① 放物運動 - z会1 章 力学1 5 2.放物運動(水平投射・斜方投射)...

18
1章 重力のみを受ける物体の運動は,重力が作用する方向である鉛直方向の運動と,重力と直交する 方向,つまり,力が作用しない方向である水平方向の運動に分解すると考えやすい.まずは,物理 Ⅰのおさらいとして,鉛直方向のみの運動について簡単に述べる.続いて,鉛直方向だけでなく, 水平方向にも運動する場合について,運動の解析法を説明する.なお,等加速度運動についての理 解が曖昧な場合は,物理Ⅰで学習する等加速度運動について復習しながら読み進めてほしい. 1.自由落下・鉛直投げ上げ運動・鉛直投げ下ろし運動 重力下における鉛直方向の運動は,加速度が重力加速度(その大きさは通常 g と表す)である,等 加速度運動である. 【自由落下】 自由落下とは,重力下における,初速度(の大きさ)が0の等加速度運動である. ある位置を原点 O とする鉛直下向き正の y 軸をとり,速度,加速度は y + 向き(鉛直下向き) を正として,時刻 t 0 = の瞬間に原点 O から自由落下し始めた物体の運動について考えると,時 t の瞬間における物体の速度 v,および座標 y は,等加速度運動の式より,それぞれ次のよう に表される(初速度が0であることに注意). v gt = ,  y gt 2 1 2 = …………………………………………………………①      あるいは,y 軸を鉛直上向き正とし,速度,加速度は y + 向き(鉛直上向き)を正として考え る場合,時刻 t 0 = の瞬間に原点 O から自由落下し始めた物体の,時刻 t の瞬間における速度 vおよび座標 y は,等加速度運動の式より,それぞれ次のように表される. v gt =- ,  y gt 2 1 2 =- ……………………………………………………①l 【鉛直投げ上げ運動】 鉛直投げ上げ運動とは,初速度が鉛直上向きの場合の,重力下における運動のことである. 鉛直方向の運動を考える際,通常は,初速度の向きを正の向きとすることが多い.ここでは, 鉛直上向き正の y 軸をとり,速度,加速度は y + 向き(鉛直上向き)を正とすると,大きさ v 0 初速度で運動し始めた物体の,時刻 t の瞬間における速度 v,および座標 y は,等加速度運動の 式より,それぞれ次のように表される. v v gt 0 = - ,  y vt gt 2 1 0 2 = - ………………………………………………②      【鉛直投げ下ろし運動】 鉛直投げ下ろし運動とは,初速度が鉛直下向きの場合の,重力下における運動のことである. ここでは,鉛直下向き正の y 軸をとり,速度,加速度は y + 向き(鉛直下向き)を正とすると, 大きさ v 0 の初速度で運動し始めた物体の,時刻 t の瞬間における速度 v,および座標 y は,等加 速度運動の式より,それぞれ次のように表される(②の場合と座標軸の向きが異なることに注意). v v gt 0 = + ,  y vt gt 2 1 0 2 = + ………………………………………………③      ① 放物運動 力学1 学習時間のめやす 60 分 XQV51A-Z1Z1-01

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-
g
O y y+ t 0= O t v y
v gt= y gt 2 1 2= …………………………………………………………
y y+ t 0= O t v y
v gt= - y gt 2 1 2= - ……………………………………………………l
y y+ v0 t v y
v v gt0= - y v t gt 2 1
0
2= - ………………………………………………
y y+ v0 t v y
v v gt0= + y v t gt 2 1
0
a a Wm =
a gm m= ` a g=
g g g g g

O x y xy t 0= O x+ v0
x v0 t vx x xvxx v vx 0= x v t0= …………………………………………………………… y g t vyyyvyy v→ vy
v gty= y gt 2 1 2= …………………………………………………………
xyt x /t x v0= y
y g v x
XQV51A-Z1Z1-02
6

O x y xy t 0= O x+ i v0
x cosv0 i
tvxx xvx x v0 → cosv0 i
cosv vx 0= i cosx v t0= i^ h ………………………………………………… y sinv0 i g- t vyy y vyy v→ vyv0 → sinv0 i
sinv v gty 0= -i siny v t gt 2 1
0
2= -i^ h …………………………………
xy t x / cost x v0= i^ h y
sin cos cos
/sin cosv g0
t t0=
v 0y= vy
sinv gt0 0 0= -i ` sin t
g
cos sin sin cos
sin sin sin sinv

v0m/s irad /0 21 1i r O x y x+ y+ gm/s2 ts vym/s ym vy= y= vxm/s xm vx= x= s lml= irad =i m x+
rad

v x0 v y0 cosvv x0 0= i sinvv y0 0= i …………………… cosv vx0 0= i^ h sinv vy0 0= i^ h g-
t vx vy
cosvv vx x0 0= = i …………………………………… sinv gtv v gty y0 0= - = -i ………………………… x y
XQV51A-Z1Z1-0
sinv t gty v t gt 2 1
2 1
2= - = -i ………………
s st t2 = mmy 0 =
sinv t gt0 2 1
0 2 2
cos cos sin
v2 0 2 0
= = ii i
lsin2 1=i i
2 2
=i r `
4 = r
g
=
/4=i r s st t2 = vxm/s vym/s
cosv v v 4 2
1 x 0 0= =
g
v
0 #= - = -
4 r
←t2 ← sin2i
sin cos2= i i


v m F tD v v+D tD F a
a t
F= D
D ………………………………………………
[]#[] m[]#[]
t mv
F= D
D ^ h ……………………………………………………………………
[]#[] []=[] …………………………l m l l

v+ =
- D
D^ h ∴ m v v mv F t+ - =D D^ h …………………
[]#[] []#[] tD
30
XQV51A-Z1Z1-06
10
m mdv Fdt=
t t1= t t2= v v1 v2
mdv Fdt v
t t1= t t2= F F FF F t t2 1-^ h
XQV51A-Z1Z1-0
11
v0m/s mkg sst 0 = sst t0 = / sst t3 20 = N s$ = + v0 mFt0 v0= N s$ vm/s = + vmFt0 v= e=[]/[] e= e

XQV51A-Z1Z1-0
12
FtI t F 2 1
2 1
m m v I Ft 2 1
0 1 00$ = =- - ^^ hh
N sI2 $
2 3
4 1

mv m I Ft 4 1
0 2 0$ = =- ^ h
/
← [] []

m1 m2 F F- tD v1 V1 v2 V2 m V m v F t1 1 1 1- = D m V m v F t2 2 2 2- = - D
m V m v m V m v F t F t 02 2 2 21 1 1 1- - = + -+ =D D^ ^ ^^h h h h ` m V m V m v m v1 1 2 2 1 1 2 2+ = +
tD []


30
XQV51A-Z1Z1-10
1
[]/[] v1 v2 V1 V2 v v2 1- V V2 1- v v2 1- V V2 1- ee
e v v
e v v
e v v
XQV51A-Z1Z1-11
15
x mAkg A mBkg B vAm/svBm/s vv BA2 A B x- x+ A B AB vAlm/svBl m/sAB A B ee= AB vAlm/s vBlm/svA =l vB =l v 0A 1l e2 A x- vBl1=20 B x+ x-

m v m v m v m vA A B B A A B B+ = +l l ………………………
v v
A B= - - -l l
` v v e v vA B A B- = - -l l ^ h ………………………… + mB# vAl m m v m v m v em v vA B A A A B B B A B+ = + - -l^ ^h h
` m m
A B
+ - - l
^ h
mA# vBl m m v m v m v em v vB A B A A B B A A B+ = + + -l^ ^h h
m m
A B
+ + - l
^ h
v m m
A B
+ - - 1l
^ h
` m v m v em v v 0A A B B B A B+ - - 1^ h
` m v v
B A B
v vA B2 vBl v 0B 2l
e B x+
← e
XQV51A-Z1Z1-12
16
irad v0m/s lm hm A gm/s2
h1m AA
A

17
x y
.11 51 °]i F F-t t F50N
.cos 0 981]i sin 1i
.0 20] .7 2 65] x x+ y y+
kg ·m/s x y x y


x A BW x+ A B MA MB x
A B U AVA A B VB
AVAMAMBVBW
M M3B A= V W2A= UMAW
x- VC MCC A C e
ACVA lVC
lMAVA MCVCe
e 1= VA lVC
l
gm/s2
ts s0= ts vym/s ymvyy
sinv v gty 0= -i …………………………………………………………………
sin t gty v 2 1 2
0 $ -= i ……………………………………………………………
v 0y= t t0=
sinv gt0 0 0= -i ` sin t
g
v 0
0= i
y h1= /sint t v g0 0= = i^ h
m msin sin sin sin
g
d n
ts vxm/s xmvxx cosv vx 0= i
cosx v t v tx 0 $= = i …………………………………………………………… A lm t1s
cos tl v 10 $= i ` s cos
s v l
= i
t t1= hm y1m
sin t gty v 2 1
1 1
tan cos
l h g
-i i^ h
y 0= t t2=
sin t gtv 2 1
0 2 2
s g

sin sin sin
v v
0
m/s m/scos sin vv v v v vx y
2 2
km m1 103= h s1 602=
/ m/skm h s m
#
# = =
P m/skg$ kg m/s . 3.0 N. kg m/s sP 0 15 20 3 0 $ # $$= = =^ h
IN s$ N s . . . N sI F 0 10 50 0 10 5 0 $ # # $= = =
xy
x . . .sin N sI 5 0 0 20 1 01# # $=]i
y . . .cos N sI 5 0 0 98 4 91# # $=]i
x pxkg m/s$ y pykg m/s$ x
sinI p Px1= - -i ^ h
` kg m/s . .sinP Ip 3 0 1 0x 1 $ = - + = - +i
. kg m/s2 0 $= -
` kg m/s . kg m/scosp I 4 9y 1 $ $= =i
pkg m/s$ kg m/s . . . . kg m/sp p p 2 0 4 9 2 7 2 2 65 5 3x y
2 2 2 2 $ # $= + = + =] ]
vm/s . .p v5 3 0 15#=]^ h ` m/s . m/sv 35 3 35 = g]
XQV51A-Z1Z2-05
21
VB l A B x+
V VB A1l A B VB V VV V V A BB B A = -= - ll
` V V VB A B= -l
VA M M W M V M V M V M V VA B A A B B A A B A B+ = + = + -l^ ^h h
` W M M
U M V M V M M W 2 1
2 1
2 1
2 2 2= + - +lc ^m h' 1
M M WM V M V V 2 1
2 1
2 1
2 22 - += + -^ ^h h' '1 1 ………………
M M3B A= V W2A=
V W M M
M M3B A= V W2A=
M WU M W M W W M M W 2 1
2 2 1
2
2
2 2 $ $= + - - + =^ c ^h m h( '2 1
A x+ C x- A C A x- C
x+ x+
M V M V M V M VA A C C A A C C- = - +l l …………
e V V
l
1 A
A C
+ - - l
1 C
A C
+ + - l
l
2 A
A C
- - l
^ h
2 C
A C
+ - l
^ h
XQV51A-Z1Z2-06