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物理 高校生

(2)条件にV>0とありますが、なぜV=0は含まれないのか教えてください

遠心力に関係した身近なものとしては, 洗濯機や遊園地のループ式ジェットコースターなどがある。 例題 15 鉛直面内での円運動 右図のような, 半径[m〕のなめらかな円筒面に向 けて,質量m〔kg〕 の小物体を大きさvo [m/s] の初速 度でなめらかな水平面からすべらせる。 重力加速度の 大きさをg〔m/s'] とする。 53 58 62 B C 10 (1) 鉛直線となす角が0の点(図の点C) を通過すると きの, 小物体の速さと面から受ける垂直抗力の大き さを求めよ。 m Vo A 5 (2) 小物体が点Bを通過するための の条件を求めよ。 ●センサー14 解答 (1) 点での小物体の速さを 円運動では,地上から見て 解くか, 物体から見て解く かを決める。 [m/s] とすると, 力学的エネルギー 保存の法則より B mgcoso N C 1 12= mvo mv2. +mg(r+rcose) ① 地上から見る場合 遠心力は考えず,力を円の 半径方向と接線方向に分解 し,円運動の半径方向の運 動方程式を立てる。 2 ゆえに、 rcos 00 0 mg m-=F r または mrw=F ② 物体から見る場合 v = √v2-2gr(1+cos0) [m/s] 垂直抗力の大きさをN[N] とすると, 地上から見た円運動の運動方程式は, m- =N+mg cose r これに”を代入し、整理すると, ......① 遠心力を考え、力を円の半 径方向と接線方向に分解し, 半径方向のつり合いの式を 立てる。 ※どちらでも解ける。 2 mvo N= -mg (2+3cos) 〔N〕 r ……② ● センサー 15 物体が面に接しているとき, 垂直抗力 N≧0 (1) 水平面を重力による位置 エネルギーの基準面とする。 別解 小物体から見ると, 円の半径方向にはたらく力は,実際 にはたらく力のほかに、円の中心0から遠ざかる向き に遠心力がはたらいている。 半径方向の力のつり 合いより, N+mg cosm-00 (量的関係は上と同じ) r 圃 非等速円運動では,円の接線方向にも加速度があり、物体か ら見た場合、接線方向での力のつり合いを考えるためには、接 線方向にはたらく慣性力を考える必要がある。 (2)(1)より,00π [ad] では, 0が小さくなるにつれて, v, Nはともに減少していく。 点Bを通過するためには,点B でぃ> 0 かつN≧0 であればよい。 ① より 0=0を”に代 入して, v= √vo²-4gr よって,vo4gr>0 ゆえにvor 注 ③ ④を比較すると, N≧0(面から離れない条件) が 2 の条件を決めることになる。 2 mvo また,②より 0=0をNに代入して、N= 5mg r 2 mvo よって, -5mg≥0 ゆえに、vo√5gr r ③ ④ がともに成り立つためには,vo ≧√5gr 5円運動 35

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物理 高校生

この問題は、等速円運動ではない円運動をしていますよね? 等速円運動ではないのに、等速円運動の運動方程式(F=m×r分のv2乗)を使えるのはなぜですか?

遠心力に関係した身近なものとしては,洗濯機や遊園地のループ式ジェットコースターなどがある。 例題15 鉛直面内での円運動 右図のような, 半径[m〕のなめらかな円筒面に向 けて,質量m〔kg〕 の小物体を大きさ [m/s] の初速 度でなめらかな水平面からすべらせる。 重力加速度の 大きさをg〔m/s'] とする。 53 58 62 B C P (1) 鉛直線となす角が0の点(図の点C) を通過すると きの, 小物体の速さと面から受ける垂直抗力の大き さを求めよ。 人 (2)小物体が点Bを通過するための の条件を求めよ。 Um 0.0& m Vo センサー 14 円運動では,地上から見てる 解くか、物体から見て解く かを決める。 解答 (1) Cでの小物体の速さを [m/s] とすると, 力学的エネルギー 保存の法則より, Bmgcose N C 1 1 ,2= mvo mv+mg(r+rcost) ① 地上から見る場合 2 遠心力は考えず,力を円の 半径方向と接線方向に分解 し円運動の半径方向の運 動方程式を立てる。 ゆえに、 cos00 mg ......① 12 m-=F r または mrw²=F ② 物体から見る場合 遠心力を考え、力を円の半 径方向と接線方向に分解し, 半径方向のつり合いの式を 立てる。 ※どちらでも解ける。 ● センサー 15 v= vv-2gr(1+cos0)[m/s] 垂直抗力の大きさを N[N] とすると, 地上から見た円運動の運動方程式は, v² m =N+mg cose r これを代入し、整理すると, 2 mvo N= -mg (2+3cos) 〔N〕 r ......② 別解 小物体から見ると, 円の半径方向にはたらく力は、実際 にはたらく力のほかに、円の中心から遠ざかる向き に遠心力がはたらいている。 半径方向の力のつり r 物体が面に接しているとき, 垂直抗力 N ≧0 合いより, m01.0 v² ◆N+mg cose-m - 00 (量的関係は上と同じ) (1) 水平面を重力による位置 エネルギーの基準面とする。 r 非等速円運動では、円の接線方向にも加速度があり、物体か ら見た場合、接線方向での力のつり合いを考えるためには,接 線方向にはたらく慣性力を考える必要がある。 (2)(1)より, 00 [ad] では, 0が小さくなるにつれて, 0, Nはともに減少していく。 点Bを通過するためには,点B で0かつN≧0 であればよい。 ①より, 8 = 0 を”に代 入して, v = √vo²-4gr よって, v4gr>0 ゆえに mvo また,②より 8=0をNに代入して, N= 5mg ④を比較すると, N≧0(面から離れない条件) が の条件を決めることになる。 2 mvo よって, -5mg≥0 ゆえに、r r ③④がともに成り立つためには、ひ≧√5gr 5

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数学 高校生

物理の斜方投射と自由落下の問題です。赤で囲んだ式がなぜYqを表しているのかが分からないので教えて欲しいです。

発展例題 44 2つの小球の運動 12. 平面上の運動 111 <発展例題 44 斜方投射と自由落下 図のように、水平右向きにx軸、 鉛直上向きにy軸を とる。 座標 (1,0)に点があり(1, h)に点Bがある。 小球Pを原点Oから、x軸の正の向きより角0上方に 速さで発射すると同時に,小球Qを点Bから自由落 下させた。 重力加速度の大きさをgとする。 y h JVER Q OB 881 Vo 20 La\mA O小球 P X (1)Pがx=lに到達したときのy座標を求めよ。 (2)PがQに命中するためには, 0, 1, hの間にどのような関係が成り立てばよい か。 (3) Qが点Aに到達するまでに, PがQに命中するためのvo の条件を, 1, h, g を用いて表せ。方投射顔 考え方 (2)Pがx=1に到達したときに, (Pのy座標)=(Qのy座標) になればよい。 (3)PがQに命中する位置のy座標が正であればよい。 解答」 (1) P がx=lに到達するまでにかかる時間は, DCOS6.t=l よって, t=- Vo COSO このときのPのy座標yp は, 1 1 y=vosinft-gt2=vosinQ・ DO COSO 29 (COS) =ltan0- gl² 2vcos'O (2)Pがx=lに到達したときのQのy座標yo は, 補足 98г (2)の結果(tan0=1 か 平ら, PQに命中させる には,PをQに向けて 発射すればよいとわかる。 QoB Vo yo=h- 1 2 g =h- g12 Vo COSO 2vo²cos20 y=ye であれば,PがQに命中するので, Itan0- g12 ・=h- g12 よって, tano 低庫 2v02cos20 2vo² cos20 (3) tan0=午のとき,右の図より OB=√2+h2, cost=- l 12th だから、 √√√12²+h² 105 yo=h- 0 50 =h- gl² 2 202 ( g(1²+h²) 2vo² >0であればよいので, h−9 (1² + h²) > 0 h- 2 2002 Vo>05, vo>. h>9 (1²+h²) 2002 g(1²+h²) 2h h この理由をPの変位を 「重力を無視した場合の 変位」 と 「自由落下の変 位」にわけて考える。「重 力を無視した場合の変 位」は、初速度v の等速 直線運動の変位である。 「自由落下の変位」はP とQで同じなので,Pを Qに命中させるには,重 力を無視した場合の変位 がP(点O)からQ(点B) の向きであればよい。 ●B 重力を無視 vo² >9 (1²+h²) した場合の 変位 2h Vo O' 881 自由落下の変位

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