円運動・単振動・万有引力の問題
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。
この問題で使うもの
- 単振動の変位・速度・加速度の式(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(25 技能)
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ヒント
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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。