力と運動の問題
水平面となす角が のあらい斜面がある。この斜面上で、質量 の小物体が斜面にそってすべり下りている。小物体と斜面のあいだの動摩擦係数を 、重力加速度の大きさを とし、空気抵抗は無視する。また、 とする。すべり下りている小物体の加速度の大きさは何 か。有効数字 2 桁で求めよ。
この問題で使うもの
- あらい面・斜面上の運動(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(42 技能)
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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)
- 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
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- 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
- 静止摩擦力・最大摩擦力・動摩擦力
- 静止摩擦力と動摩擦力
- 運動の法則(運動方程式)
- 運動方程式
- あらい面・斜面上の運動
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
あらい斜面上の運動の技能を使う。小物体にはたらく力(重力・垂直抗力・動摩擦力)をすべてかき出し、重力を斜面に平行な方向と垂直な方向に分解しよう。動摩擦力は運動の向きと逆向き(斜面上向き)にはたらく。
ヒント 2
斜面に垂直な方向のつり合いから 。動摩擦力の大きさは である。斜面下向きを正として、斜面にそった方向に を立てる。
ヒント 3
運動方程式は となり、 で割ると 。あとは数値を代入する。
答えと解説
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解説を読む
小物体にはたらく力は、重力 (鉛直下向き)、垂直抗力 (斜面に垂直で上向き)、動摩擦力(斜面にそって上向き)の 3 つである。動摩擦力は運動の向き(斜面下向き)と逆向きにはたらく。
手順 1: 重力を斜面に平行な方向と垂直な方向に分解する
斜面に平行な成分(斜面下向き)は 、斜面に垂直な成分(斜面に押しつける向き)は である。
手順 2: 斜面に垂直な方向の力のつり合いから垂直抗力を求める
小物体は斜面から離れず、斜面に垂直な方向には加速しないので、この方向の力はつり合っている。
したがって動摩擦力の大きさは
手順 3: 斜面にそった方向の運動方程式を立てる
斜面下向きを正、加速度を とすると、
両辺を で割ると
手順 4: 数値を代入する
、 より
なので加速度は斜面下向きで、その大きさは有効数字 2 桁で である。
別解
斜面方向(すべり下りる向きを正)の運動方程式は 。垂直抗力は なので、動摩擦力は 。
よって 。
より 。。
。
検算: は 、摩擦力は 。差は で、 となり一致する。