この問題の[B]の解き方を教えてください。!

応用問題 B 43.〈棒でつながれた2物体の運動〉 思考) 図のように,長さしで質量の無視できる棒によってつながれ た,質量 M の物体Aと質量 mの物体Bの運動を考える。 ただ しM>m とする。棒は物体Aおよび物体Bに対してなめら かに回転でき,棒が鉛直方向となす角を0とする。初め, 物体 Aは水平な床の上で鉛直な壁に接していた。 一方, 物体Bは物 体Aの真上(0=0°)から初速度0で右側へ動き始めた。その後 の運動について次の問いに答えよ。なお,重力加速度の大きさ をgとして,物体Aと物体Bの大きさは考えなくてよい。 また。 棒と物体Aおよび物体Bとの間にはたらく力は棒に平行である。 [A] まず, 物体Aと床との間に摩擦がない場合について考える。 (1) 物体Bが動きだしてからしばらくの間は, 物体Aは壁に接したままであった。この間 の物体Bの速さを, θを含んだ式で表せ。 (2) (1)のとき, 棒から物体Bにはたらく力Fを, 0を含んだ式で表せ。 棒が物体Bを押す 向きを正とする。 (3) 0=α において, 物体Aが壁から離れて床の上をすべり始めた。 cosαを求めよ。 (4) 0=α における物体Bの運動量の水平成分 Pを求めよ。 (5) 物体Bが物体Aの真横 (0=90°) にきたときの, 物体Aの速さ Vを求めよ。 Pを含んだ 式で表してもよい。 (6) 0=90° に達した直後に, 物体Bが床と完全弾性衝突した。その後, 物体Bがいちばん 高く上がったとき0=β であった。 cosβを求めよ。 Pを含んだ式で表してもよい。 [BJ 次に,物体Aと床との間に摩擦がある場合について考える。今度は, 0=60° において, 物体Aが壁から離れた。物体Aと床との間の静止摩擦係数4を求めよ。 物体 B, 質量 m 物体 A, 質量 M [11 東京大)

問1の初速度ははなぜ-1/2mv^2=-mgLで求められないのですか？

扱う テーマ 放物運動と座標軸のとり方/軸上での式の取扱い p.31 物理 図のように,点Aから投げられたボールが, 水平面上の距離Lの点Bに垂直に立て られた高さLのネットをちょうど越えて,距離2Lはなれた点Cに落下し, さらに前 七の斜面を何回かはね(バウンドし), やがて点Cに戻ってくる状況を考えよう。ここ る斜面は十分に長く,その傾きは0であり, 水平面および斜面はなめらかで, ボール と面とのはね返り係数(反発係数)ば e(0<e<1)である。ボールの大きさ,ボールの 同転、およびボールに対する空気抵抗は無視し,重力加速度の大きさをgとして以下 の開いに答えよ。なお, θとeはボールが斜面上を1回以上はねることのできる条件 を満たしているものとする。 V。 y Vo luo A B C し L L 問1 点Aでのボールの初速度 V。を g, Lを用いて表せ。 * 問2 ボールは点Cのわずかに左側の水平面でバウンドした。 図のように, 点Cを原 点として斜面に平行にz軸, 斜面に垂直にy軸をとったとき, バウンド直後のボー ルの速度のr成分 Uo, y 成分 voを g, L, e, 0を用いて表せ。 ボールが点Cではね上がった時刻を t=0 として, 1回目に斜面上でバウンド するまでの間の任意の時刻tにおける速度のェ成分u, y成分v, および位置エ, y を表す式を uo, Vo, g, θ, t を用いて表せ。また, 1回目にバウンドする時刻もをg, L, e, 0を用いて表せ。 * 問4 斜面上でボールが繰り返しはねた。n回目(n21)にバウンドする時刻を g, L, e, 0, n を用いて表せ。また, バウンドがおさまる時刻t。を g, L, e, 0を用い て表せ。 会0 Mm ケ突 さ突 ★* 問5 ボールはやがて点Cに戻ってくるが,点Cを点Bに向かって通過するとき,バ ウンドしていない条件を e, 0を用いて表すと, 2tan0.e?+e-(1+tan°0)<0 となることを示せ。 ご交面が J奥園 * 問3 食 M 「東大(改)|

1枚目のピンクで丸している問題(ア)を 教えてください。 2枚目が解説です。

~に]には指定された選択肢か い 1 ら最も適切なものを1つ選べ。重力加速度は一定で,その大きさをgとする。 次の問いにおいて,天井と床は,いずれも剛体であり,固定されているものとする。ばわ は,質量が無視できるものとし,ばね定数がk,自然の長さが Loであり,まっすぐ伸び縮み するものとする。ブロックは, 質量が mで, 大きさが無視できるものとし,その運動は、同 一直線上から外れないものとする。 図1のように,天井からばねをつるし, ばねにブロックを取りつけた。 ばねの自然の長さを保つようプロックを手で支え,静かに手をはなした後 ばねが最も伸びるまでの運動を考える。ブロックにかかる力は, 重力とば ねの力のみであるとする。図2は,ばねが最も伸びる途中までの, ばねの 長さと,プロックにかかる重力(点Aと点Cを通る太線)とばねの力 (点B と点Eを通る太線)の関係を示す。 ブロックにかかる重力とばねの力がつりあうとき,ば ねの長さはい]である。ばねの長さが Loからいに なる間に重力がブロックに行った仕事の大きさは, 図2 ろの面積と等しい。また,この間にばねの力が プロックに行った仕事の大きさは,図2の は]の面 積と等しい。したがって,ばねの長さがいのとき,ブロ ックの運動エネルギーは[ア]である。ばねがさらに 伸び,プロックの運動エネルギーが0になるのは, ばね の長さがに]のときである。 次の文章を読み, ア]に適切な数式を記せ。 天井 ばね ブロック 図1 ブロックにかかる力カ (鉛直上向きが正) Lo い の ばねのカレ傾きん ;E B D 0- ばねの長さ A重力 C! 図2 い と に |の選択肢 の Lo+ mgk の Lo+mgk 3 Lo+2mgk mg O Lo+ 2k 2 6 L+ mg 6 Lo+ 2mg k ろ の 三角形BED は |の選択肢 2 四角形 ABDC 3四角形 ABEC

64<シリンダー内のピストンの運動> ⑶が定圧変化になる理由を教えてください🙏

2L回衝突するの 間 At の間に壁面Aの受ける力積は 2mu,x "At _ mu;At (N.o 0| 48 9気体分子の運動と状態変化 外で空気の圧力は等しい。 次に, 球体内の空気をゆっくり加熱して, 空気の温度をアに る。このとき球体内の空気の密度はpであった。 (2) pをTo, Po, Tを用いて表せ。 空気を除いた気球にはたらく重力の大きさは, 重力加速度の大きさをg[m/s"] とまっ と,Mg[N] である。また, 球体内の空気の温度がTのとき, 空気の質量はpV[kg〕 で去 る。球体内の空気にはたらく重力の大きさは, V, To, Po, T, gを用いてオ]xg[N) と表すことができる。 よって, 空気を含む気球にはたらく重力の大きさF[N] は, F=(M+())×g で与えられる。一方, 空気中に置かれた球体は, 球体外のまわりの空気 から鉛直上向きに押し上げる力, すなわち, 浮力を受ける。 簡単のため, 球体外のまわり の空気の密度をPo とすると, その浮力の大きさf[N] は球体内の空気と同じ体積をもっ 球体外の空気にはたらく重力と同じ大きさで, f= カ]×g で与えられる。いま, Tが Fと子の一致する温度 T,[K] をこえると,気球が上昇し始めた。 (3) 横軸に球体内の空気の温度 T, 縦軸にFをとって, グラフの概形をかけ。 (4) 球体内の空気の温度に対するFと子の関係から, 気球が浮上する理由を説明せよ。 (5)気球が浮上を始める温度 T, を1V, M, To, poを用いて表せ。 [16 大阪工大) 必幅64. 〈シリンダー内のピストンの運動〉 図のように,断面積S[m°] の十分長いシリンダーが鉛直に置かれて いる。シリンダー上部には質量を無視できるピストンがはめこまれ, シリンダー内部に理想気体が封入されている。 ピストンは断熱材で作ら れており, 気密を保ちながらなめらかに上下に動くものとする。シリン ダーは断熱材でおおわれており, 断熱材は取り外しできるものとする。 初期状態ではピストンは静止しており, ピストンの底部はシリンダーの 底から高さ ho [m] の位置にあり, シリンダー内部に封入された理想気体の温度は To[K], 圧力は Po[N/m°] であるとする。このとき, 次の問いに答えよ。 なお, シリンダー外部の大 気の温度を To[K], その圧力を Po[N/m°], 重力加速度の大きさをg [m/s°] とする。 (1)ピストンの上部に質量 M[kg] のおもりをゆっくりのせたところ, ピストンの底部がシリ ンダーの底から高さh、[m] の位置に下がった状態で静止した。 この状態における理想気 体の温度 T. [K]を To, Po, ho, h, M, S, gを用いて表せ。 (2) T, と Toの大小関係で正しいものを次のうちから1つ選び, 選択理由を20字程度で記せ。 (a) T;> To (3) 次に, シリンダーの側面の断熱材を取り外したところ, やがて, シリンダー内部に封入さ れた理想気体の温度は To[K] になり, ピストンの底部はシリンダーの底から h2[m] の位 置に変化した。h2を Po, ho, M, S, gを用いて表せ。 (4) h2と h,の大小関係で正しいものを次のうちから1つ選べ。 シリンダー ピストン ho[m] (b) T;=To (c) T;< To (d) 与えられた条件からは判断できない (a) h2>h. (b) h2=h」 (c) h2くh」 (d) 与えられた条件からは判断できない (5) 続いて, シリンダーの側面に断熱材を再び取りつけ, ビストンの上部のおもりをゆっくり 取り去ったところ, ビストンの底部はシリンダーの底から高さ hs[m] の位置で静止した。 この状態での理想気体の温度をT. [K] として, hsを ho, To, Ts を用いて表せ。 [千葉大] 断熱材

量子力学・ハイゼンベルクの交換相互作用についての問題です。 参考書を参考に(あ)〜(え)まで解いてみたのですが、考え方はあっていますか？ また、(お)以降の解説をお願いします。ブロッホの定理やフーリエ変換はどのように効いてくるのでしょうか？

III. 以下の文章のあ き の枠内に当てはまる数式や記号を答えよ。 ヘ =1として,スピン角運動量1/2をもつ三つのスピンが,互いに相互作用している系を考え る。スピン演算子を$, S,, $, とすると,系のハミルトニアンは次のように与えられる。 自=-J(S, S+ S,. S。+ $。. S.), J>0. ここでも番目(;= 1,2,3) のスピンのz,9, z 方向成分をそれぞれ好,S, S とする。スピン演算 子の間には (S, SY] = iS}, [SF, SY] = 0などの交換関係が成り立つ、自) = E\d) を満たす。 固有エネルギーEとエネルギー固有状態|)を求めたい。 全スピン角運動量 Shot = $, + $2+S。を使うとハミルトニアンは次のように書き直すことが できる。 自= - + JC, 定数C= あ 'tot このことから基底状態のエネルギー固有値は 時の固有値は S= +1/2, -1/2 のニつであり,これらに相当する1スピン状態をそれぞれ↑。 ↓と記すと,3スピン状態は,|S{ S S3) = |M1),| t)などのように表すことができる。独 立な3スピン状態は全部で 具体的にエネルギー固有状態をあらわしてみよう。 まず基底状態のうちで Sto = St+ Sz + Sg が最大の状態は |S S; Sg) ちに書き下すことができる。 つぎにエネルギー固有状態のうちで Sie = 1/2 のものを求めたい,ハミルトニアンと交換可 能な演算子はハミルトニアンと同時固有状態をもつことを利用する.このような演算子の一つ にスピンをRIS; S; S) = |S; S; S;)のように巡回置換する演算子良がある。-iとなるこ とと,周期系におけるブロッホの定理やフーリエ変換を思い出すと,Rと St。と自の同時固有 状態は適切な定数A(複素数も含む)を用いて い である。 う 種類あり,規格直交基底をなす。にれらの線形結合の形で え のように直 三 る(「4)+A|)+ ^°| +t) V3 と表せることが分かる。Aの取り得る値をすべて列挙すると 底状態となるのは A- か 以上の結果からすでに二つ基底状態が得られた。残りの基底状態を列挙すると, お となる.このうちで,基 の場合である。 き と なる。

写真二枚目下線部の式変形がわかりません。 途中過程を教えて頂きたいです🙇🏼‍♀️

Vo 小物体 130.動く板の上での物体の運動● 右の図 のように,質量Mの小物体が質量Mの大きな板 の上にのっている。小物体と板との間の動摩擦 メ0S M8 床 m 板 係数をμとし,板と床との間の摩擦を無視する。時刻 t=0 において,小物体に右向き の初速度 voを与えると,板も同時に動き始めた。右向きを正の向きとし,重力加速度の 大きさをgとする。 moi (1)小物体が板に対して静止したときの板の速さVを求めよ。 (2) 小物体に初速度を与えてから, 小物体が板に対して静止するまでの時間tを求めよ TIロエ A

できれば至急お願いしたいです。 ⑷が分かりません。v1-Vになりそうなのは分かりますが計算した結果がどうしてそうなるのかわかりません。 どなたかよろしくお願いします。

図1のように軽い棒の両端に質量mの質点がついているものを考える。 棒を鉛直面内で角速度wで回しながら水平方向に初速度 voで投げるとする.棒 の長さは26,重力加速度をgとする。 1) 棒について以下の3つの運動方程式を立てよ。 i) 重心の水平方向(X) 重心の上下方向 (Z) 重心周りの回転(0)(ヒント:相対回転運動に関する運動方程式を用いよ) 2) (1) に基づいてX(t), Z(t), 0(t) の解を求めよ。 初期条件:t=0の時, X(0) = 0, Z(0) = 0, 0(0) = 0とする i) 重心の水平方向(X(t)) ii) 重心の上下方向(Z(t)) 重心周りの回転 (0(t)) 3) 時間tでの座標系 OXZにおける両端の座標を絶対座標系でそれぞれ求めよ。 4) 水平方向に投げた棒について、重力の位置エネルギーの総和を求めよ、ま た,これと全運動エネルギーとの和である力学的エネルギーが保存される(時 間tによらない)ことを示せ。 Z X 「m (X,Z) (m

物理の運動量保存則の問題です。 (4)で解答の下線部のところがどのときの力学的エネルギーを考えているのかわかりません。 左辺はDに達した時のことを表してるのは分かったのですが… 得意な方お願いします🙏

a 生 商 平水 TS SA参 C 25 水平面 AB と斜面 BC がなだ らかにつながっていて, AB 間 は摩擦がなく, 傾角0の斜面 には摩擦がある。AB上で,質 量m の小物体Pが速さ voで, 静止している質量 M の小物体Qに正面衝突する。P, Q間の反発係数 (はね返り係数)をe, Qと斜面の間の動摩擦係数をμ, 重力加速度の大 77TTTT. V0 P Q たの B A THOA きさをgとする。 (1) 衝突直後のPの速度ひと, Qの速度Vを, 右向きを正としてそれ ぞれ求めよ。 (2) 衝突の際,Pが受けた力積を,右向きを正として求めよ。 (3) 衝突後, Pが左へ動くための条件を求めよ。 (4) 衝突後,Qは斜面上の点Dに達した後,下降した。 Vを用いてBD 間の距離1を求めよ。また, Qが点Bに戻ったときの速さVをV を用いて求めよ。 5A )

（2）波線をつけた箇所 なぜこのような式になるんですか？

127考(1) 衝突前後で物体が同一直線上を運動する場合は, どちらか 状 の向きを正に定め, FAt=mu'-muを用いる。 (2), (3) FAt=mv-mu をもとにベクトルの作図をする。 量 +(S.1-)×00-0 (a\m) 8.1- (1) FAt=mu'ーmuより, 打ち返した後のボールの速度の向 きを正として FAt=0.15 kg×50m/s-0.15kg×(-40 m/s) =7.5 kg·m/s+6.01kg·m/s=13.5 N·s 向はケma.1目 0日 0a.0-m 圏 14 N·s, ボールが飛んできた向きと逆向き /FAt mv'- (2) FAt=mv'ーmū のベクトルの関係を作図すると, 右の通 りであり,FAtの向きは水平から 30° 上向きである。F4t の大きさFAt|は, 右図より 1F4|=|milcos 30°×2、3.0 ■ 30° ーm 向はケam08.0 Vm) mo' a\m 03.0-2\m 09. em0-a\m 8.0 08.0- mv'-mu 量 ケ1 =0.15 kg×40 m/s×V3 =mu'+(-mu) 10.3 N.s 答水平から30°上向きに10N.s 0.8-2\m 0.5×g0.8 ① 考え方 肝答

読んでいただいてありがとうございます。 力学の質問があります。 こちらの問題の（2）なのですが、私はカエルの出したエネルギーというのが、どうにも気持ち悪くて、画像2枚目のように力積で考えてみたのですが、答えが合いません。。 どこで間違ってしまっているのでしょうか。 どなた... Read More

カ学 58 天井からつるした滑車の両側に,それぞれ質 量mの皿A, Bをつるし、 皿Aに質量 Mの蛙、 皿Bに同じ質量Mのおもりをのせてつり合わせ る。I, 蛙, おもり以外の質量は無視できる。 この蛙は,床では高さんまで鉛直にとび上が れる運動エネルギーを出せるものとする。蛙が 同じエネルギーで皿Aから鉛直にとび上がると き、以下の間に答えよ。蛙の大きさは無視する。 0(1) 蛙が皿からとび上がるときの床に対する初 速度の大きさをVとし, 皿Aが床に接近する初速度の大きさかた 19 保存則 19 保存則 59 M V M+2m リ= 正の向きを 決めるのに 運動量保存則が成り立つためには, 物体 系に外力が働かないか, 働くとしても, そ GくUターン形 x4 x の座標軸を の力が0であればよい。 考えている。 M M (2) 蛙が出したエネルギーは Mgh であり, いまは,それが全体の運動エネル いだしたし4んかし 20 ギーに使われているから Mgh = ;MV2+小(m+M+m) 1 2 A B 2 (M+2m)gh M+m のを代入してVを求めると V= (3) 蛙がとんだ後の,皿とおもりの系につ いても1次元化を利用すると,加速度を a (M+m)g M, m, およびVで表せ。 X (2) 蛙の初速度の大きさ VをM, m, h, および重力加速度gで表せ。 (3) 蛙が皿Aから離れる距離の最大値はんの何倍か。ただし, I皿と床 の衝突はないとする。 mg aとして o。 (m+ M+m)a=-mg+(M+m)g M a= (埼玉大) M+2m IAの加速度は鉛直上向きにaであり, 蛙の加速度は下向きの重力加速 度gだから,皿に対する蛙の相対加速度は,上向きを正として,-gーa と なる。一方,相対初速度は Vー(一) =DV+v であり, 最も離れたときの Level(1)~(3) ★★ 相対速度は0だから Point & Hint (1)問題を1次元に焼き直して考えてみるとよい(問題24 (1参照)。すると, 物体系に対して重力という外力が左右に働くことになるが,そ の合力は……。 0°-(V+v)? = 2(-g-a)h' h'は距離の最大値である。①, ②, ③より, V,v,aを代入してんを求め 「保存則」というタイトルが大きなヒントになっている。 ると(①を用いてひをVに直してから②を代入するとよい), h'=h よって,1倍 (3)運動方程式を用いて, 皿Aに対する蛙の運動(相対運動)を考える。 10。 ECHURE (1) 次元化すると次のような力学系と同等である。外力としての重力は丘 右とも(M+m)g と等しく。 合力は0となっている。よ って, 運動量保存則が成り 立つ。右向きを正とすると Q 蛙が皿Aから最も離れる時と,蛙が床に対して最高点に達する時では、 どちらが先に起こるか。計算ではなく、定性的に考察してみよ。(★★) (M+m)g Mg や蛙 (1)で蛙がとび上がるときAを押す力を N, 糸の張力をT, その際の時 間をAtとする。蛙,A, Bとおもりの一体,についてそれぞれ力積と運 動量の関係式を記し, 次に運動量保存則を導いてみよ。 (★) mg 滑らかな水平面 0=-mu+MV- (M+m)u