高校物理 要点・解法ノート
必須

非保存力がはたらくとき(摩擦があるとき)

着眼点力学的エネルギーの変化=非保存力(摩擦・人の力など)のした仕事。摩擦があれば、その仕事の分だけ減る。

(K_2+U_2)-(K_1+U_1)=W_{\text{nc}}

動摩擦力の仕事は -\mu'N\times(滑った距離)。減った力学的エネルギーは熱になる。

例題
1
傾斜角 30^\circ、長さ 2.0\ \mathrm{m} の粗い斜面の上端から、質量 1.0\ \mathrm{kg} の物体を静かに放した。動摩擦係数 0.20 のとき、下端での速さを求めよ。g=9.8\ \mathrm{m/s^2}、\sqrt3=1.73 とする。
解答
高さ 2.0\sin30^\circ=1.0\ \mathrm{m}、位置エネルギーの減少 1.0\times9.8\times1.0=9.8\ \mathrm{J}。
摩擦の仕事 -0.20\times1.0\times9.8\times0.865\times2.0=-3.39\ \mathrm{J}
\frac12\times1.0\times v^2=9.8-3.39=6.41、v^2=12.8、v=3.58\cdots
3.6\ \mathrm{m/s}(検算: 運動方程式から a=3.20\ \mathrm{m/s^2}、v^2=2\times3.20\times2.0=12.8 で一致)
注意摩擦力の N は斜面では mg\cos\theta。また距離は「高さ」ではなく「斜面に沿って滑った長さ」。

「仕事と力学的エネルギー」の項目

  1. 仕事の定義必須
  2. 運動エネルギーと仕事の関係必須
  3. 仕事率差がつく
  4. 重力と弾性力の位置エネルギー必須
  5. 力学的エネルギー保存必須
  6. 保存が使える条件(仕事をしない力を見抜く)必須
  7. 非保存力がはたらくとき(摩擦があるとき)必須
  8. 鉛直につるしたばね(自然長で放す)差がつく
  9. F-xグラフの面積=仕事差がつく
  10. 糸でつながれた物体系のエネルギー保存差がつく
  11. 変化する力の仕事を積分で求める不要

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