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物理 高校生

ア~エに入る式の求め方教えてください

基本例題 21 糸でつながれた2物体の運動 質量Mの物体Pを滑らかで水平な机の上に置き, 物体に軽い糸を付けた。 そして, 机の端に固定した軽 い滑車を通して他端に質量mのおもり Q をつるして 手ばなした (図1)。 以下, AさんとBさんの会話の 空欄①~④には語群から適語を選び, (ア) (オ)に は適当な式を入れよ。 重力加速度の大きさをg とする。 図1 A:物体の運動は、 まず物体にはたらく力の図示から だね。 軽い糸は滑車にかかっていない部分と滑車 にかかっている部分で3分割してあるよ (糸 I, 糸ⅡI, 糸ⅢI)。 P B: 物体PとおもりQに重力以外の力がはたらくのは, 2物体が接触しているところだから,図2の○を作 用点として力がはたらくことになるね。 糸ⅡIの両 図2 端はそれぞれ糸 I, 糸ⅢIと接触し, 糸ⅡIの真ん中 にある○は,滑車と接触している代表点を示しているよ。 A:Pにはたらく ( ① ) と ( ② ) はつり合っているから,Pにはたらく (③)でPは水平方向に加速度運動することになるね。 (③)の大きさ を T, 加速度の大きさをαとして, Pの運動方程式を書くと (ア) … (i) となるよ。 糸Iの運動方程式はどうなるんだろう。 B: 糸Iの左側にはたらく力は ( ③ ) と ( ④ ) の関係にあるから, その大 きさはTで,糸Iの右側にはたらく力の大きさをTとして糸Iの運動方程式 を考えると・・・ああ、そうか! 糸Iは軽い糸だから質量0と考えると運動方 程式は,0×α = (イ)となって, T' = Tになるんだね。 A: 定滑車は糸に沿った方向にはたらく力について, その大きさは変えずに,向き だけを変えるはたらきをもつから, 糸ⅡIの両端にはたらく力は糸 I での考察と 同じで等しくなるね。 でも, 糸ⅡIの両端にはたらく2力だけでは力はつり合わ ないよ。 B:ほら,滑車から受ける力があるじゃない。 滑車から受ける力の大きさをTで表 すと, となって, 糸ⅡIの両端にはたらく2力とつり合うよ。 A : 本当だ! おもりQの運動方程式は, ( ) ….. (ii) になるから, (i), (i) 式から加速度の大きさを求めると, (オ)になるんだね。 【語群】 重力, 垂直抗力, 張力, つり合いの2力、 作用・反作用の2力 M 物体 P T 糸 Ⅰ 滑車 滑車 おもり Q m 糸 ⅡI og 糸Ⅲ

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