仕事・エネルギーと運動量の問題
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。
この問題で使うもの
- 運動量保存則(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(42 技能)
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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。
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- 四則の混じった計算の順序
- 三角形・四角形の面積
- 分数のたし算・ひき算
- 小数の四則計算
- 正負の数の加法・減法
- 分数のかけ算・わり算
- 正負の数の乗除・累乗と四則混合
- 約数の見つけ方
- 素因数分解と約数の個数
- 平方根の意味と根号の簡単化
- 三平方の定理
- 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
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
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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。