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円運動・単振動・万有引力の問題

難易度 1教科書の例題レベル高校物理 円運動・単振動・万有引力

物体が 軸上で、原点 O を中心に振幅 、周期 の単振動をしている。時刻 における物体の変位は ( は振幅、 は角振動数)で表される。この物体の速さの最大値は何 m/s か。円周率 を用いて答えよ。

O
太線は物体が振動する範囲、破線の円は対応する等速円運動

この問題で使うもの

この問題を解けるようになるまで(25 技能)

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

単振動の速度の式 を使い、速さの最大値が何で表されるかを考えましょう。

ヒント 2

の最大値は なので、速さの最大値は です。角振動数は で求められます。

ヒント 3

です。これと を に代入しましょう。

答えと解説

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解説を読む

単振動は、半径 の等速円運動を直線上に正射影した運動とみなせます。変位を とすると、速度は

です。 は から の値をとるので、速さの最大値は です(振動の中心 O を通過するときに最大になります)。

手順 1:角振動数を求める。 周期 と角振動数 の関係 より

手順 2:最大の速さ を計算する。 なので

よって、速さの最大値は (約 )です。

別解

角振動数は rad/s。速度は変位の時間変化率なので 。速さの最大値は のとき(原点を通過するとき)で、 m/s。検算:エネルギー保存より 、 から となり一致する。

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