GWCB011 問題4
問題文
等加速度直線運動をする物体の移動距離と平均の速さ
問題文
直線上の舗装道路を運動している自動車がある。この自動車は、点 A をある速さで通過した直後から一定の加速度で加速し始め、一定の時間だけ運動して点 B に到達した。点 B を通過したときの自動車の速さは、点 A を通過したときの速さの一定倍になっていた。
このとき、自動車が点 A から点 B まで移動する間に進んだ距離を求めよ。ただし、自動車は質点として扱えるものとし、空気抵抗やタイヤの滑りは無視できるものとする。
制約
- 点 A を通過したときの速さ v0: 12.0m/s
- 加速にかかった時間 t: 5.00s
- 点 B での速さと点 A での速さの比 k: 2.00
入力形式
自動車が点 A から点 B までに移動した距離を xm とする。x の値を自然数で入力せよ。
解説
解説
考え方と立式
自動車は一定の加速度で直線運動(等加速度直線運動)を行っています。
点 A を通過した瞬間を時刻 t=0 とし、自動車の進行方向を正の向きとします。 点 A での速さを v0、時刻 t における速さを v、加速度を a とすると、等加速度直線運動の速度と時間の関係式は次のように表されます。
v=v0+at問題の条件より、時刻 t における速さ v は点 A での速さ v0 の k 倍であるため、
v=kv0となります。これらを等式で結ぶと、加速度 a は次のように求められます。
kv0=v0+at⟹a=t(k−1)v0等加速度直線運動における変位(移動距離)x と時間の関係式は、
x=v0t+21at2です。ここに求めた加速度 a を代入して整理します。
x=v0t+21(t(k−1)v0)t2=v0t+21(k−1)v0t=21+kv0tなお、この式は「等加速度直線運動における平均の速さ vˉ=2v0+v=21+kv0」に時間 t を掛け合わせたものに相当します。
計算過程
与えられた数値 v0=12.0m/s, t=5.00s, k=2.00 を代入します。
x=21+2.00×12.0×5.00=23.00×60.0=90.0mしたがって、入力すべき自然数は 90 です。