物理
高校生
解決済み

物理についての質問です。写真の一枚目は問題文と解答の写真です。2枚目は教科書、3枚目は自分で考えた結果出てきた答えです。大問3がわかりません。解答にあるΔt×aベクトルはaとbの速度の和だと思うのですが、教科書にある①と②のやり方のどちらとも合っていない気がします。また3枚目の写真のように①のやり方を使って自分で考えた結果加速度の向きが北東になってしまいました。この写真には写っていないですが、本当の答えは南東方向です。なぜこうなるのか教えて欲しいです

サ 東京発 東京 上野 大宮 風谷 発 発 発 本庄早稲田 宮崎 安中榛名 桜井沢 発 発 和倉温泉 七尾 良川 羽咋 高松 宇野気 津 発 発 着 金沢 発 5.35 6:07 6:45 佐久平 上田 6:14 発 長野 松任 小松 発 5:53 6:27 7:01 飯山 上越妙 発 発 発 加賀温泉 大聖寺 発 ! 6:36 ↓ | 50 芦原温泉 発 ! 6:48 1 黒部宇奈月温泉 着 6:19 6:59 7:28 福井 富山 発 6:21 6:37 発 6:20 7:01 7:30 新高岡 6:30 6:46 鯖江 発 7:11 ↓ 着 6:44 7:00 武生 発 6:32 7:15 金沢 小松 加賀温泉 芦原温泉 福井 発 6:00 発 6:46 7:02 教 発 16:53 7:37 8:01 6:11 6:19 ↓ 7:13 近江今津 7:16 8:02 ↓ 7:21 7:35 8:22 ↓ たけふ 教 備考 6:27 58 発 6:36 発 6:45 ↓ 着 6:57 7:27 <14> <11>> 7:29 7:10 7:38 京都 発 7:50 8:37 8:55 7:47 7:59 <11> 高槻 新大阪 大阪 発 発 着 8:15 9:01 9:18 8:20 9:06 9:22 北新幹線 2.0 [選択肢 ① 約155km/h ② 約185km/h ③ 約215km/h ④ 約245km/h ⑤ 約75km ⑥ 約100km ⑦ 約125km ⑧ 約150km 3. 以下の問いに答えよ。 [知識・技能] 右図のように,ある時刻にある地点Aを北向きに通過した物体が, 4.0s後に地点 Bを東向きに通過した。 この間の平均加速度の向きを図示し,その大きさを有効数 字2桁で解答せよ。 2.0m/s (2) 次のように等加速度直線運動をする物体がある。 以下の値を有効数字2桁で解答せよ。 3.[知識・技能] 有効数字に留意し、 単位を付記すること A (1) 4.05 2.0.15 B 2.0m/s 流 ふき 180 大きさ B 2.0m/s (2) ア -1 7.1 x 10 m/s² 4.0m/s2 st x a 2.0 *s 必要に応じて補助線等を使用し、 平均加速度の向きを丁寧に図示 すること 8.0m オ 2.0m/s A (3)ウ IP- <芋> -2.0m/sa <理> <芋> <理> -2.0 m/s 40s 4.0 s VA 6.0m/s -6.0 m/s (12×10m) 3.0g 6.0s て (308) 14 ↑足さ
対する それの速度 合う2辺 y +0 速度の合成と成分の和 成分, y成分をそれぞ (ひ) (U2, U2y) とすると,ひと この合成速度の成分 V2y 成分 ひっ Viy は次式で表される。 Vzy V2T VI O V2x Vir VV2 IC 図速度の合成と成分の和 合成速度の成分 y FX 成分, y成分の和で表される。 図 「 10 15 濡れのない水に対して 5.0m/sの速さで む船で、地面に対して 3.0m/sの速さで 流れる川を流れに垂直な方向に横切る。こ のとき,流れに垂直な方向に船が進む速さ は何m/s か。 また、図の角0を三角関数表 Op.259 で調べて答えよ。 4.0 m/s, 37° 5.0m/s 3.0m/s 参考 ベクトルの和 A (終点) +) 章 垂直な2 20 この 係が成り ① 一方のベクトルの終点にもう一方のベクトルv2 の始点を一致させたときの始点から終点に引 いた矢印が2つのベクトルの和となる。 ベクトルは,大きさと向きをもつ量をさし、記号で表 p.17 すときはこのように文字の上に→ を書き, 矢印を使っ て図示する。 また, 2つのベクトルの和は,次の2通り の方法で求められる。 (点) a=a OA=a 図 ベクトルの表し方 (a) 図ii (a) V2 (2) 2つのベクトル そ の始点を一致させたとき, 25 れぞれのベクトルを隣り合う2辺とする平行四辺形を 考え,一致させた始点から引いた対角線の矢印が2つ のベクトルの和となる。 これを平行四辺形の法則と いう。 V₁ (b) 図i (b) ひっ 30 ①②のどちらの方法でも, 2つのベクトルを合成す ることができる。 ベクトルの合成について, p.263 の 「ベクトルの練習」 図 ベクトルの和 ◆に取り組もう。 クト 始 第1章 物体の運動 23
+42 0ml5 m € 広 TA 北 栗 B 北東に
物理 速度 ベクトル

回答

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まず、「Δt・aベクトルが、ベクトルの和である」というのは間違いで、正しくはベクトルの差です。
よく教科書に出てくる例として、川をボートで横切るという場面が挙げられます。これは川の流れる向きの速度ベクトルとボートの進む向きの速度ベクトルが同時に働くから、それらを一つと見るために合成しています。

今回のケースは、またそれとは別です。
平均の加速度を聞かれていますが、そもそも
平均の加速度ベクトルというのは、
ある時間Δt(s)間の速度ベクトルの「変化」
同様に、平均の速度ベクトルというのは
ある時間Δt(s)間の位置ベクトルの「変化」
です。
(普通に速度や加速度といったときは、Δtを限りなく0に近づけた極限を意味する)

写真において、はじめの位置にいた物体が時刻tでの位置に移動しています。これは、オレンジの位置ベクトルに対して、青のベクトル分だけ変化したからピンクの位置ベクトルに変わったと見れます。
オレンジ+青=ピンクを変形すると
青=ピンク-オレンジとなります。
つまり、t秒間の位置ベクトルの変化(青)は、時刻tでの位置ベクトル(ピンク)から時刻0での位置ベクトル(オレンジ)を引いたものであるといえます。そして、この位置ベクトルの変化を、上に書いたように「速度」と呼んでいるわけです。

全く同じ理屈で、加速度ベクトルというのは速度ベクトルの変化であるから、B地点での速度ベクトルからA地点での速度ベクトルを引いたものが、加速度ベクトルになるのです。速度ベクトルが↑の状態から→の状態に変わったのは、↘向きのベクトルによるもので、このベクトルは速度ベクトルの変化を表しているということです。
この問題は、後に習う等速円運動を意識していると思います。運動している方向と全く別の方向に加速度を向くというのは奇妙に感じるかもしれませんが、何もなければ真っ直ぐ進み続ける物体の動く向きを変えたければ、違う向きに力を与えないといけません。力を与えると運動方程式から考えて加速度が生じるので、これは自然なことです。

ブドウくん

日本語の訂正
運動している方向と全く別の方向に加速度を向く
→加速度が運動している方向と全く別の方向に向く

ご回答ありがとうございます!まだ全て理解はできていないけれど、間違いに気づくことができました。また分からないことがあったら、質問させてください。

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