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仕事・エネルギーと運動量の問題

難易度 1教科書の例題レベル高校物理 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 A と、質量 の台車 B が一直線上に置かれている。B は静止しており、A は B の左側から右向きに速さ で進んで B に衝突した。衝突後、A と B は一体となって一直線上を動いた。台車と水平面のあいだの摩擦と空気抵抗は無視できるものとする。衝突後の一体となった A と B の速さは何 m/s か。有効数字 2 桁で求めよ。

AB(静止)

この問題で使うもの

この問題を解けるようになるまで(42 技能)
算数中学高校大学大学院

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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
  41. 作用反作用の法則とつり合う 2 力の区別
  42. 運動量保存則

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

運動量保存則を使います。A と B をひとまとまりの系とみて、水平方向に外力の力積がはたらくかどうかを確かめましょう。

ヒント 2

衝突後は一体となるので、速度は 1 つの文字 で表せます。式は です。

ヒント 3

右向きを正とすると、衝突前の運動量の和は です。これが に等しくなります。

答えと解説

答えを見る
結果を記録する(このブラウザにだけ保存されます):
解説を読む

右向きを正とします。

運動量保存則が使えるか確かめる

A と B をひとまとまりの物体系として考えます。衝突のとき A と B がおよぼし合う力は作用・反作用の関係にある内力なので、系全体の運動量を変えません。外力は重力と垂直抗力ですが、どちらも鉛直方向の力で、水平方向の成分をもちません。また、面はなめらかで摩擦はなく、空気抵抗も無視できます。したがって、水平方向には外力の力積がはたらかないので、水平方向の運動量の和は保存されます。

衝突前の運動量の和

衝突後の運動量の和

一体となった A と B の速度を とすると、質量は なので、運動量の和は です。

運動量保存則の式を立てて解く



なので、一体となった A と B は右向きに動きます。その速さは です。

別解

水平方向には外力がはたらかない(なめらかな水平面で摩擦・空気抵抗は無視)ので、衝突の前後で運動量が保存される。右向きを正とし、衝突後の速さを とする。

より 。

検算:衝突前の運動量は 、衝突後は で一致する。また運動エネルギーは、衝突前が 、衝突後が で減少しており、完全非弾性衝突として矛盾しない。

答えは (向きは右向き)。

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