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仕事・エネルギーと運動量の問題

難易度 3共通テストレベル高校物理 仕事・エネルギーと運動量

なめらかな水平面上に、質量 の台車が静止している。質量 の小球が、水平面に沿って右向きに速さ で進んできて、台車の左端の鉛直な面に正面から衝突した。小球と台車は同じ一直線上だけを運動する。衝突していた時間は で、その間に台車が小球から受けた力の平均の大きさは であった。右向きを正として、衝突直後の小球の速度は何 m/s か。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、空気抵抗は無視し、台車の車輪と水平面の間の摩擦も無視できるものとする。

この問題で使うもの

この問題を解けるようになるまで(40 技能)
算数中学高校大学大学院

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右端(太枠)がこの問題で使う技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。

一覧で見る(前提が先)
  1. 四則の混じった計算の順序
  2. 三角形・四角形の面積
  3. 分数のたし算・ひき算
  4. 小数の四則計算
  5. 正負の数の加法・減法
  6. 分数のかけ算・わり算
  7. 正負の数の乗除・累乗と四則混合
  8. 約数の見つけ方
  9. 素因数分解と約数の個数
  10. 平方根の意味と根号の簡単化
  11. 三平方の定理
  12. 特別な直角三角形の辺の比
  13. 小数と分数のまじった計算
  14. 最大公約数と最小公倍数
  15. 比の性質と簡単な比
  16. 三角形の角の大きさ
  17. 相似な三角形と長さの比
  18. 対頂角と平行線の同位角・錯角
  19. 三角形の相似条件と対応する辺の長さ
  20. 三角比の定義と値
  21. 三角形の外角と角の組み合わせ
  22. 逆算(□ を求める)
  23. 分配法則を使った計算のくふう
  24. 文字式の計算(同類項・分配法則)
  25. 1 次方程式の解き方
  26. 二等辺三角形の角
  27. 平行四辺形と特別な四角形の性質
  28. 乗法公式による展開
  29. 折り返した図形の角と長さ
  30. 三平方の定理と平面図形
  31. ベクトルの演算と成分
  32. 重力と力の大きさ
  33. 2 力のつり合いと作用・反作用
  34. 力の種類とはたらき
  35. 重力・垂直抗力・張力の性質
  36. 慣性の法則と力のつり合い
  37. 力の分解と質点のつり合い
  38. 運動の法則(運動方程式)
  39. 運動方程式
  40. 運動量と力積

ヒント

行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。

ヒント 1

台車が受けた力積を「平均の力 × 時間」で求め、作用・反作用の法則で小球が受けた力積を考えましょう。

ヒント 2

運動量の変化 = 受けた力積、すなわち です。小球が受ける力は左向き(負の向き)です。

ヒント 3

台車が受けた力積は なので、小球が受けた力積は です。 を解きましょう。

答えと解説

答えを見る
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解説を読む

右向きを正とする。

台車が受けた力積

台車は小球から右向きに平均 の力を 受けたので、台車が受けた力積は

小球が受けた力積

作用・反作用の法則より、小球は台車から、大きさが等しく向きが逆の力を同じ時間だけ受ける。よって小球が受けた力積は である。

小球の速度

運動量の変化は受けた力積に等しいので、衝突直後の小球の速度を とすると


(確かめ)台車の衝突直後の速度を とすると より 。水平方向には外から力がはたらかない(摩擦は無視でき、重力と垂直抗力は鉛直方向)ので運動量が保存し、衝突前 、衝突後 で一致する。

よって、衝突直後の小球の速度は (左向きに )である。

別解

右向きを正とする。台車が小球から受けた力積の大きさは (右向き)。作用・反作用の法則より、小球が台車から受けた力積は (左向き)。
小球について、力積と運動量の関係: より 、。
検算: 台車の速度は 。運動量保存 より で一致。このときの反発係数は で を満たし、矛盾しない。
衝突直後の小球の速度は (左向きに )。

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