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 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 に向かって右向きに速さ で進んでいる。A は B に衝突し、その後 A と B は一体となって運動した。台車は同じ直線上だけを運動し、空気抵抗と面との摩擦は無視できるものとする。衝突後に一体となった A と B の速さは何 m/s か。有効数字 2 桁で求めよ。
この問題で使うもの
- 運動量保存則(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
- 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
- 作用反作用の法則とつり合う 2 力の区別
- 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
運動量保存則を使う。水平方向に外力の力積がはたらくかどうかをまず確かめよう。
ヒント 2
右向きを正とし、衝突後の速度を とおく。衝突前の運動量の和 と、衝突後の運動量の和 が等しい。
ヒント 3
という式になる。あとはこれを について解けばよい。
答えと解説
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解説を読む
運動量保存則が使えるか確かめる
衝突のあいだ、A と B が受ける力を、A と B をまとめた物体系の外からの力(外力)と、系の中の力(内力)に分けて考える。
- 重力と垂直抗力は鉛直方向の力で、つり合っている。
- 水平面はなめらかで、空気抵抗も無視できるので、水平方向には外力がはたらかない。
- A と B が押し合う力は内力である。この 2 力は作用・反作用なので大きさが等しく逆向きで、それぞれの力積は打ち消し合う。
したがって、水平方向には外力の力積がはたらかない。よって、水平方向について A と B の運動量の和は衝突の前後で変わらない(運動量保存則)。
式を立てる
右向きを正とし、衝突後に一体となった A と B の速度を とする。衝突前は、A の速度が 、B の速度が である。衝突後は、質量 の一つの物体が速度 で動くとみなせるので、運動量保存則より
解く
なので、一体となった A と B は右向きに進む。求める速さは である。
別解
衝突の前後で、A と B の系には水平方向の外力がはたらかないので、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。
衝突前の運動量の和は 。
衝突後の運動量の和は 。
運動量保存則より なので 。
検算:衝突後の運動量は で、衝突前と一致する。V は正なので右向きに進む。
よって速さは 。