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物理 高校生

(2)で写真二枚目の5行目の式 Ry1'=(Mcosθ/2w)×{g(w+h tanθ )-(vcθ^2(h-wtanθ))}=0 があると思うのですが、その直前で「P1を中心として反時計回りに転覆しないためには、重心がP1より右側になければならない。よって、w-h ta... 続きを読む

Chapter 1 力学 Section 1 力と運動 例題 10 等速円運動 ② 図1はレールに乗っている列車を正面から見た 図である。 レールの幅は2w であり, 列車の質量は Mである。 列車の重心Gは、レール間の中心線上 で、レールと車輪の接触点から高さんの位置にあ る。 空気の抵抗や摩擦力などは無視できるものと して、以下の問いに答えなさい。 (1) この列車が,たいらな地面に水平に敷かれた 円形の曲線路を、一定の速さで通過している。 (A) 重力加速度をg, 列車に作用する慣性力を Fとして, 曲線路の内側のレールから列車 が受ける垂直抗力 R1 と, 外側のレールか ら列車が受ける垂直抗力 R-2 を、 それぞれ M, w, g, F, h を使って表しなさい。 図2 (B) 曲線路の半径を , 列車の速さを”として, 慣性力F を M, r, o を使って表しなさい。 ただし,rはレール 幅 2w に較べて十分に大きいものとする。 (C) 列車の速さが大きくなると, R, が減少し,やがて列車は転覆する。 この場合の限界の速さve を wr, g, hを使って表しなさい。 (2) 曲線路では, 列車の安定を増すために、 通常, 曲線路の外側のレー ルを少し高くしている。 図2に示すように, 線路が角度日の傾きを つけて敷かれているとして, 列車が転覆する限界の速さve を w, r, g,h, θ を使って表しなさい。 (三重大) w wo 200 考え方の キホン to 10 I (1) (A)右図のように、車輪とレールとの接点をそれぞれ P1, P2 とし, 車輪がレールから受ける抗力の水平成 分をそれぞれぃたとする。 鉛直方向の力のつりあ いより I 1 円運動の問題では,中心方向外向きの慣性力すなわち遠心力を考慮 すると, 有効な場合が多い。 例えば、人工衛星の中で宇宙飛行士が ふわふわ浮いて見えるのは, 人工衛星から見て, 宇宙飛行士に働く地球の万有引 力と遠心力がつりあうからである。 この問題でも、列車から見た遠心力を考慮す ると, 剛体のつりあいの問題として扱うことができる。 なお、遠心力をむやみに軽んじてはいけない。 現代の物理学では,遠心力 ( 般には、慣性力)といわゆる実在の力 (この場合は, 向心力)とは、同等である I とみなす。 (2)までは、外側のレールは高くしてない。 1 R1+R2-Mg=0… ① P2 のまわりの力のモーメントのつりあいより Mgxw-R1 ×2w-Fxh=0 ② 〔注〕 P1 のまわり: R12×2ω-Mgxw-Fxh= 0 ③ ①② (あるいは, ①, ③ あるいは, ②③ より -Mg- R₁₁ = h R2= g+. 〔注〕この場合の向心力はf+fである。 水平方向の 力のつりあいより、 S 2w (B) 円運動の加速度は2/rだからF=Mv²/r (C) (A)からわかるように, R2は常に正である。 (B)も用いて h Mv² :. R₁₁=Mg-20 =0 :: Vc= F fi+f₂=F=Mv² /r (2) 右図のように車輪がレールから受ける抗力の斜面に垂 直な成分をそれぞれRai', R2' とし、斜面に平行な成分を それぞれだとする。 斜面に垂直な方向の力のつりあ いより P回りの モーメント Mo -F R入 Mcose {g(w+htand)- 2w fr Vo² r rwg h R₂₁ Ra Mg Ri'+R,a'′-Mgcos0-(Mus/r)sin6=0・・・・・・・・ ④ PT P3 Or MY K P2 のまわりの力のモーメントのつりあいより下 Mgx(w+htane)cos-Ra'x2w_(Mu²/r)x(h-wtand) cos0=0 BA w ....... 5 Mg x (cose+ htang.cosa) Pr カ 〔注〕 Pi: Ri' ×20-Mgx(whtand)cos0 (Mur) x(h+wtand)cosB = 0.⑥ ④,⑤ (あるいは、④⑥ あるいは, ⑤⑥ より 列車 の動き Mer x (hcoso-tutanocuse) (h-wtan6 tan 0)} B 10 1-1 力と運動 47

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物理 高校生

(2) 導線内の電場の強さを測るにあたって、、、導線内に一様な電場ができていると言っているのですが、どこをどう見てそういうことになったのでしょうか

基本例題63 導線内の自由電子の移動 基本問題 474 長さ 9.0m, 断面積 5.0×10-7m²,抵抗 0.50Ωの導線に, 3.6Aの電流が流れている。 電子の電気量を -1.6×10-19C導線1m²あたりの自由電子の数を 9.0×1028 個とする。 (1) 導線の両端の電位差Vはいくらか。 (2) 導線内の電場の強さEはいくらか。 (3) 導線内の自由電子が, 電場から受ける力の大きさFはいくらか。 (4) 導線内の自由電子が移動する平均の速さはいくらか。 指針 (1) オームの法則を用いる。 (2) 導線内には一様な電場が生じ, 距離 dはな れた2点間の電位差は,V=Ed と表される。 (3) 自由電子の電気量の大きさをeとすると, 静電気力の大きさ F は, F = eEである。 (4) 電子の電気量の大きさe, 1m² 中の自由電 子の数n, 平均の速さ, 導線の断面積Sを用 いて 導線を流れる電流 I は, I = envS となる。 解説 (1) オームの法則から, V=RI=0.50×3.6 = 1.8V (2) V=Ed の式から, E=- = 指針 (1) 並列に接続された R2, R3 の合 成抵抗を求め、その合成抵抗と直列に接続され たR, との合成抵抗を求める。 V 1.8 d 9.0 v= (3) 自由電子が受ける静電気力の大きさFは, F=eE=(1.6×10-19) ×0.20=3.2×10-20N 基本例題64 抵抗の接続 図のような電気回路について,次の各問に答えよ。 (1) ac間の合成抵抗はいくらか。 (4) 導線を流れる電流 Ⅰ は, 平均の速さを用 いて, I = envS と表されるので I ens = 0.20V/m ac間に電池を接続したところ, R2 に 0.80Aの電流が a 流れた。 このとき,以下の各問に答えよ。 (2) bc間の電圧はいくらか。 (3) ac間の電圧はいくらか。 3.6 (1.6×10-19) × (9.0×1028) × (5.0×10-7) =5.0×10m/s 19. 電流 237 R₁ 4.0Ω to its to 74 基本問題 478, 479,480 R2 6.0Ω R3 12Ω (3) R3 を流れる電流をIとすると,オームの法 Vbc 4.8 則から, I3= =0.40A R3 12 Xlit ma

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