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物理 大学生・専門学校生・社会人

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仕事とエネルギー、運動量を用いた物体の運動の解法 【間2] ばねでつながれた二物体の運動の運動量の保存と力学的エネルギーの保存則を用いた運動の解法 (参照:演習問題8の問2) 図のようにまさつのない水平な床の上に自然長が,、ばね定数がkxのばねが置かれている。 その両端に質量 とm。の物体1と2を取り付けた。 物体1に右向きに初速。を与えたところ. の物体は床の上をx軸の正の 方向に運動した。 座標系として、水平方向右向きにx軸、鉛直上向きにy軸をとり、原点を = 0における物体1 の位置にとる。 以下の問いに答えなさい。 (物体1、2の位置、速度、加速度のx成分をそれぞれ、x,(り、xs(り、 Yax(り、pzx(ひ)、qix(り、qzx(ひなど1や2の添え字を使用して表しなさい。 ) (1) この運動において、物体1と物体2の運動量の和は不変である。 その理由を運動量の変化と力積の関係を用いて述べなさい。 (2) この運動において、物体1と物体2の運動エネルギーとばねの弾性エネルギーの和は不変である。 以下の記述がその証明となる。 正しい記述となるように次のカッコ( 1 )から( VI )に入れるべき数や式 を答えなさい。 時刻での物体1と2のx座標x。(。)、x。(ひを用いて、時刻でのはねののびを表すと( 1 )となる。よって、物 体1と2の運動方程式の成分はそれぞれ、m。学e中ニ( Tエ )…①、m se思ニ( 反 )…②となる。 e 次に、①式の両辺と。(O) = 字の各辺との積をとると、次のような等式が得られる。 る map(O演ー( m ) x 左辺はps(O CO (tio人(の )…・@と式変形できる。よっ て(aeO) =(T ) x 名.…④ 同様にして、全(apa⑨)=( mm ) x折品…の ③式と④式の各辺の和をとると、 (tp) ao3() ) =( W )…・⑤ ここで時刻Lでのばねのの びを表す関数をXY(ひとおくと、( IV ) はxi(り、xz(ひの代わりにX(りを用いて、( IV )=( V 和書 くことができる。さらに、のひ式と同様な式変形より、( V )x富= ーikX(O )…⑥となる。 @式と@式より、(imaik(O+3moik(0+3kX2(O ) =( Y )…⑦ 物体1と2は床の上を運動するこ とから、ヵ>(0) = poy() = 0 よって、⑦式のカッコの中は物体1と物体2の運動エネルギーとばねの弾性エネ ルギーの和となっており、それの時刻での微分が( VI )となることから、物体1と物体2の運動エネルギーと ばねの弾性エネルギーの和は不変であるといえる。 (3) ばねの長さがもっとも長くなったとき、物体1と物体2の速度はどのような関係になっているか答えなさい。 (4) ばねの長さの最大値/。。。を求めなさい。 (⑮) 演習問題8の問2の解からも/mxを求め、(4)で求めた値と一致することを確認しなさい。

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解答は順番に4,4,0,3,1,5,7,3,3,6,9,3,3,6,3,2です。 後半の10番からがなぜ解答のようになるのか分かりません…解説お願いします。

以の てはまる, 適当な数値をマークせよ。 了仙に沿って運動する物体A について考える。 時刻 (| における物体 の吉較度りhm/半が。a(0 = ー16z(0 のように生えられているとする。ここで, (0[m は時誠における物体の位置を表している。まず はこの物体 A の運動を考えてみよう。衝分方程式 gz0 1ezの (| に(0 = nest を代入して衣仙する。ここで. 定数。 は正であるとする。ここから。 =[上であれは (0 = inouf は式 (の削の1つであることがわかる。同便に。 gr > 0 であるとして。z(け = cwort を 式 () に代入してみると。 cs = [5]の場合に (0) = cowcrf は式 (大) の解となることがわかる。 さらに 上で出てきた2 つの角を定数公して足したものも。式 () の解になることがわかる。そこで こ の人分往基の一般通として。 (9 =でumaet+ Cacoserf 、 が香らねる, ここに。 で.で。 は任意の定数であり, これらの値は初期条作によって決定きれる。 1 =0さの時 に。 物体Aがテニ3m の位置にいて硬止していたとすると。 Ci となる。この結果か らち。 物体Aは内期が約[6上7] ゆで -[引m <テ< 中 の箇を振動することがわかる。 に。因民がa(0 =ー0e(0 51 で生えられるような物体の連動を考えてみよう- の = - |とすると 0 。_[同r() となるので. 物件Bの時刻(における位攻z(ひ の dd MM sm +cros となることが分かる。ここで, 物体 は1ニ 0のときにァニ6mの位置にいて台度を 0 = 9 m/s で運動して いたとすると。 物価んと物Bが6 =に人9は(=らら> <

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