東大物理 '08 年前期 [1] 質量 m の箱が摩擦のない滑らかな水平面上に静止していたとする。この箱を、時刻 0 から移動させ始めてちょうど時刻 T に距離 L だけ離れた地点を通過させることを考えよう。 A , B , C の 3 人がそれぞれ別々の力の加え方をして箱を移動させた。Aの箱は最初から最後まで一定の加速度で運動した。 B の箱は距離 の中間地点まで一定の加速度で加速し、中間地点以降はその時の速度で等速度運動をした。 C はばねを用いて移動させた。図 1 のように、ばねが自然長の状態で箱がゴール地点にあるようにセットし、そこからばねを長さ L だけ縮めて初速 0 で離した。 A , B , C 全ての場合において、箱は時刻 0 で静止した状態から動き始め、一直線上を同じ向きに進み、時刻 T にスタート地点から同じ距離 L だけ離れた地点を通過した。 T C が用いたばねのばね定数 k を m , T を用いて表せ。
U A, B , C それぞれの場合について、箱の速さ を時刻 t ( )の関数としてグラフにし、各々の場合の時刻 T における速さ を T , L を用いて表せ。 V A , B , C それぞれの場合について、時刻 T までに箱にした仕事を m , T , L を用いて表し、どの場合最も仕事が少なかったか答えよ。またそれぞれの場合について、箱にした仕事とUで求めた速さ との関係を求めよ。 W 箱を静止した状態から動かし始め、最小の仕事でちょうど時刻 T に距離 L だけ離れたところを通過させるための力の加え方を求めたい。ただし、箱に加えることのできる最大の力を とし、 は A , B , C の加えたどの力よりも大きいとする。また運動の向きと逆向きの力を加えることはないとする。箱にする仕事が最小の場合について、箱に加えた力 の時間変化をグラフにし、時刻 T までに箱にした仕事を答えよ。 【広告】ここから広告です。ご覧の皆さまのご支援ご理解を賜りたく、よろしくお願いいたします。
【広告】広告はここまでです。
解答 簡単ですが、やることは多いので忙しい問題です。意地悪な問題文に眩惑されないように注意してください。Uでは、 変位・速度・加速度 を参照してください。 でも、急発進を奨励しているような問題で、交通安全上は問題では? T ばねを L 縮めたときのばねの 位置エネルギー は ,箱がゴール地点にあるときの箱の 速さ を v として、箱の 運動エネルギー は 系の エネルギー を奪うような 外力 は存在せず、 力学的エネルギー が保存されるので、
∴ ・・・@ ばねが行う 単振動 の 振幅 は L (自然長の位置は単振動の振動中心です ) で、ばねの 角振動数 を ω として、 単振動 の公式より、 @と比べて、 単振動の 周期 は で、単振動の公式より、 ∴ ......[ 答 ] U A について、
∴ 時刻 t における 速さ は、 グラフは右図。 おける 速さ は、 ......[ 答 ] B について、
∴ における 速さ は、 においては、この 速さ で等速度運動で 距離 進むので、 ∴ における 速さ は、 における 速さ は、 グラフは右図。 における 速さ は、 ......[ 答 ] C について
に振動端 にいて、 に振動中心 にくるので、箱の 位置 x は、 グラフは右図。 における 速さ は、 ......[ 答 ] V A , B , C の 3 人が加える 力 以外に、 エネルギー を奪う 外力 が存在しないので、 時刻 T までに箱にした 仕事 は全て、 の 運動エネルギー となります。従って、 3 つの場合のいずれにおいても、箱にした 仕事 W は、 ......[ 答 ] A について、 B について、 C について、 より、最も 仕事 が少なかったのは、 B ......[ 答 ] W Vより、最初に最大の 力 で一気に加速 して、あとは等速度運動 で進む、というのが、最小の 仕事 で一定の 時間 T の間に 距離 L 進む、 力 の加え方です。 最大の 力 をかけているとき、 加速度 を として、 の間、最大の 力 をかけるとして、 における 位置 , 速さ は、 , において、 速さ で等速度運動して進む 距離 は、 ∴ 整理して、
∴ なので、複号はマイナスの方を取り、 従って、 仕事 が最小の場合の 力 の加え方は、 において、 において、 グラフは右図。 時刻 t までにした 仕事 W は、 ......[ 答 ] 【広告】ここから広告です。ご覧の皆さまのご支援ご理解を賜りたく、よろしくお願いいたします。
【広告】広告はここまでです。
東大物理 TOP 物理 TOP TOP ページに戻る 【広告】ここから広告です。ご覧の皆さまのご支援ご理解を賜りたく、よろしくお願いいたします。
【広告】広告はここまでです。 各問題の著作権は 出題大学に属します。 © 2005-2024 (有)りるらる 苦学楽学塾 随時入会受付中! 理系大学受験ネット塾 苦学楽学塾 (ご案内はこちら )ご入会は、 まず、こちらまでメール を お送りください。