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仕事・エネルギーと運動量の問題

難易度 1教科書の例題レベル高校物理 仕事・エネルギーと運動量

なめらかな水平面上で、質量 の台車 A が右向きに速さ で、質量 の台車 B が左向きに速さ で、同じ一直線上を互いに近づくように進んでいる。A と B は衝突した瞬間に連結し、その後は一体となって一直線上を進んだ。空気抵抗は無視する。右向きを正として、連結後の一体となった台車の速度は何 m/s か。有効数字 2 桁で求めよ。

AB

この問題で使うもの

この問題を解けるようになるまで(42 技能)
算数中学高校大学大学院

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右端(太枠)がこの問題で使う技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。

一覧で見る(前提が先)
  1. 四則の混じった計算の順序
  2. 三角形・四角形の面積
  3. 分数のたし算・ひき算
  4. 小数の四則計算
  5. 正負の数の加法・減法
  6. 分数のかけ算・わり算
  7. 正負の数の乗除・累乗と四則混合
  8. 約数の見つけ方
  9. 素因数分解と約数の個数
  10. 平方根の意味と根号の簡単化
  11. 三平方の定理
  12. 特別な直角三角形の辺の比
  13. 小数と分数のまじった計算
  14. 最大公約数と最小公倍数
  15. 比の性質と簡単な比
  16. 三角形の角の大きさ
  17. 相似な三角形と長さの比
  18. 対頂角と平行線の同位角・錯角
  19. 三角形の相似条件と対応する辺の長さ
  20. 三角比の定義と値
  21. 三角形の外角と角の組み合わせ
  22. 逆算(□ を求める)
  23. 分配法則を使った計算のくふう
  24. 文字式の計算(同類項・分配法則)
  25. 1 次方程式の解き方
  26. 二等辺三角形の角
  27. 平行四辺形と特別な四角形の性質
  28. 乗法公式による展開
  29. 折り返した図形の角と長さ
  30. 三平方の定理と平面図形
  31. ベクトルの演算と成分
  32. 重力と力の大きさ
  33. 2 力のつり合いと作用・反作用
  34. 力の種類とはたらき
  35. 重力・垂直抗力・張力の性質
  36. 慣性の法則と力のつり合い
  37. 力の分解と質点のつり合い
  38. 運動の法則(運動方程式)
  39. 運動方程式
  40. 運動量と力積
  41. 作用反作用の法則とつり合う 2 力の区別
  42. 運動量保存則

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

運動量保存則を使う。A と B をひとまとまりの物体系とみて、水平方向に外力の力積がはたらくかどうかを確かめよう。

ヒント 2

右向きを正とするので、左向きに進む B の速度は として、 に代入する。

ヒント 3

衝突前の運動量の和は 。これが連結後の に等しい。

答えと解説

答えを見る
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解説を読む

運動量保存則が使える理由

衝突のあいだ、A と B は互いに力をおよぼし合うが、これは A と B からなる物体系の内力である。外力は重力と垂直抗力で、どちらも鉛直方向にはたらくので、水平方向の力積は与えない。面はなめらかで摩擦がなく、空気抵抗も無視するので、水平方向には外力の力積がはたらかない。したがって、A と B 全体の水平方向の運動量は保存する。

衝突前の運動量

右向きを正とすると、A の速度は 、B の速度は左向きなので である。

衝突後の運動量

連結後の速度を とすると、質量 の物体が速度 で進むので、運動量は である。

運動量保存則の式



は正なので、連結後の台車は右向きに速さ で進む。よって、求める速度は である。

別解

衝突前後で運動量が保存される。右向きを正とすると、衝突前の運動量の和は 。連結後の速度を とすると、 より 。
検算:連結後の運動量は で、衝突前と一致する。 なので右向きに進む。

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