力学的エネルギー保存則 1
質量
m [
kg ]
のある小球を,地上から高さ
h [ m ]
の位置で速さ
v
0
[
m/s ]
で鉛直上向きに投げ上げた.
ただし,重力加速度の大きさを
g [
m/s
2
]
として,空気抵抗は無視できるものとする.また,地上を位置エネルギーの基準とする.
解答
解説
小球は,投げ上げた点では運動エネルギー
12
mv02
と位置エネルギー
mgh
をもっているため,力学的エネルギーはこれらの和である.
一方,最高点では速度の鉛直成分が
0
となる.今,小球の速度は鉛直成分のみであるから,最高点における小球の速さは
0
となる.よって,最高点での力学的エネルギーは位置エネルギー
mgh′
のみである.投げ上げた点での力学的エネルギーと最高点での力学的エネルギーが等しいという式を立てると
12
mv02
+mgh
=mgh′
となる.
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(2)
最高点の高さ
h′
[ m ]
を求めよ.
解答
解説
(
1
)
で求めた式を
h′
について解くと
h′=
1
mg
(
mgh+
1
2
m
v
0
2
)=h+
v
0
2
2g
[ m ]
を得る.
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(3)
最高点から落下して地上に達したときの小球の速さを
v [m/s]
として,投げ上げた点と地上に達した点について力学的エネルギー保存の法則を書け.
解答
解説
位置エネルギーの基準は地上であるので,最高点から落下して地上に達したときの位置エネルギーは
0
である.よって,地上に達したときの力学的エネルギーは運動エネルギー
12
mv2
のみである.投げ上げた点での力学的エネルギーと地上に達した点での力学的エネルギーが等しいという式を立てると
12
mv02
+mgh=
12
mv2
となる.
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(4)
地上に達したときの小球の速さ
v [m/s]
を求めよ.
解答
解説
(3)
で求めた式を
v
について解くと,
v2
=
2m
12
m
v02
+
mgh
=
v02
+2gh
となり,
v>0
より
v=
v02
+2gh
が求まる.
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2020年10月24日