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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 を中心に単振動をしている。振幅は 、周期は である。この物体の速さの最大値は何 か。円周率は とし、有効数字 2 桁で答えよ。

振動の中心 O と振幅のようす

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

単振動を等速円運動の正射影とみて、速度の式 を使います。まず角振動数 が必要です。

ヒント 2

周期と角振動数の関係 を使います。また、 の最大値は なので、速さの最大値は です。

ヒント 3

です。これに振幅 を掛けて計算しましょう。

答えと解説

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解説を読む

単振動は、半径 (振幅)、角速度 (角振動数)の等速円運動を、直径の方向に正射影した運動です。時刻 に原点を通るとすると、変位と速度は

と表せます。

手順 1:周期から角振動数を求める

周期 と角振動数 の関係 より

手順 2:速さの最大値を求める

で、 の値は 以上 以下です。したがって、速さ が最大になるのは のとき、つまり振動の中心 を通るときです。その最大値は

これは、もとの等速円運動の速さ ()と同じ値です。

有効数字 2 桁に丸めると です。

別解

単振動の角振動数は 。速さの最大値は 。有効数字 2 桁に丸めると 。検算: に代入すると となり、一致する。

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