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斜面と仕事

(1)例題

下図のように、水平面と角度θをなすなめらかな斜面上に、質量mの小物体を置く。小物体に力を加え、斜面に沿ってゆっくりと高さhだけ引き上げた。小物体に加えた力がした仕事を表せ。

(2018年センター試験本試物理基礎第1問問1)

(2)答案

小物体の元の力学的エネルギーをU、高さhまで引き上げたときの力学的エネルギーをU’とすると、運動エネルギーは変化しないので、

U’−U=mgh

となる。よって、小物体に力がした仕事はmgh

※小物体に加えた力をFとし、つり合いの式より、F=mgsinθ
また、小物体が動いた距離sは、s=h/sinθ
よって、求める仕事Wは
W=Fs=mgh
と仕事の定義を使って求めることもできる。

(3)解法のポイント

力学的エネルギーはその過程に関わらず、結果によって決まります。つまり、今回で言えば、斜面を上っていようが、紐で釣り上げようが、エレベーターを使おうが、hの高さまでゆっくりと移動させたのであれば、結果の力学的エネルギーは同じになります。

あとは、その変化量が、小物体にされた仕事となるのです。

(4)必要な知識

①仕事の定義

③仕事と運動エネルギーの関係

(5)参考

☆仕事とエネルギーの勉強法はこちら→仕事と力学的エネルギー

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☆力学の勉強法はこちら→力学の勉強法

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