仕事・エネルギーと運動量の問題
なめらかな水平面上の一直線上で、質量 の小球 A が右向きに速さ で進み、静止している質量 の小球 B に正面衝突した。A と B のあいだの反発係数(はねかえり係数)は である。衝突の前後で、2 球は同じ直線上を運動するものとする。右向きを正として、衝突直後の小球 B の速度は何 m/s か。有効数字 2 桁で求めよ。
この問題で使うもの
- 2 物体の正面衝突(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(52 技能)
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- 三角形の相似条件と対応する辺の長さ
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- 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
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- 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
- 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
- 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
- 2 物体の正面衝突
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
「2 物体の正面衝突」の技能を使います。運動量保存則の式と、反発係数の式 の 2 本を立てて連立します。
ヒント 2
衝突直後の速度を , とおくと、運動量保存則は 、反発係数の式は です。
ヒント 3
2 式は と になります。辺々を加えると が求まるので、それを代入して を求めましょう。
答えと解説
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解説を読む
右向きを正とし、衝突直後の A, B の速度をそれぞれ , (単位 m/s)とする。
1. 運動量保存則の式を立てる
水平面はなめらかで、水平方向には外力がはたらかない(重力と垂直抗力は鉛直方向でつり合っている)。衝突のとき A と B がおよぼし合う力は作用・反作用で内力なので、2 球全体の運動量は保存する。
2. 反発係数の式を立てる
反発係数の式 に、, , を代入する。
3. 連立して解く
より
これを に代入すると
(確かめ: に代入すると となり成り立つ。)
よって、衝突直後の B の速度は右向きに 、すなわち m/s である。
別解
右向きを正とし、衝突後の A, B の速度をそれぞれ , とする。
運動量保存則より
すなわち …①
反発係数の式より
よって …②
①+②×2 より なので 。
このとき 。
検算:運動量は、衝突前が 、衝突後が で一致する。相対速度は、衝突前が 、衝突後が で、その比は となり条件を満たす。
運動エネルギーは、衝突前が 、衝突後が で、減少しているので矛盾しない。
したがって、衝突直後の B の速度は右向きに 、すなわち 。