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Physics Senior High

なぜ(2)は、弾性力による位置エネルギー=力学的エネルギーになるんですか?

基本例題19 弾性力による運動 なめらかな水平面ABと曲面 BC が続いてい る。 Aにばね定数 9.8N/m のばねをつけ, その他 端に質量 0.010kgの小球を置き, 0.020m 縮めて はなす。 重力加速度の大きさを 9.8m/s2 とする。 DEFAU (1) 小球は, ばねが自然の長さのときにばねからはなれる。 その後, 小球は, 水平面 AB から何mの高さまで上がるか。 BU (2) 水平面 AB からCまでの高さは0.40m²である。 ばねを 0.10m縮めてはなすと, 小 球はCから飛び出した。 このときの小球の速さはいくらか。 指針 垂直抗力は常に移動の向きと垂直で あり仕事をしない。 小球は弾性力と重力のみから 仕事をされ, その力学的エネルギーは保存される。 (1) では, ばねを縮めたときの点と曲面上の最高点, (2) では, ばねを縮めたときの点と点Cとで,それ ぞれ力学的エネルギー保存の法則の式を立てる。 解説 (1) 重力による位置エネルギーの 高さの基準を水平面AB とすると, ばねを縮め たときの点で、小球の力学的エネルギーは,弾 性力による位置エネルギーのみである。 曲面 BC上の最高点で、速さは0であり、力学的エネ 64 Ta YOWN SECA A 100000円 2 基本問題 138, 146 Jo, yo B v2=1.96=1.42 ルギーは重力による位置エネルギーのみである。 最高点の高さを〔m〕 とすると, ×9.8×0.0202=0.010×9.8×h C ん=2.0×10m (2) 飛び出す速さをv[m/s] とすると,点Cにお いて,小球の力学的エネルギーは,運動エネル ギーと重力による位置エネルギーの和であり, -×9.8×0.10²=1/1×0.010 × z2 20.40m v=1.4m/s +0.010×9.8×0.40

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Physics Senior High

(5)の単振動、最大の速さについての質問です!解説は理解出来てますが、2枚目にあるように単振動の位置エネルギーで表せないのはなぜですか?

114 力学 38 単振動 水平面内において一定の角速度ので 回転している円板がある。 円板上には, 半径方向にみぞが掘られており、その中 にばね定数k,自然長のばねが置かれ ている。 ばねの一端は中心0に固定され, 他端には質量Mの小球Pがつけられてい る。 Pはみぞの中を滑らかに動け, 0 か つ らPまでの距離rを用いておもりの位置を表す。 いま、円板上で静止 している観測者Aには, Por=ro の点に静止して見えた。 真上から見た図 Level (1), (2)★ (3)~(5)★ Point & Hint W (1) ro をlk, M, ω を用いて表せ。 (2) こうなるために必要な角速度に対する条件を表せ。 次に,Pをみぞに沿って外側に動かし, 点0 からの距離 n の点で静 かにPを放したところ, P はみぞの中で運動を始めた。 (3) Pが位置にあるときAが見る加速度をaとすると, A が書くべ き運動方程式はどのようになるか。 みぞ方向外向きを正とする。 (4) Pの位置を,rの代わりに ro から測ってx=r-ro を用いて表 すと, 運動方程式の右辺の力はLx の形になる。 Lをk, M, ω を 用いて表せ。 (5) Pを放してからばねの長さが最小となるまでの時間, ばねの長さ の最小値,およびAが見るPの最大の速さをk, M, w, ro, n, のう ち必要なものを用いて表せ。 (北海道大) Aにとっては遠心力が現れている。 (2) (1) の答えの形から自然に条件が決まってくる。 (5) (4) の結果からPの運動が確定する。 P the p LECTURE (1) 遠心力と弾性力のつり合いより Mrow²=k(ro-l ... (2)>0より kl Yo= k-Mw² k-Mw² > 0 k w√ M 回転が速過ぎると(ωが大き過ぎると),弾 性力より遠心力がまさり つり合う位置がな くなってしまう。 (3) ばねの伸びは -l と表せるから Ma=Mrw²-k(r-1) (4) 上式に r = ro+x を代入すると ( 38 単振動 •mmmm 自然長 遠心力がかかるから, | ばねは伸びているはず。 ①を用いた 115 遠心力 Mをmと書いてい ないだろうか? 物体上から見たとき 向心 外から見たとき ▷じゃ Ma = M(ro+x)w² − k(ro+x-1) ) =Mxw²2-kx =-(k-Mω²)x ......2 ∴. L=k-Mo² (2)で求めた条件よりLは正の定数であり,②はPがx=0(力のつり合 い位置)を中心として単振動をすることを示している。 (5) ②から単振動の周期Tは M 最大の速さは、 公式 Vmax = Aw より [ro を代入する) より速い Queeeeeeeeeeee- 0 Yo T=2nvk-M²2 2π√ とする誤りが多い。ばね振り子の周期 k が不変となるのは、ばねの力のほかに一定の力 がかかる場合のことである。 遠心力は半径と ともに変わる力である。 ばねの長さが最小となるのは, 内側の端の位置にくるときだから、端か ら端までの時間は半周期。よって, M T= √k-M₁² 振幅Aは上図より, A = n-ro よって, ばねの長さの最小値は ro-A=2ro-n # A 中心 k-Mos² A² = (n-1)√² M

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Physics Senior High

15、16、17-1、17-2、18、19の丸つけをお願いしたいです!

[ 7温度が80℃の水 50g と 20℃の水150gを混合し, 熱平衡に達した。 熱は外部に逃げないものとして,次の各問に答えなさい。 解答番号 15~16 (1) 水の比熱をc[J/(g・K)], 熱平衡に達したときの全体の温度をt 〔℃〕 として, 80℃の水が失う熱量を式に表すとどのようになるか。 次の選択肢から正しいものを選び, 記号で答えなさい。 【知識・技能】解答番号 15 (ア) 50×c×80 (イ) (150-50)×c×80 (ウ) 50×c× ( 80-t) (I) 50Xcx (t-80) (2) 全体の温度は何℃になったか。 【知識・技能】 解答番号 16 (16) ℃ 15 17-1 29 17-2 16 35 8 熱容量 141J/K の, 図のような熱量計を用いて,鉄の比熱c [J/(g・K)] を 測定する。 はじめ, 熱量計に170gの水を入れて温度を測ると, 20.0℃で安定 していた。 次に, 100℃に熱した質量100gの鉄球を熱量計に入れ, 静かにか きまぜると, 24.0℃で安定した。 水の比熱を4.2J/(g・K) として,次の各問に 答えなさい。解答番号 17-1~19 SI-11 m (1) 熱量計と水が得た熱量は何Jか。 【知識・技能】 解答番号 17-1,17-2 ( 17-1)×10 (17-2)」 (2) 熱量の保存を利用すると,鉄球の比熱cは何J / (g・K) になるか。 18 180℃℃ 150g ( 18 ) J/(g・K) (3) この鉄球に, 熱量 8.1×102J を与えたとき, 温度は何K上昇するか。 ( 19 ) K m 0.38 80℃ (ア) (お湯が失った熱量)=(熱量)(イ) 氷 50xcX180-t)=150xcx(+-20) (ウ) す △t C 【知識・技能】 解答番号 18 (°C) t(C) 熱平衡 みず C 水の比熱く=42を代入して、 t=35 19 20°C 150g + 水 鉄球 熱量計 【知識・技能】 解答番号 19 m (2)図は, けたとき ある。 温 な状態か 号で答え C at 21 10. 氷を 変化を 状態 A が観 章につ 考・半 状態 ら気 (23 22 11. 温 「次の (1) ( (2) (

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