しない。

符号の確認

電子の電荷は負なので、電場が +x+x 方向なら電子変位は −x-x 方向である。したがって uxu_x には負号が付き、分極 Px=−ρeuxP_x=-\rho e u_x は +x+x 方向になる。結果として ϵα−ϵ0\epsilon_\alpha-\epsilon_0 は ω<ωα\omega<\omega_\alpha で正になり、低周波側で誘電率が大きくなるという物理的な挙動と合う。

P偏光の見通し

異方性媒質では D\boldsymbol{D} は k\boldsymbol{k} に垂直だが、E\boldsymbol{E} は一般に k\boldsymbol{k} に垂直ではない。P偏光で k⋅D=0\boldsymbol{k}\cdot\boldsymbol{D}=0 を使うと、ϵnEx\epsilon_nE_x と ϵaEz\epsilon_aE_z の重み付き直交条件がすぐ出る。これが光線方向 tan⁡θt2=ϵnϵatan⁡ϕt2 \tan\theta_{t2}=\frac{\epsilon_n}{\epsilon_a}\tan\phi_{t2} のずれの原因である。

検算

ϵn=ϵa\epsilon_n=\epsilon_a の等方極限をとると、P偏光の波数は ∣kt2∣=ωμ0ϵn |k_{t2}|=\omega\sqrt{\mu_0\epsilon_n} となり、S偏光と一致する。また tan⁡θt2=tan⁡ϕt2\tan\theta_{t2}=\tan\phi_{t2} となるので、光線方向と波数方向が一致する。これは等方媒質の性質と整合している。

典型ミス

スネルの法則をそのまま屈折率だけで書くと、P偏光の有効波数が角度依存する点を見落としやすい。本問では最初に kxk_x の連続を使い、その後に媒質中の分散関係で ∣kt1∣|k_{t1}|、∣kt2∣|k_{t2}| を求める順序にするのが安全である。

試験で書くべきポイント

式 D=∣k∣2{E−(e⋅E)e}/(μ0ω2)\boldsymbol{D}=|\boldsymbol{k}|^2\{\boldsymbol{E}-(\boldsymbol{e}\cdot\boldsymbol{E})\boldsymbol{e}\}/(\mu_0\omega^2) の導出では、マクスウェル方程式から k×E=μ0ωH,k×H=−ωD \boldsymbol{k}\times\boldsymbol{E}=\mu_0\omega\boldsymbol{H},\qquad \boldsymbol{k}\times\boldsymbol{H}=-\omega\boldsymbol{D} を明示するだけで符号の根拠がはっきりする。P偏光では行列式をゼロにする一行を答案に入れると、角度依存波数を十分に正当化できる。

異方性媒質と複屈折の途中式・最終答をPDFで見る

東大 物理学 院試 過去問の収録13年度

  • 2026年度(このページ・全4問)

    剛体回転と磁気トルク / 調和振動子と突然近似 / ゴム弾性の統計力学

  • 2025年度(全4問)

    減衰振動と揺動応答 / 一次元障壁散乱 / 平均場イジング模型

  • 2024年度(全4問)

    剛体振り子と磁気モーメント測定 / 1次元光共振器 / 固体の比熱

  • 2023年度(全4問)

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  • 2022年度(全4問)

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  • 2021年度(全4問)

    量子ビットの時間発展とゲート生成 / 等方弾性体の応力と弾性波反射 / 理想ボース気体とボース凝縮

  • 2020年度(全4問)

    固定端ばね鎖の固有振動 / 一軸性結晶中の電磁波 / 理想気体と吸着等温式

  • 2019年度(全6問)

    午前・軌道力学と重力勾配 / 午前・誘導加熱と円環電流 / 午後・デルタ障壁と二粒子干渉

  • 2016年度(全6問)解答・最終答まで全文公開

    午前・振り子と二重振り子 / 午前・導体リングと電磁誘導 / 午後・調和振動子のコヒーレント状態

  • 2015年度(全6問)解答・最終答まで全文公開

    午前・跳ね返る剛体球 / 午前・線電荷と円筒導体の鏡像法 / 午後・二重井戸と二粒子トンネル

  • 2014年度(全6問)解答・最終答まで全文公開

    午前・中心力とラプラス--ルンゲ--レンツベクトル / 午前・電磁場とLC振動 / 午後・スピン軌道相互作用

  • 2013年度(全6問)解答・最終答まで全文公開

    粗い円柱のつり合いと滑りから転がりへの移行 / 平行平板間の空間電荷制限電流 / 調和振動子の遷移と非調和摂動

  • 2012年度(全6問)解答・最終答まで全文公開

    円板に巻き付く糸につながれた質点 / 円柱導体のジュール熱とポインティングベクトル / スピン1の磁気共鳴と四極子摂動