GWCB011 問題3
問題文
等加速度直線運動と力学的エネルギーの保存
問題文
なめらかで傾きが一定の斜面がある。この斜面上の点 A から、質量 m の小物体を斜面に沿って上向きに初速度の大きさ v0 で滑らせた。小物体は斜面を上り、点 A からの斜面沿いの距離が L である最高点 B で一時的に静止したのち、再び斜面を滑り下りて点 A を通過した。
小物体が点 A を出発してから最高点 B に達するまでにかかった時間を t とするとき、t を表す式を求めよ。ただし、重力加速度の大きさを g とし、空気抵抗や斜面との間の摩擦はすべて無視できるものとする。
制約
- 初速度の大きさ v0: 6.00m/s
- 最高点までの距離 L: 4.50m
入力形式
時間 t を s 単位で求めたとき、その値を t0s とする。10×t0 の値を自然数で入力せよ。
解説
解説
考え方と立式
小物体には重力と斜面からの垂直抗力が作用しますが、垂直抗力は物体の移動方向と常に垂直であるため仕事をしません。また、摩擦や空気抵抗は無視できるため、小物体は等加速度直線運動を行います。
斜面に沿って上向きを正の向きとし、斜面沿いの加速度を a とします。
-
等加速度直線運動の速度と時間の関係 初速度が v0、加速度が a、時間 t における速度を v とすると、
v=v0+at最高点 B では一時的に静止するため、v=0 となります。
0=v0+at⟹at=−v0 -
等加速度直線運動の変位と時間の関係 時間 t における斜面沿いの位置(変位)L は、
L=v0t+21at2と表されます。ここで、at=−v0 の関係式を代入して整理します。
L=v0t+21(at)t=v0t+21(−v0)t=21v0tしたがって、時間 t は次のように表されます。
t=v02L
計算過程
与えられた数値 v0=6.00m/s、L=4.50m を代入します。
t0=6.002×4.50=6.009.00=1.50s求める値は 10×t0 です。
10×1.50=15したがって、入力すべき自然数は 15 です。