等加速度直線運動の公式の導出 等加速度直線運動における有名な公式を3つ導出します。暗記必須です。 x x 軸上での一次元運動を考えます。時刻 t t における速度,位置を v ( t), x ( t) v(t), x(t) で表すことにします。加速度については一定なので, a ( = a (= const. )) とします。 初期条件として, v ( 0) = v 0, x ( 0) = x 0 v(0) = v_0, x(0) = x_0 とします。このとき,一般の v ( t), x ( t) v(t), x(t) を求めます。ちなみに,速度の初期条件を 初速度 ,位置の初期条件を 初期位置 などと呼ぶことがあります。 d v ( t) d t = a ( = const. ) \dfrac{dv(t)}{dt} = a (= \text{const. })
2015/9/13 2020/8/16 運動 前の記事では,等加速度直線運動の具体例として 自由落下 鉛直投げ下ろし 鉛直投げ上げ を考えました. その際, 真っ先に「『鉛直下向き』を正方向とします.」と書いてきました が,もし「鉛直上向き」を正方向にとるとどうなるでしょうか? 一般に, 物理では座標をおいて考えることはよくあります. この記事では, 最初に向きを決める理由 向きを変えるとどうなるのか を説明します. 「速度」,「加速度」,「変位」などは 大きさ 向き を併せたものなので, 「速度」や「変位」はベクトルを用いて表すことができるのでした. さて,東西南北でも上下左右でも構いませんが,何らかの向きの基準があるからこそ「北向き」や「下向き」などと表現できるのであって,何もないところにポツンと「矢印」を置かれても,「どっちを向いている」と説明することはできません. このように,速度にしろ変位にしろ,「向き」を表現するためには何らかの基準がなければなりません. そこで,矢印を置いたところに座標が書かれていれば,矢印の向きを座標で表現できます. 等 加速度 直線 運動 公式ブ. このように,最初に座標を決めておくと「向き」を座標で表現できて便利なわけですね. 前もって座標を定めておくと,「速度」,「加速度」,「変位」などの向きが座標で表現できる. 向きを変えるとどうなるか 前回の記事の「鉛直投げ上げ」の例をもう一度考えてみましょう. 重力加速度は$9. 8\mrm{m/s^2}$であるとし,空気抵抗は無視する.ある高さから小球Cを速さ$19. 6\mrm{m/s}$で鉛直上向きに投げ,小球Cを落下させると地面に到達したとき小球Cの速さは$98\mrm{m/s}$であることが観測された.このとき, 小球Cを投げ上げた地点の高さを求めよ. 地面に小球Cが到達するのは,投げ上げてから何秒後か求めよ. 前回の記事では,この問題を鉛直下向きに軸をとって考えました. しかし,初めに決める「向き」は「鉛直上向き」だろうが,「鉛直下向き」だろうが構いませんし,なんなら斜めに軸をとっても構いません. とはいえ,鉛直投げ上げの問題では,物体は鉛直方向にしか運動しませんから,「鉛直上向き」か「鉛直下向き」に軸をとるのが自然でしょう. 「鉛直下向き」で考えた場合 [解答] 「鉛直下向き」を正方向とし,原点を小球Aを離した位置とます.
力学で一番大事なのは、 ニュートンが考え出した運動方程式 「ma=F」 です。 (mは質量、aは加速度、Fは物体に働く力) 平たく言うと、質量×加速度の値が、その物体に働く力を全て合わせたものに等しいということです。例えば50kgの人が100Nの力で引っ張られているとすると、人は引っ張られている方向に2m/s^2の加速度を持ちます。 この運動方程式が、今日の力学、物理学の基本になっています。 基本的に加速度はこの式で求めます。この加速度を積分する事で、求めなければならない速度や、位置を、時間tの式の形で求めるのです。 等速度運動、等加速度運動ではどうなる?
6mのところから,小球を水平に14. 7m/sで投げた。重力加速度の大きさを9. 8m/s 2 として,次の各問に答えなさい。 (1)小球が地面に達するのに何秒かかるか。 (2)小球が地面に達したとき,小球を投げた場所から何m先まで進んでいるか。 (3)小球が地面に達したときの小球の速さを求めよ。 解答 水平投射や斜方投射の問題を解くときは,水平方向と鉛直方向を分けて考えます。 水平投射は,水平方向が等速直線運動,鉛直方向が自由落下です。 (1) 小球が地面に落ちるまでの時間を考えればよいので,鉛直方向を考えます。 鉛直方向は自由落下なので,19. 6mの高さから小球を自由落下させる問題と同じです。 $$\begin{eqnarray}x&=&v_0t+\frac{1}{2}at^2\\ 19. 6&=&0+\frac{1}{2}×9. 8×t^2\\ t^2&=&4\\ t&=&2\end{eqnarray}$$ ∴2秒 (2) (1)より, 小球が地面に達するのに2秒 かかることが分かっているので, 小球は2秒間進んだ ことになります。 水平方向は等速直線運動なので,単純に,速さ×時間が進んだ距離です。 $$x=14. 7×2\\ x=29. 4$$ ∴29. 4m (3) 地面に達したときの速さとは,水平方向でも鉛直方向でもなく,斜め方向の速さのこと を指しています。 斜め方向の速さを求めるためには,地面に達したときの水平方向と鉛直方向の速さを求め, 三平方の定理 等を使えばよいです。 水平方向は等速直線運動なので,速さは14. 7m/sのままです。 鉛直方向は自由落下なので,t=2秒を使って $$v=v_0+at\\ v=0+9. 8×2\\ v=19. 6$$ と求めます。 あとは,14. 7と19. 6を用いて三平方の定理を使えばよいのですが,14. 6はそれぞれ4. 9×3と4. 9×4であり, 3:4:5の三角形である ことが分かるので, $$4. 【力学｜物理基礎】等加速度直線運動｜物理をわかりやすく. 9×5=24. 5$$ ∴24.
回答受付が終了しました 物理でやる等加速度直線運動の変位と速さの公式って微分積分の関係にあると数学でやったんですが微分積分の関係にあるとどういう意味があるんですか?また運動エネルギーや静電エネルギーなど二分の一◯2乗みたいなの も運動量や電気量と同じ関係があったりしますか? 教科書か何でもいいので変位、速度、加速度の定義を調べてください。「速度は単位時間当たりの変位のことであり、加速度は単位時間当たりの速度のことある」のような記述がされていると思います。つまり速度vは微小時間Δt、微小変位Δxを用いて、 v=Δx/Δt と表されます。これをΔ→0の極限をとれば、微分形式 v=dx/dt で表されます。加速度についても同様です。 仕事についても定義に一度振り返ると、 「一定の力Fで運動する物体が距離sだけ移動したときに物体がする仕事Wは W=Fs となる」 一定の力ではなく力FがF=F(x)のように距離によって変化するのであれば求める仕事は W=∫F(X) ds となります。これを用いることで、運動エネルギーを導出することができるため、一度導出してみることをお勧めします。 静電気力(クーロン力)、万有引力、重力、弾性力は保存力であり、これらの仕事はポテンシャルエネルギーと言われます。この保存力による仕事をW_とおくと、 W+W_=0 ∴W_=-W となります。 よってポテンシャルエネルギーは物体がする仕事の負の値になるのです。 変位を時間微分すると速度になります。 エネルギーは仕事を定積分して計算するので積分の公式で二分の一という係数が出てきます。2乗になるのも積分した結果ですね。
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