⑵を⑴の別解のように解いたらどのような途中式になりますか？

力学 64 ma sin 0 = mg cos 0 g tan 0 g cos 0 sin 0 慣性力 張力T 静止だ ma aミ 斜面方向での力のつり合いより T= mg sin 0+ma cos 0 忘れやすい! cos'0 sin 0 mg mg sin 0 sin? 0 + cos? 0 =1を用いた = mg sin 0 + mg これからaも求まる。 別解2 重力と慣性力の合力(赤点線)をつ くってみると,これと張力Tのつり合いとな る。つまり合力は糸の延長線方向であり, 大 きさはTと等しい。灰色の直角三角形に着目 T ma mg 合力 すれば Sく合力は見かけの重動だ ma tan 0 = mg g . a= tan 0 T= mg sin 0 T sin 0 = mg (2) 重力と垂直抗力Nの向きから慣性力は 右向きと決まる。したがって, 台の加速 静止だ 慣性力 m 度Bは左向き。 斜面方向のつり合いより mg mB cos 0 = mg sin0 . B=gtan 0 垂直方向のつり合いより 張力が0なので、 糸は図から省いた。 N= mg cos 0 + mβ sin 0 /忘れやすい! sin? 0 = mg cos U + mg- mg cos 0 別解1ならNは 即答できる。 COs 0 間1)と同様に別解が考えられる。 試みてみるとよい。 別解1 鉛直·水平に分解して考えてもよい。鉛直より Tsin0= mg これからTが。より ma= T cos

(3)で小球が最高点に達した時、２物体の速度が等しくなる理由を教えて下さい。 解説を読んでも分からなかったです。 どなたかよろしくお願いします。

17 保存則 53 17 保存則 曲面 AB と突起Wからなる質量 Mの台が水平な床上にあり,台の左 側は床に固定されたストッパーSに 接している。Bの近くは水平面とな っていて,そこからんだけ高い位置 にあるA点で質量 m(m<M)の小 A小球 m W S M B 床 球を静かに放した。小球は曲面を滑り降りて突起w に弾性衝突し,台 はSから離れ,小球は曲面を逆方向に上り始めた。台や床の摩擦はな く,重力加速度をgとする。 (1) 突起Wと衝突する直前の小球の速さはいくらか。 (2) 小球が Wと衝突した直後の, 小球と台の速さはそれぞれいくらか。 (3) 小球が曲面を上り, 最高点に達したときの台の速さはいくらか。 また,最高点の高さ(Bからの高さ)はいくらか。 次に,ストッパー Sをはずして,台が静止した状態で,小球をA点 で静かに放す。 (4) Wに衝突する直前の,小球と台の速さはそれぞれいくらか。 (5) Wとの衝突後,小球が達する最高点の高さはいくらか。 F (東京電機大+日本大) Level(1) ★★ (2) ★ (3) ★ (4), (5) ★★ Point & Hint (2) 弾性衝突は運動エネルギーが保存される衝突だが, 反発係数 e=1 で扱いた い。 (3) 最高点に達したとき, 小球は台に対して一瞬止まる。水平方向には外力がない ので,ある保存則が成り立つ。後半はもう一つの保存則を用いる。 ただし, 物体 系に対して適用する。 (4) 2つの保存則の成立。 (5) (3)と同様に考えるのが正攻法だが, ……もっとスッキリと解ける。

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)

名門の森32番の(5)番で質問があるのですが、 最後の三角関数の式は(2/d√k/m cos√k/m(t-π√m/k)はどのように式変形すれば答えに書いてあるようになるのですか？ 教えてください。

96 力学 ECHURE (1) Aの座標を と表されるの 32 単振動 ばね定数kの軽いばねを滑 らかな水平面上に置き, 右端 に質量mの小物体Aを付け。 左端を固定する。ばねの方向 にx軸をとり,ばねが自然長 のときのAの位置をx=0 と する。そして、質量3mの物 体BをAに押しつけて, ばね を自然長からdだけ縮めた後。 静かに放す。 (1) 動き始めてからしばらくの間は, AがBを押しながら運動する。 このときAがBを押す力の大きさNをAの位置:の関数として表せ。 (2) AとBが離れるときのAの位置:および, 離れた後のBの速さ u を求めよ。 (3) 動き始めてからAとBが離れるまでの時間 toはいくらか。 (4)Bを放したときを時刻=Qとして, Aの位置xの時間変化を表 すグラフを上の図に描け。 0mmm LAS 0 AはBから」 えて、Aの道 d A: m この式は ばねが自然 性力が左向 一方,F 2。 Sto 0.2カ (2) BがA つまり ばねが縮 然長を超 なお、 の上で 自然 カた(5) t2(to)での Aの速度ムを時刻tの関数として m, k, dを用いて 一体と 時 じゃない 表せ。\まではACBO年院)(山口大+東京学芸大) Level(1)~(3) ★ (4) ★ (5) ★★ (3) 離 Base ばね振り子 (x= Point & Hint O O なる (1)作用·反作用と, xが負の値であるこ とに注意して, 運動方程式を立てる。 (2) 離れるときに注目すべき量は… ? (4) 2つの量を求める必要がある。 (5) 単振動の時間変化は sin ot や cos.ot を用いて表すことができる(位置速度。 加速度,力について)。 周期 m T= 2π\ R m 振動中心は力の 0 O つり合い位置 ※ばねの力のほかに一定の力 と が加わっても周期は不変。 た レ……… F00m-

コンデンサーの問題です。 分かりません助けてください。

大+静岡大 102 図はコンデンサー C,, C:, C.(電気 容量はそれぞれC, 2C, 3C), 電池(起 電力V)およびスイッチ S,, S. と抵抗R からなる回路である。最初, スイッチは どちらも開いており, いずれのコンデン サーにも電荷はない。 I.まず,スイッチ S, を閉じ, C, と C。 Ca C」 S2 C。 S」 V とを充電した。 (1) C, に蓄えられる電気量はいくらか。 (2) Cにかかる電圧はいくらか。 II.次に, S, を開いてから, S. を閉じ,十分に時間がたった。 ○--0

(3)でなんでQを使えるのかわかりません。 この問題は電圧降下の和＝0とか、孤立部分の電気量保存みたいなのを使って解けますか？

00 C3 102 図はコンデンサー Ci, C, Ca(電気 容量はそれぞれC,2C, 3C), 電池(起 電力V)およびスイッチ S., S。 と抵抗R からなる回路である。最初,スイッチは どちらも開いており, いずれのコンデン サーにも電荷はない。 I.まず,スイッチS. を閉じ, C, と Ca C2 R C」 S2 Si とを充電した。 (h C, に蓄えられる電気量はいくらか。 (2) C。にかかる電圧はいくらか。 I.次に,S, を開いてから, S.を閉じ,十分に時間がたった。 o-O 0-

16番です。答えは3/2なのですが、自分の答えと合いません。

単原子分子の理想気体をシリンダーに入れ, 図のようにA→B→C→A と状態を変化 各せた。ただし,B→Cは断熱変化である。 圧力(Pa) A= To B 3po B= 37。 C =2T. A C 0 V。 2V。 -体積(m°) 状態 Aの温度をT。 [K] とすると, 状態Bの温度は [14] × T。 [K] で, A→Bの過程 で気体の内部エネルギーは [15] × poV [J] 増加している。 また, B→Cの過程で気体が外 部にした仕事は[16]×poVo J] で, C→Aの過程で気体が外部に放出した熱量は (17]× poV% D である。 A→B→C→Aを1サイクルとして, これを熱機関と考えると,その熱効率は【18]で ある。

(1)の問題で解説を読んでみたら、何が分からないかわからなくなるほど頭が混乱しました。わかりやすく解説お願いします。

発展例題]79 運動する台車上をすべる物体 図のように,水平な床の上に置かれた質量 M, 長さ1の台車の右端に質量 m の物体をのせ, 台 車を水平右向きに大きさFの力で引いたところ。 その瞬間に物体は台車の上をすべり出した。 物 体が台車の上をすべっている間の, 物体と台車の 運動を考える。物体と台車との間の動摩擦係数をμ'、 重力加速度の大きさをgと する。また,台車と床との間の摩擦は無視でき,物体の大きさは十分に小さいもの とする。 m F 2m M T (1) 物体および台車の床に対する加速度の大きさはそれぞれいくらか。 (2) 物体がすべり出してから時間tの間に、物体および台車が床に対して移動する 距離はそれぞれいくらか(この間, 物体は台車の上にあるものとする)。 (3) 物体が台車から離れるまでに, 台車は距離Lだけ床の上を移動した。 Lをμ, 1, F, g, m, Mを用いて表せ。 (京都産業大改) ●鉛直方向の 考え方 N[物一台](垂直抗力) R[台一床] 台車 力のつりあい (物体) R=Mg+N(台車) 物体 →8 F 物体は台車から の摩擦力により 水平右向きに引 2mg →Q F'[台一物) N=mg F'[物←台] 動摩擦力 F' mg [物一地) きずられる N[台一物]Mg [台一地) F'=μ'N=μ'mg は同 コで (1) 水平右向きを正の向きとし,物体及び台車の床に対 する加速度をそれぞれα, Bとする。運動方程式は, 物体:ma=μ'mg 補足 (3) 設問文に「物体の大 きさは十分に小さいも のとする」とあるので, 物体の大きさは0と して考える。 解答 は、 しい。 台車:MB=F-μ'mg …2 O, 2を解いて, α=μ'g. B=Fーμ'mg M 台) (2) 時間 tの間に物体および台車が床に対して移動する距離をそれ 別解) (3) 物体から見た台車の 加速度はB-aだから, ぞれXm, XM とすると, 1 2at'=u'gt° X=0·t+→ Bt°=ー mg , 1 Xm=0·t+ 2 1=-(B-a) 2M (3) 物体が台車から離れるまでの時間は, (2)で xx=Lとして, 上式に(1)の結果および 3を代入して, Lにつ いて解く。 2ML ピ=- F-μ'mg 物体の移動距離 Xm この間の物体の移動距離は, 台車の移動距離L Xm= 24 gt=gML F-μ'mg 物体の移動距離 xm と台車の移動距離Lの差がちょうどしになっ たときに物体は台車から離れるから, L-xm=lより, LAML__F-μ(m+M)9 よって, L=- F-μ'mg 1=L- F-μ'mg F-μ'mg F-μ(m+M)g

物理の重要問題集です。４番でなぜこのような発想ができるのか知りたいです。

温度調節器一 て平衡状態に達したのり、 Ⅲの中の気体の温度を求めるとケとなる。 67.くばね付きビストンで封じられた気体〉 なめらかに動く断面積S [m]のビストンと体積が無 視できる温度調節器をもつ容器に1mol の単原子分子理 想気体が閉じこめられている。 図のように, ピストンは ばね定数k [N/m)のばねで容器とつながれており, 容 器は水平に置かれている。 初め, ばねは自然の長さであり, 温度調節器を取りつけた内壁 らビストンまでの距離がL [m])のところでピストンは静止していた。 容器とビストンは 熱材でできており, 大気圧を Po [Pa), 気体定数をR【J/(mol-K)] として, 次の問いに答え。 (1) 容器内の気体の温度 T。 [K] を求めよ。 (1) 過程Iで気体が外部から吸収す 外部から吸収する熱量と,状態 和で求められる。Qを CvとC (2) 過程Ⅱで気体が外部からされた (3) (2)の結果と熱力学第一法則を 部から吸収する熱量免を求め (4) (1)と(3)の結果を比較して、 C 式を求めよ。ただし、その導 (C] 状態Aから状態Bへ変化さ により状態Aから状態D (圧力 の後定積変化で状態Dから状態 過程Ⅲで気体が外部からされた W。と過程Iにおける の大 (京都を 00ONMNMN- 次に、温度調節器を使って容器内の気体をゆっくりと温めたところ. ばねが2L(m)だ [DJ 状態Aかられ生た 縮んだところでビストンが静止した。 (2) 容器内の気体の圧力 P. [Pa] を求めよ。 (3) 容器内の気体の温度T; [K] を求めよ。 積V)まで気体を圧縮しその名 (1) 状態Eの温度をT5(K)と (2) この過程Nのか-V国の概 き出ても何も仕事をしないので, そのは変わら。ため内部エ

106(オ)がわからないです

(2)図の最初の状態にもどる。すなわち,各スイッチは開いており、 (4)各コンデンサーの耐電圧(耐えられる電圧の限界)がすべて 45Vであるとき,合成コンデ C, Dの電位はそれぞれ Va=V(V), Va=Dオコ×V[V). [V/m]である。導体板 A, B, C, D間に蓄積されている静電エ 図1のように、十分に広い面積Sをもった平行板コンデンサーにおいて, 左側の極板Aは この状態でスイッチ S.のみを閉じた。このとき, 専体板A, B, どの導体板にも電荷は蓄えられていない。次の2つの操作後の結果を比較しよう。 d(m)、2d (m), 3d[m) とする。ここで, dは導体板の辺の長さ aと比較して十分小さいと する。国中のS,Sa. Siはスイッチを表している。 電源Vは電圧「V[V) の直流電源であり。 操作a):スイッチ S」を閉じ,しばらくしてスイッチ S,を開く。 それからスイッチS.を る文章を解答群から選べ。ただし、 数式は C, V、 dのうち必要なものを用いて答えよ。 2つの導体板 A, Bを平行板コンデンサーとみなしたときの電気容量を CIF) とする。 導体板Dは電源の負極とともに接地されている(接地点の電位を基準V とする。 また。 84 コンデンサー 85 標準間■ A つり最初の状態ではどの事体数にも電荷は書えられていたい。 °104.(コンデンサーの合成容量) 6.0Vの直流電源Eと,電気容量がそれぞれ 3.0μF, 1.5μF, 2,0μF, 2.0μFの4つのコンデンサー Ci, Ca, Cs, C4を図のように 接続し、十分に時間を経過させた。各コンデンサーは,接続する前 は電荷をもっていなかったものとして,次の問いに答えよ。 (1) 4つのコンデンサーの合成容量 C [uF] を求めよ。 (2)各コンデンサーに加わる電圧 Vi. Vz, Vs, Va [V), および蓄えら れた電気量Q,Q, Q, Q [C] を求めよ。 (3) 各コンデンサーに蓄えられた静電エネルギーの合計び [J] を求めよ。 C C。 S」 し ×V (VJ, Vo=UV である。導体板BとCの向かい合 C。 れらの間の空間に発生する電場は図で右向き, その強きは AB C E ネルギーの合計はオ|×CV2[J] である。 通体所の間属は拡大して かいてある ンサーとしての耐電圧 Vimax (V] を求めよ。 105.(ばね付きコンデンサー) (10 群馬大) 閉じる。 固定されているが、右側の極板Bは壁に固定されているばね (ばね定数k)につながカて。 て、Aに平行なまま動くことができる。極板が帯電していないとき, ばねは自然の長さのい 態にあり,極板間の距離はdであった。次に,図2のように,極板Aに正, 極板Bに自の筆 荷を徐々に帯電させるとばねは徐々に伸び,最終的に極板Aに +Q, 極板Bに -Qの雷益た 帯電させたところ, ばねの伸びが 4d (Ad <d), 極板問距離がd-ddとなったところでつり あった。真空の誘電率を Eo, 空気の比誘電率を1とする。また, ばねおよび壁の帯電, 重力 の影響はないものとする。次の問いに答えよ。ただし, (2)~~(5)は, Eo, d, k, Q, Sの中から 必要なものを用いて解答せよ。 (1) 電気力線のようすを図3に矢印で表せ。 極板間の電場の強さEを求めよ。 極板Bにはたらく電気的な力Fを求めよ。 (4) dd を求めよ。 (5) 極板間の電位差Vを求めよ。 ここで、極板Bを固定し、極板Aに +Q. 極板Bに -Qの電荷 を帯電させたまま、極板間に、比誘電率2の誘電体を図4のよう にゆっくりと差しこんだ。 6 このときの電気力線のようすを図4に矢印で表せ。 (7) Bにはたらく電気的な力は,(3)と比べてどうなるか。 を開く。 初めに操作(a)による結果を考察する。操作終了後,導体板CとDの間の電場の強さは 一カ(V/m] であり,導体板Aの電位は Via=Lキ ×V(V) である。このとき、毒体 新間全体に蓄積された静電エネルギーは,(1)のエネルギーの値オ×CV?[J) の ク]番 である。 一方,操作(b)の場合, 操作終了後に導体板AとBの同に発生する電場の強さはケ (V/m] であり, 導体板Aに蓄えられた電気量は Q=D■コ C) である。 また、事体板 A Bの電位はそれぞれ VAb= サ×1/[V), Vias=■シ×1/(V) となる。この場合、毒 体板間全体に蓄積された静電エネルギーは, (1)のエネルギーの値閉×CV*(J]の ス] 倍である。 したがって、2つの操作後の結果を比較すると次のようなことがわかる。 スイッチS。 を閉じると導体板 B, C間に発生していた電場が消失するので, スイッチを開じた直後。 その分の静電エネルギーが減少する。このとき、 セ」ということがいえる。 (2)の(b)の操作後,しばらくしてスイッチS:を開き、それからスイッチS,を開じた。この とき,導体板Cの電位は V%=[ ソ×1/[V] で, 導体板BとDに蓄えられている電気量 (絶対値)はそれぞれタ×0,[C). 「 チ]×Q&(C) となる。ここで、 &はこのコ(C である。 |セの解答群 3- d-dd- B A B otinl Foom P00000 +Q-91 図1 図2 -Q +Q 図3 +Q *106.(4枚の導体板によるコンデンサー回路) (15 広島市大 改) 図4 (a), (b)で等しくなる 間の静電エネルギーに加算される (14 東京理大改) s」a 51