物理基礎:等加速度直線運動(練習問題)

<ポイント>
・問題文より、各時刻における運動のようすを読み取る
・〔等加速度直線運動〕瞬間の速さ v = v0 + at
・「v-tグラフ」で、「x軸とグラフで囲まれた部分の面積は移動距離となる」
〔問題〕
x軸上を運動する物体の運動について考えます。時刻 t=0s に初速度 0m/s で出発し、以下のように加速度を変化させながら運動したとする。

・ 0≦t<5.0 加速度 0.80m/s2の等加速度直線運動
・ 5.0≦t<15.0 等速直線運動
・ 15.0≦t≦25.0 加速度 -0.40m/s2の等加速度直線運動

(1) 5.0≦t<15.0 の等速直線運動をしているときの、物体の速度 v2 を求めなさい。
(2)t=5.0s, 15.0s, 25.0s のときの物体の位置 x1, x2, x3 をそれぞれ求めなさい。

〔解説〕
まずは、各区間において、どのような運動をしているのかを確認します。
・ 0≦t<5.0 加速度 0.80m/s2の等加速度直線運動
 →速度 0 の状態から加速していく(加速度が正のため)

・ 5.0≦t<15.0 等速直線運動
 → 0≦t<5.0 で加速したあとの速度を維持している

・ 15.0≦t≦25.0 加速度 -0.40m/s2の等加速度直線運動
 →速度がある状態から減速していく(加速度が負のため)

(1) 5.0≦t<15.0 の等速直線運動をしているときの、物体の速度 v2 を求めなさい。

はじめの 0≦t<5.0 の間に加速した速度のまま、 5.0≦t<15.0 の間に等速直線運動をします。
したがって、t = 5.0s のときの速度を求めればOKです。

v = v0 + at より、
v2 = 0 + 0.80・5.0 = 4.0m/s

(2)(2)t=5.0s, 15.0s, 25.0s のときの物体の位置 x1, x2, x3 をそれぞれ求めなさい。

等速直線運動と等加速度直線運動が続く問題では、「v-tグラフ」を描くと分かりやすいです。
(特に問題で指示がなくても、「描いてみる」という習慣をつけましょう)
等加速度直線運動練習
「v-tグラフ」で、「x軸とグラフで囲まれた部分の面積は移動距離となる」ことを利用します。

x1 = (1/2)・5.0・4.0 = 10.0[m]
x2 = x1 + 4.0・10.0 = 50.0[m]
x3 = x2 + (1/2)・10.0・4.0 = 70.0[m]

このように、「v-tグラフ」を使うことで、「移動距離を三角形・長方形の面積で求める」と計算がずいぶん楽になります。
積極的に使っていきましょう!

<まとめ>
・問題文より、各時刻における運動のようすを読み取る
・〔等加速度直線運動〕瞬間の速さ v = v0 + at
・「v-tグラフ」で、「x軸とグラフで囲まれた部分の面積は移動距離となる」

 

※ 理解を優先するために、あえて大雑把に書いてある場合があります

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