仕事・エネルギーと運動量の問題
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
- 運動量と力積(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(40 技能)
読み込み中…
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)
- 四則の混じった計算の順序
- 三角形・四角形の面積
- 分数のたし算・ひき算
- 小数の四則計算
- 正負の数の加法・減法
- 分数のかけ算・わり算
- 正負の数の乗除・累乗と四則混合
- 約数の見つけ方
- 素因数分解と約数の個数
- 平方根の意味と根号の簡単化
- 三平方の定理
- 特別な直角三角形の辺の比
- 小数と分数のまじった計算
- 最大公約数と最小公倍数
- 比の性質と簡単な比
- 三角形の角の大きさ
- 相似な三角形と長さの比
- 対頂角と平行線の同位角・錯角
- 三角形の相似条件と対応する辺の長さ
- 三角比の定義と値
- 三角形の外角と角の組み合わせ
- 逆算(□ を求める)
- 分配法則を使った計算のくふう
- 文字式の計算(同類項・分配法則)
- 1 次方程式の解き方
- 二等辺三角形の角
- 平行四辺形と特別な四角形の性質
- 乗法公式による展開
- 折り返した図形の角と長さ
- 三平方の定理と平面図形
- ベクトルの演算と成分
- 重力と力の大きさ
- 2 力のつり合いと作用・反作用
- 力の種類とはたらき
- 重力・垂直抗力・張力の性質
- 慣性の法則と力のつり合い
- 力の分解と質点のつり合い
- 運動の法則(運動方程式)
- 運動方程式
- 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
どこでつまずきましたか?(選ぶと、戻る場所を案内します)
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 )。