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Physics Senior High

物理基礎について 摩擦力と運動方程式の問題です。 なぜ(1)は加速度aがつくのに(2)は加速度がなくなっているのでしょうか。

チェック問題 1 運動方程式の立て方 標準10分 右の図のように,傾き0が 自由に変えられる板の上に質 量Mの物体Aを乗せ, 軽い糸 でなめらかな滑車を通し質量 mのおもりBをつるした。物 体Aと斜面との静止摩擦係数 を Lo, 動摩擦係数をμとして,次の問いに答えよ。 (1) 0=0つまり板を水平としたとき, Bは下降した。その加 速度の大きさa,を求めよ。 (2) 0=0,のとき, Aが斜面下方へすべり始めた。μoを求めよ。 (3) 0>0,のときのBの上昇加速度の大きさ a2を求めよ。 M A m B 0 解説(1) 図aで, 糸は軽いので,両端の張力カTは等しい。 Aは「もうすべっている」 (p.41)ので、 動摩擦力uNを受ける。 (運動方程式の立て方》(p.56)で、 Step1 Aは右向き, Bは下向きの同じ 大きさ a,の加速度をもつ。 Step2 図のように軸を立てる。 Step3 Aについて, Y4 x 必ず a, N A 等しい T UN T Mg B X a, *mg 図a x:運動方程式: Ma,=+T-μN…① 9:力のつり合いの式: N=Mg…② Bについて、 a,と同じ向きの力は 正,逆向きの力は負 X:運動方程式 ma,=+mg-T.③ の+3より、 Tを消すためのおき →ナットクイメージー (M+m)a,=mgー μN まりの式変形) のを代入して,aについて解くと, m→oにもっていくと, 4→g つまり, Bの自由落下に近づく m-uM a= M+m g. 第5章 運動方程式 59

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Physics Senior High

1枚目の下線部について この式は写真2枚目の様に右辺のmにだけ①式を代入していますが、なぜ左辺には代入しないのですか?

2浮力と単振動 STEP2)(1) 間違えやすい問題を攻略しよう STEP 2) 例題日物体は単振動をしている?├ 帯度。の水中に断面積 S, 長さ 1,質量mの円筒形の物体を入れると,上面が 水面から高さ 。だけ出た状態で静止した。 このときの上面の位置を原点Oと して鉛直上向きにx軸をとる。上面を水面の位置:z=-)まで下げて静かに手 をはなすと,物体は鉛直方向に単振動をした。水の抵抗や水面の位置の変化は 無視できるものとし, 重力加速度の大きさをgとする。 (1) 物体の質量mを, p, S, 1, Iを用いて表せ。 (2) 上面の位置が任意のrのときの物体の加速度をaとして, m, a, I, p, S, gを用いて物。 上面-S 0 Tor 問1 下面 の運動方程式を表せ。 (3) 単振動の周期Tと物体の上面が到達する最高点の位置ェをそれぞれ求めよ。 ココを間違う 力のつり合いの位置からの変位がェのとき, 合力が一Kxの形になれば, 質量 mの物体の選 K 2元 =2元 の m 周期T= 動はばね定数Kのばね振り子と同じように, 角振動数 の= の単振動になる。単振動では力のつり合いの位置が振動の中心になることにも注意しよう。 V m K 解答例 S 浮力 (1) 物体にはたらく浮力の大きさは物体が排除した流体の重さ に等しい。力のつり合いの位置で物体が排除している水の体積 は S(I-z)であるから, 浮力の大きさはoS(1-x)g と表される。 力のつり合いの式は OS(I-zo)g-mg=0 a介 浮力 -To - Io x mg- 問2 水平 mg 体を 力のつり合い の位置 よって,m=pS(I-ro) … (答) (2) 右図より, 物体の上面の位置がェのとき, 浮力の大きさは S{I-(Io+z)gになる。物体の運動方程式に①式を代入して を 単振動をする物体の加 速度aは、角振動数をの として、a=S. (x は振動の中心からの変 位)と表される。 これと 左式より,oを求めるこ とができる。 (参考) 振幅がわかれば, 物体 の最大の速さを求めら れる。角振動数のは は 床く ma= pS{{-(ro+z)}g-mg= pS{L-(zo+x)}g-pS(1-zo)g よって,ma=-pSgx …(答) (3) 2式の右辺の合力は -Kr (Kは正の定数)の形をしているので, 物 体は単振動をしている。 ココ K = pSgであるから, 周期 Tは (3 m T=2π K m = 2元 V oSg 力のつり合いの位置 r=0が振動の中心であり, コ …(答) 振動の端は手 をはなした位置z=-Iであるから, 振幅は x。 である。よって, 物体 2元 O= pSg の上面が到達する最高点の位置はエ=,である。… (答) 振動の中心での速さ が最大の速さだから pSg Do= I00 =I0A 任意の位置』の図はェ>0の領域に描くようにすると間違えにくいよ。合力が -Kxの形で 表されるならば,物体が力のつり合いの位置から正の向きにずれると負の向きに力がはた 口 らき,負の向きにずれると正の向きに力がはたらくので, 振動が起こるんだ。 66 解答 問1 問2 ロ 単振動の周期はどうやって求める

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