仕事・エネルギーと運動量の問題
小球を、水平でなめらかな床から高さ の位置で静かにはなした。小球は鉛直に落下して床に垂直に衝突し、鉛直上向きにはね返って、床から高さ の位置まで上がった。重力加速度の大きさを とし、空気抵抗は無視する。また、小球の大きさは無視できるものとする。小球と床との間の反発係数 を求めよ。
この問題で使うもの
- 反発係数と床との衝突(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(48 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
- 静止摩擦力・最大摩擦力・動摩擦力
- 静止摩擦力と動摩擦力
- 仕事
- 運動エネルギーと仕事の関係
- 弾性力とフックの法則
- 重力と弾性力の位置エネルギー
- 運動の法則(運動方程式)
- 運動方程式
- 糸でつながれた物体の運動
- 力学的エネルギー保存則
- 反発係数と床との衝突
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
反発係数の定義 を使います。衝突直前と直後の速さを、力学的エネルギー保存則で高さから求めましょう。
ヒント 2
高さ から落ちたときの速さは 、高さ まで上がるための速さは です。よって となります。
ヒント 3
です。根号の中の分数を簡単にしてみましょう。
答えと解説
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解説を読む
方針:衝突直前の速さ と衝突直後の速さ をそれぞれ高さから求め、反発係数の定義に代入します。
(1) 衝突直前の速さ
落下中、小球には重力だけがはたらき、空気抵抗は無視できます。重力は保存力なので、力学的エネルギーが保存します。床を高さの基準にすると、はなした位置(速さ 、高さ )と衝突直前(速さ 、高さ )とで
(2) 衝突直後の速さ
はね上がる間も重力だけがはたらくので、力学的エネルギーが保存します。衝突直後の速さを 、最高点の高さを とすると、最高点では速さが なので
(3) 反発係数
鉛直下向きを正とすると、衝突直前の速度は 、衝突直後の速度は です。床は動かないので、反発係数の定義から
数値を代入すると
は約分されて消えるので、高さの比だけで が決まります。
したがって、 です。
別解
床に衝突する直前の速さは自由落下より ()。衝突直後の速さを とすると、はね返って高さ まで上がるので、力学的エネルギー保存より 。反発係数は 。検算: で一致する。