仕事・エネルギーと運動量の問題
水平な床から高さ の位置で小球を静かにはなした。小球は鉛直に落下して床に垂直に衝突し、鉛直上向きにはね返った。小球と床との間の反発係数(はね返り係数)は である。小球は、はね返ったあと床から何 m の高さまで上がるか。有効数字 2 桁で求めよ。ただし、重力加速度の大きさを とし、空気抵抗は無視する。小球の大きさも無視する。
この問題で使うもの
- 反発係数と床との衝突(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(48 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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- 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
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- 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
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- 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
- 静止摩擦力・最大摩擦力・動摩擦力
- 静止摩擦力と動摩擦力
- 仕事
- 運動エネルギーと仕事の関係
- 弾性力とフックの法則
- 重力と弾性力の位置エネルギー
- 運動の法則(運動方程式)
- 運動方程式
- 糸でつながれた物体の運動
- 力学的エネルギー保存則
- 反発係数と床との衝突
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
反発係数の定義 と、落下・上昇での力学的エネルギー保存を組み合わせる。
ヒント 2
衝突直前の速さは 、はね返った直後の速さはその 倍になる。上がる高さは で求められる。
ヒント 3
となり、 は消える。あとは 、 を代入する。
答えと解説
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解説を読む
鉛直上向きを正とし、重力加速度の大きさを 、はなした高さを 、反発係数を とする。
1. 衝突直前の速さ
空気抵抗を無視するので、落下中に仕事をするのは重力(保存力)だけである。したがって力学的エネルギーが保存する。床を重力による位置エネルギーの基準とし、衝突直前の速さを とすると
衝突直前の速度は下向きなので である。
2. 反発係数の式を使う
はね返った直後の速度を とすると、反発係数の定義から
なので、はね返った直後は上向きに速さ で動く。
3. はね上がる高さ
上昇中も仕事をするのは重力だけなので力学的エネルギーが保存する。最高点(速さ )の高さを とすると
これは を書きかえた式でもある。
4. 数値を代入
よって、小球は床から の高さまで上がる。
別解
衝突直前の速さを とすると、力学的エネルギー保存より より 。反発係数 より、衝突直後の速さは 。はね返り後の最高点の高さを とすると なので 。検算:、。よって 。