仕事・エネルギーと運動量の問題
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。
この問題で使うもの
- なめらかな床との斜めの衝突(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(49 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。
一覧で見る(前提が先)
- 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
- 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
- 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。