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物理 高校生

この問題は、等速円運動ではない円運動をしていますよね? 等速円運動ではないのに、等速円運動の運動方程式(F=m×r分のv2乗)を使えるのはなぜですか?

遠心力に関係した身近なものとしては,洗濯機や遊園地のループ式ジェットコースターなどがある。 例題15 鉛直面内での円運動 右図のような, 半径[m〕のなめらかな円筒面に向 けて,質量m〔kg〕 の小物体を大きさ [m/s] の初速 度でなめらかな水平面からすべらせる。 重力加速度の 大きさをg〔m/s'] とする。 53 58 62 B C P (1) 鉛直線となす角が0の点(図の点C) を通過すると きの, 小物体の速さと面から受ける垂直抗力の大き さを求めよ。 人 (2)小物体が点Bを通過するための の条件を求めよ。 Um 0.0& m Vo センサー 14 円運動では,地上から見てる 解くか、物体から見て解く かを決める。 解答 (1) Cでの小物体の速さを [m/s] とすると, 力学的エネルギー 保存の法則より, Bmgcose N C 1 1 ,2= mvo mv+mg(r+rcost) ① 地上から見る場合 2 遠心力は考えず,力を円の 半径方向と接線方向に分解 し円運動の半径方向の運 動方程式を立てる。 ゆえに、 cos00 mg ......① 12 m-=F r または mrw²=F ② 物体から見る場合 遠心力を考え、力を円の半 径方向と接線方向に分解し, 半径方向のつり合いの式を 立てる。 ※どちらでも解ける。 ● センサー 15 v= vv-2gr(1+cos0)[m/s] 垂直抗力の大きさを N[N] とすると, 地上から見た円運動の運動方程式は, v² m =N+mg cose r これを代入し、整理すると, 2 mvo N= -mg (2+3cos) 〔N〕 r ......② 別解 小物体から見ると, 円の半径方向にはたらく力は、実際 にはたらく力のほかに、円の中心から遠ざかる向き に遠心力がはたらいている。 半径方向の力のつり r 物体が面に接しているとき, 垂直抗力 N ≧0 合いより, m01.0 v² ◆N+mg cose-m - 00 (量的関係は上と同じ) (1) 水平面を重力による位置 エネルギーの基準面とする。 r 非等速円運動では、円の接線方向にも加速度があり、物体か ら見た場合、接線方向での力のつり合いを考えるためには,接 線方向にはたらく慣性力を考える必要がある。 (2)(1)より, 00 [ad] では, 0が小さくなるにつれて, 0, Nはともに減少していく。 点Bを通過するためには,点B で0かつN≧0 であればよい。 ①より, 8 = 0 を”に代 入して, v = √vo²-4gr よって, v4gr>0 ゆえに mvo また,②より 8=0をNに代入して, N= 5mg ④を比較すると, N≧0(面から離れない条件) が の条件を決めることになる。 2 mvo よって, -5mg≥0 ゆえに、r r ③④がともに成り立つためには、ひ≧√5gr 5

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物理 高校生

21の2問ともできれば図などを用いて解説していただけたら嬉しいです

www n T 9 とする。 物 り, 物体Bの加速度はイm/s2 である。 時刻 2s において, 物 はウmである。 時刻 OS の後, 物体Aと物体Bの位置が再び同じになる時刻は エ また、 その時刻において, 物体Bに対する物体Aの相対速度は である。 オ m/sである。 [19 名城大] 15,16 21 等加速度直線運動のグラフ 水平面上にx軸をと 加速度の成分 (m/s2) り 鉛直方向にy軸をとる。 いま, x軸上の点Aから飛行 機が時刻 t=0s に, 初速度0m/sで出発し, 点Aよりx 軸上の点Bに向けて飛行した後, 点Bに到着する場合を考 える。 AからBへの向きをx軸の正の向きとし,鉛直上向 きをy軸の正の向きとする。 ただし, 飛行機はxy 平面内 を運動するものとする。 飛行機の加速度のx成分と時間の 関係,および速度のy 成分と時間の関係は,それぞれ図1 と図2に示されている。 次の問いに有効数字2桁で答えよ。 (1) 飛行機が最高高度に達したときの水平面からの高さは 何mか。 3 500 1000 O」 時間 (s) 図 1 -3. 速度のy 成分 (m/s) 20 500 1000 時間 (s) -20 (2) AB間の水平距離は何mか。 [22 千葉工大] 15,16 12 ヒント 19 2台の自動車の速度の差が0になった瞬間, 車間距離は最短となる。 20 (エ) 求める時刻を t[s] として, AとBの移動距離についての方程式を立てる。 21 (1) 図2のグラフがt (時間) 軸と囲む面積が鉛直方向の移動距離を表す。 の解説動画

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