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、その右側に静止している質量 の小球 B に正面衝突した。A と B のあいだの反発係数は 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し、面との摩擦や空気抵抗は無視する。右向きを正として、衝突直後の A 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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- 四則の混じった計算の順序
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- 分数のたし算・ひき算
- 小数の四則計算
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- 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
- 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
技能「2 物体の正面衝突」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しょう。
ヒント 2
衝突後の速度を , とおき、 と を立てます。
ヒント 3
2 式は と です。2 式を足すと が消えます。
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 , [m/s] とおく。
運動量保存則: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 が及ぼし合う力は作用・反作用の内力なので、A と B を合わせた物体系の水平方向の運動量は保存される。衝突前の B の速度は なので
反発係数の式: に , , を代入して
連立する: より が消えて
なお から となり、B は A より速く右へ進むので、衝突後に 2 球がすり抜けるような矛盾はない。
よって、衝突直後の A の速度は右向きに 、すなわち である。
別解
右向きを正とし、衝突直後の A、B の速度をそれぞれ , とする。
運動量保存則より、 なので …①
反発係数の式より、 なので …②
①に を代入すると 、よって m/s、 m/s。
検算:運動量は衝突前 、衝突後 で一致する。相対速度は衝突前 、衝突後 で、比は となり条件を満たす。
また、運動エネルギーは衝突前 J、衝突後 J で減少しており、矛盾しない。
答え: m/s(右向き)