水平ばね振り子

(1)例題

ばね定数kの軽いばねの一端に質量mの小物体を取り付け、あらい水平面上に置き、ばねの他端を壁に取り付けた。図のようにx軸をとり、ばねが自然の長さのときの小物体の位置を原点Oとする。ただし、重力加速度の大きさをg、小物体と水平面の間の静止摩擦係数をμ、動摩擦係数をμ’とする。また、小物体はx軸方向にのみ運動するものとする。

①小物体を位置xで静かに放したとき、小物体が静止したままであるような位置xの最大値xMを表せ。

②xMより右側で小物体を静かに放すと、小物体は動き始め、次に速度が0となったのは時間t1が経過したときであった。この間に、小物体にはたらく力の水平成分Fを、小物体の位置をxとして表せ。またt1を求めよ。

(2018年センター試験本試物理第4問Aより)

(2)例題の答案

(3)解法のポイント

①静止摩擦力は垂直抗力に比例しませんが、最大摩擦力は垂直抗力に比例します。まずは、このことを理解してください(静止摩擦力が垂直抗力に比例すると勘違いしている人が多いです)

②単振動の問題はとにかく、a=-ω2(x-x0)の形を作りましょう。そうすれば周期が分かります。

あとは、単振動のどの位置で速度が0か、あるいは最大かといった基本知識をおさえておきましょう。

(4)必要な知識

①最大(静止)摩擦力

画像に alt 属性が指定されていません。ファイル名: スライド13-1024x576.jpg

②動摩擦力

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③単振動の角振動数

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④単振動の加速度

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⑤単振動を考えるときのポイント

ⅰ)振動の中心では速さが最大、加速度の大きさは0

 ※振動の中心は力のつり合いの位置

ⅱ)振動の両端では速さは0、加速度の大きさは最大

 ※手を離した位置が振動の端となる。

(5)理解すべきこと

単振動の速度と加速度を微分を使って導く方法の解説→単振動の速度と加速度を微分で導く(合成関数の微分を使っています)

☆動画はこちら↓

(6)参考

☆単振動の勉強法はこちら→単振動

単振動(力学)公式

☆力学の勉強法はこちら→力学の勉強法

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