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みなさん、こんにちは。物理基礎のコーナーです。今回は【等加速度運動】について解説します。加速度運動を理解することは物体の運動を理解することそのものです。センター試験で頻出どころか、力学のすべての問題に関係します。まずは等加速度運動の公式をし 等加速度直線運動の3公式の使い方がわかりません!について。高校生の苦手解決Q&Aは、あなたの勉強に関する苦手・疑問・質問を、進研ゼミ高校講座のアドバイザー達がQ&A形式で解決するサイトです。【ベネッセ進研ゼミ高校講座】 回転速度. 速さが常に一定で直線に進む運動を等速度運動と呼びます(速度は向きを持ち、その大きさが速さです。速さが一定でも直線でない運動は等速運動と呼びます。)。一方、速さが一定の割合で変化する運動を等加速度運動と呼びます。 等加速度直線運動には「vとtの関係式」,「xとtの関係式」,「xとvの関係式」の3つの基本公式があります.もちろん公式自体が使えることも大切ですが,このうち「xとtの関係式」の導出には物理でよく用いる考え方を用いるので,この考え方も是非身に付けてください. みなさん、こんにちは。物理基礎のコーナーです。今回も【等加速度運動】を扱っていきますが、特に「等加速度直線運動」に焦点を当てていきます。物理を考えるうえで、対象が複雑であれば、それを単純化して考え、理解を優しくすることは重要なプロセスです。 等加速度運動(加速度を計算) 等加速度運動(所要時間を計算) トルク、回転数、出力の計算 車は加速と減速を繰り返しながら運動をします。このとき、加速や減速が一体どれくらい激しいものなのかを表わす物理量があると便利です。そこで、1秒間でどれくらい速度が変化するかを表わす物理量として、加速度\(a\)を導入します。(\(a\)はaccelerationの頭文字です。) 図のようにx軸上を運動する球を考えます。時刻\(t_1\)のとき速度\(v_1\)、時刻\(t_2\)のとき速度\(v_2\)であるとき、時刻\(t_1\)から\(t_2\)での平均の加速度は次のように表されます。速度を時間で割っているため、加速度\(a\)の単位は[m/s これを\(v-t\)グラフを用いて考えてみます。\((t_1,v_1)\)と\((t_2,v_2)\)を通る直線をひきます。この直線の傾きを求めると\begin{align} \text{傾き}=\frac{v_2-v_1}{t_2-t_1}=\frac{\Delta{v}}{\Delta{t}} \end{align}これは、先ほどの平均の加速度を求める公式と一致しています。よって、ある2点間での「平均の加速度」を求めたいとき、その2点を通る直線の傾きを求めればよいことになります。 瞬間とは、極めて短い時間を指します。よって、「瞬間の加速度」は極めて短い時間で平均の加速度を考えることにより求めることが出来ます。このことを式に表すと\begin{align} a=\displaystyle \lim_{ \Delta{t}\to 0}\frac{\Delta{v}}{\Delta{t}} \end{align}これを\(v-t\)グラフで考えてみます。図のように微小時間で直線をひくと、接線のようになることが分かります。これより、瞬間の加速度は\(v-t\)グラフにおいて時刻\(t\)での接線の傾きに等しくなることが分かります。 速度と加速度の定義の仕方はとても似ています。そこで、速度と加速度を比べることで理解を深めましょう。  加速度が一定で直線上を動く運動を等加速度直線運動といいます。等加速度直線運動では3つの重要な公式があり、さまざまな運動に対して適用することが出来ます。公式の意味を理解し、暗記してしまいましょう。 まず、重要な3つの公式を見てみましょう。この式は非常に重要です。必ず覚えてしまいましょう。 \(v-t\)グラフにおける傾きは、加速度を表わしていました。もう少し詳しく見てみましょう。\(t=0\)のとき速度は\(v=v_0\)となります。この速度\(v_0\)を初速度といいます。そして、\(at\)は速度の増減を表わしています。 また、\(a=0\)のとき速度は時間によらず、常に\(v=v_0\)となります。これは、加速度が\(0\)で速度変化がないため、等速直線運動をすることを表わしています。 ある物体が運動するとき、その変位は\(v-t\)グラフの面積と一致します。時刻\(t\)における変位は、図の赤い部分の面積と等しくなります。 では、赤い部分の面積を求めてみましょう。図のように面積を2つに分割します。 ①三角形の面積は\( \frac{1}{2}\times t \times at=\frac{1}{2}at^2\)よって、変位\(x\)は2つの面積を合わせて\(x= \frac{1}{2}at^2+v_0t \)となります。 この公式は\(v=at+v_0 \ \ (1)\)と\(x=\frac{1}{2}at^2+v_0t \ \ (2)\)を用いて導出します。まず、(1)式を変形して(1)’を(2)に代入するとよって、\( v^2-v_o^2=2ax \ \ \ (a\neq0) \)よって、\( v^2-v_o^2=2ax \)が導出されました。 では、この公式の使う手順は次の通りです。では、実際にいくつか問題をやってみましょう。問題初速度10m/sで進む車が加速度5m/s 解説このような手順を踏んで、問題を解いてみましょう。 みなさん、こんにちは。物理基礎のコーナーです。今回は【等加速度運動】について解説します。 加速度運動を理解することは物体の運動を理解することそのものです。センター試験で頻出どころか、力学のすべての問題に関係します。 まずは等加速度運動の公式をしっかりと覚え、練習問題を解きながらこの分野に関する理解を深めていきましょう。 この記事では等加速度運動の公式と等加速度運動のグラフについて解説し、その途中で、平均の速度や瞬間の速度という概念にも触れていきます。最終的に等加速度運動とそのグラフが頭の中でリンクすることを目指します。分かりやすい等加速度運動の例としては 野球部の皆さんは常日頃「放物運動」を目の当たりにしていることと思います。ピッチャーの放ったボールも、バッターの打球も、ホームへの返球も、すべて等加速度運動です。これを物理学で扱っていきます。  「加速度」という言葉を理解するためには、まず「速度」という言葉を理解しなければなりません。 ここで注意すべきは、 日常生活で「速度」という言葉を使うときには、「速さ」という言葉と同じ意味です。しかし  速度・・・単位時間当たりの物体の位置の変化量 (ベクトル)速さ・・・速度の大きさ (スカラー) 速度を理解する上で、もう一つ大事なことは100 m走のグラフを例に、平均と瞬間の意味について解説します。下の2つの図はそれぞれ、100 m走をしたときの「スタートしてからの時刻」と「速さ」の関係を表すグラフ、及び、「スタートしてからの時刻」と「距離」の関係を表したグラフです。 100 mを10秒で走ったとします (世界記録並みの速さです)。1秒に10 m進めば10秒で100 m進むので、スタートしてから常に同じ速さであったと考えると、速さは10 m/sとなり、図中黒線のように移動します。 しかし、100 m走をしたならば、実際には常に同じ速さというわけではありません。スタートしたときには速さは0 m/sで段々速くなり、最高速度になってからは速さは変わらない、という変化を描くはずです。 すると、瞬間的には速さが0 m/sだったり、6 m/sだったり、11 m/sだったりするはずです。このような 瞬間、瞬間の速さは常に異なりますが、結果として100 mを10秒で走ったならば、平均すると10 m/sの速さだったことになります。これが また、もう一つ大事なこととして、平均の速さ・・・出発地点から到着地点までの距離をかかった時間で割ったもの瞬間の速さ・・・時間-距離の関係が描く曲線の各時間における傾き以上が速度についてでした。 次は加速度です。 単位にもご用心。速度の単位は「(距離) / (時間)」になっていて、加速度はそれをさらに時間で割るので、「(距離) / (時間$^2$)」となります。 物体の落下のように、常に同じ方向にのみ力 (ここでは重力)が加わっている状態では、物体の加速度は常に一定になります。 ここでやっとタイトルの等加速度運動にたどり着いたわけですが、 また、加速度はベクトルであることにご注意ください。 それでは等加速度運動をする物体の速度の式はどのように表せるでしょうか。 とある物体が時刻 $0$ で初速 $\overrightarrow{V_0 }$を持ち、一定の加速度 $\overrightarrow{a}$ が働くとします。時刻 $t$ における物体の速度 $\overrightarrow{V (t)}$はいくらでしょうか? 加速度とは「単位時間当たりの速度の変化量」です。すなわち、 $$ \overrightarrow{V (t)} = \overrightarrow{a} \times t + \overrightarrow{V_0 } $$となります。 記号の上に付いている矢印はベクトルを表す記号ですね。深く考える必要はありません。一直線上を運動する等加速度運動 (等加速度直線運動)で、正の向きを決めておけば、ベクトルを考える必要はありません。上の式は次のように書き換えることができます。 $$ V (t) = a \times t + V_0 $$ 等加速度運動がどんなものかを述べましたので、もっとたくさんの運動の例を見つつ、等加速度運動についての理解を深めて頂きたいと思います。 これまで述べてきた等加速度運動の定義を考慮すれば、落下運動や放物運動のみならず、以下の運動も等加速度運動と言えます。 静止している物体には常に加速度 $\overrightarrow{0}$が加わっています。 この場合、物体の運動方向とは逆向きに、摩擦による力が働き、物体の速度を低下させるような加速度が生じます。摩擦により生じる加速度は物体の速度によらずほぼ一定なのでこの場合も等加速度運動と考えることができます。 では逆に、等加速度運動ではないものはどのようなものがあるでしょうか。等加速度運動でない運動の例を挙げます。地球のように、ほとんど真円形の公転軌道を持つ惑星では、惑星から太陽に向かって、万有引力が働き、万有引力と同じ方向の加速度が生じます。 惑星から太陽までの距離は常に一定なので加速度の大きさは常に一定となり、公転する速さもほぼ一定となります。しかしながら加速度の向きは常に変化します。 落下運動は等加速度運動だと述べましたが、空気抵抗を考慮した場合にはその限りではありません。落下速度が大きくなると、速さに比例した空気抵抗が生じます。 ゆえに加速度も速さに応じて変化します。このため、等加速度運動とは言えません。最後のステップです。ここでは、 以下では、簡単な場合を考えるため、放物運動のように複雑な運動ではなく、一直線上を動く落下運動を考えます。 時刻-加速度のグラフから見ていきましょう。以下ではベクトルの向きは真下方向 (難しい言葉で鉛直下向き)を正とし、ベクトルの記号 ($\rightarrow$)を省略します。 重力が一定なので、加速度も一定です。加速度を $a$ とすれば、以下のような次に時刻-速度のグラフです。加速度が $a$ であれば、速度は 時刻$t=1$に $a$ 増え、$t=2$に $2a$ 増え、$t=t_0$に $a t_0$ 増えます。初速度が $V_0$ であれば、グラフは以下のように表されます。速度を求めたので、次は物体が動いた距離を求めます。 小学校で習った通り、 下の図をご覧ください。この時刻-速度のグラフで、オレンジ台形の面積の単位は「速さ$\times$時間$=$距離」です。実は、この面積が表すものは時刻 $0$から時刻 $t$までに物体が動いた距離となっているのです。 (詳しくは「積分」で学びましょう) 時間-速度のグラフにおいて では、初速が $V_0$、加速度 $a$で時刻が $0$から$t$までの間に物体が動いた距離 $x$ を求めてみましょう。動いた距離は時刻-速度のグラフにおけるオレンジ台形部分の面積です。 台形面積は (上底 + 下底) $\times$ 高さ $\div 2$ で求められます。 よって、\begin{eqnarray} x &=& (V_0 + V_0 + at) \times t \div 2 \\ &=& \frac{1}{2} at^2 + V_0 t \end{eqnarray} となります。これが等加速度運動における時間と移動距離の関係式です。時間について2次関数の式になっています。 では、最後に時刻-移動距離のグラフを描いてみましょう。2次曲線になっていることが分かると思います。 これら 忘れる度に、最初から導出していけば、この分野についての理解は深まっていくこと間違いなしです。ただし、時間がかかるので受験会場で最初から導出していくのはやめましょうね。 時刻-加速度のグラフ:時間軸と平行な直線 ・加速度とは「向き」と「大きさ」を持つ物理量であり、単位時間あたりに速度が変化する割合を表す(生徒による私の似顔絵…似てない…) こんにちは。emitaと言います。現役の某私立高校で教員をしております。現役中高生のみならず学び直しをしたい大人の方々のために教育系ブログをはじめました。このブログを通じてみなさんの学力が上がれば嬉しいです。