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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

なめらかで水平な床に、小球が斜めに衝突してはね返った。衝突の直前の小球の速度は、水平成分の大きさが 、鉛直成分の大きさが (下向き)であった。小球と床のあいだの反発係数を とする。衝突は一瞬で終わるものとし、空気抵抗は無視する。はね返った直後の小球の速さは何 か。有効数字 2 桁で答えよ。

なめらかな床
衝突の直前の小球の速度とその成分

この問題で使うもの

この問題を解けるようになるまで(49 技能)
算数中学高校大学大学院

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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. 静止摩擦力・最大摩擦力・動摩擦力
  39. 静止摩擦力と動摩擦力
  40. 仕事
  41. 運動エネルギーと仕事の関係
  42. 弾性力とフックの法則
  43. 重力と弾性力の位置エネルギー
  44. 運動の法則(運動方程式)
  45. 運動方程式
  46. 糸でつながれた物体の運動
  47. 力学的エネルギー保存則
  48. 反発係数と床との衝突
  49. なめらかな床との斜めの衝突

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

技能「なめらかな床との斜めの衝突」を使う。速度を床に平行な成分と垂直な成分に分けて、それぞれ衝突でどう変わるかを考えよう。

ヒント 2

床がなめらかなので、床に平行な成分は変わらない。床に垂直な成分だけが 倍の大きさで逆向きになる。

ヒント 3

衝突直後の水平成分は 、鉛直成分は上向きに 。あとはこの 2 つの成分から速さを求める。

答えと解説

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解説を読む

衝突の直前の速度を、床に平行な成分(水平成分)と床に垂直な成分(鉛直成分)に分けて考える。

床に平行な成分
床はなめらかなので、摩擦力ははたらかない。衝突のあいだに小球が床から受ける力は、床に垂直な垂直抗力だけである。このため、水平方向には力がはたらかず、水平成分は衝突の前後で変わらない。

床に垂直な成分
垂直な成分だけが反発係数 の定義 にしたがって変わる。上向きを正とすると、衝突直前の鉛直成分は なので

となり、上向きに ではね返る。

はね返った直後の速さ
2 つの成分は直交しているので、三平方の定理より

よって、はね返った直後の速さは である。

別解

床がなめらかなので、床に平行な方向には力がはたらかず、水平成分は変化しない。よって、はね返った直後の水平成分は である。
鉛直成分は反発係数の定義から、はね返った直後の大きさ (上向き)となる。
したがって、はね返った直後の速さは である。
検算:衝突前の速さは で、衝突後は なので減少しており、反発係数 の非弾性衝突として妥当である。また、運動エネルギーは から に減っており、増えていないので矛盾しない。

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