物理
高校生

一枚目の赤線部の問題ですが、解答に書いてある「鉛直方向の加速度の大きさは常にgで一定」、「小球が最高点で衝突するので鉛直方向の速度には影響しない」の意味は理解できましたが、なぜ運動の対象性が利用できるのかが分かりません。教えてください。お願いします。

92 I章 カテ\ 還らと 水平なた床の点Pから 距離 190 . 壁との衝突 図のように, の点P ゞはなれた鉛直な歴に向かっ て, 初速度 が (水平成分の大 きき の 負下成分の大きき ゅ)で小球を発射 |陽短選選の 小球は, 床から高る ヵの点Qで壁に垂直に衝突してはねか えり。忌の前方の点Rに落下した。 重力加速度の大きさを /。小球と長との間の反発係数を0.60 とする。 次の各問に 答えよ。 (①⑪) 小球が点Pから点Qに到達するまでの時間を, 2,, 9 を用いて表せ。 (⑦ 点Pでの小球の速度成分 9。。 の を, 9の S のうち, 必要なものを用いて ⑳ が隊がWOから貞Rに到達するまでの時間を, ヵ、 9 を用いて表せ MP $ を用いて表せ。 2 。 涯に硬直に衝突とは, 最高応で衝突したことな意味し。PつQ と QつR に要する時間縛Wi
190. 壁との衝突 725p (3 ./ ぢ、 ① 寺 ②⑦ =S/ 2の- か | (⑭④ 0.60S | (]) (@) 壁に垂直に衝突するので, 点Qは小球の最高点であり, ま度の鉛直成分は 0 である。これから, (])の時間を計算する。(2)では, 平方向, 鉛直方向のそれぞれで距離と時間の関係式を利用する。 8) Qは最高点なので, PつQとQ_Rに要する時間は等しい。(4) 反 係数の式から, 衝突後の水平方向の速さを求め, 距離を計算する。 色説(1) 点Qは小球が達する最高点であり, 速度の鉛直成分は0 となる。求める時間を7 とすると, 2) 鉛直投げ上げの公式 の一ニー29y に, 点Q 0ニー9/ (このが での値を代入して, 0一ニー29 ムッ2gん (1)の靖果から, 計ーー 0 水平方向の速さは一定なので,。 =テニ5/ 5。 【3) 鉛直方向の加速度の大きさは, 常に9で一定となるので, 運動の対 称性から。 QからRまでの時間は, PからQまでの時間に等しい。し たがって, 式①から, 7ー/ 0 最高点では, 鉛直方向 の速度成分が 0 となるた め、, 小球は水平方向に飛 び, 壁に垂直に衝突する。 で鉛直投げ上げの公式 ゥ一97 を用いている。 〇最高点なので, ぃ=0 として計算している。 人 るが, 最高点で衝突する ので, $ 人方の速度に は影響しない。
運動の対称性 衝突

回答

答えの式を見ても判るように重力gのみが働いているならば、落下にかかる時間は高さだけに依存します。
すなわち延長方向のみ運動だけ見ると垂直投げ上げと全く同じ状態です。
そのため最高点まで上がる時間と同じ高さまで戻ってくる時間は同じです。

shi-ma

丁寧な説明ありがとうございます。
質問で「『小球が最高点で衝突するので鉛直方向の速度には影響しない』の意味は理解できた」と書きましたが、少し確認したいので質問させてください。
これは壁と衝突する前後の鉛直方向の速度は、小球が最高点で衝突するので同じ、という解釈でいいですか?

shi-ma

その解釈通りなら、運動の対称性が利用できるのはだいたい理解できますが、壁と衝突後の点Qから点Rまで行くのにかかる時間を表すにはおそらく鉛直投げおろしの式を使うと思いますが、答えの通りにならないので、それも示して頂けませんか?お願いします。
そもそも運動の対称性を使うので、これはいらないかもしれないですが…一応気になるのでお願いします。

M

運動方程式ma=-mgすなわちa=-gより(鉛直上向正)
v=v0-gt
ここで初速0なのでv=-gt
よってy=-1/2gt^2+y0でありy0=hとすると
y=0となるのはt^2=2h/g
よってt>0よりt=sqrt(2h/g)
ここでsqrt()はルートのこと

M

上の解釈について
理想的には鉛直方向に重力以外の力は働かないので、地面に垂直な壁にぶつかる場合はどのような場合でも衝突前後で速さは同じです。
これが変わるのは重力以外の影響(磁場など)や斜めの壁に衝突して鉛直方向にも撃力が働く時です。

shi-ma

説明していただきありがとうございます。
ほとんど理解したのですが、Mさんが示していただいた式に少し分からない部分があったので、自分なりに写真のとおりに解釈したのですが、合ってますか?
もし間違っていれば、何度もお願いして申し訳ないですが、説明していただけませんか?お願いします。
(写真の字が見にくかったらすみません。)

M

右側の解釈は正しいです。ただその時は鉛直下向きを正としていることに注意してください。

左のハテナのところは初速度ではなく、初期座標をhとしています。

M

それから小言になってしまいますがshi-maさんのvの書き方だとν(にゅー)やγ(がんま)と混同するので気をつけた方がいいと思います。

shi-ma

ありがとうございました。おかげで理解することができました!
やり方としては、最後の自分の解釈のやり方が一番しっくり来ました。Mさんの説明がなかったらここまで理解することができていなかったので本当に助かりました。
あと、vの書き方ですが先生からこう書くように言われたやつなんですが、確かにγなどに混同しやすいかもしれません。改善しようと思います。本当にありがとうございました。

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