Physic Labs

問題 1

質量 mm の小物体を、半径 RR の固定された滑らかな球形ドームの頂点から静止状態で放し、外側を滑らせる。重力加速度 gg は一定とする。角 θ\theta は頂点を通る鉛直線と、球の中心から物体への半径とのなす角で、0≤θ<π/20\le\theta<\pi/2 とする。物体の大きさと空気抵抗は無視する。接触中の軌道半径は一定であり、球面は物体を外向きに押すが引くことはできない。(a) エネルギー保存則から θ\theta の関数として速さを求めよ。(b) 半径方向の運動方程式を立て、接触を失う条件を述べよ。(c) 離脱角を求め、m,R,gm,R,g に依存しない理由を説明せよ。角度はラジアンまたは度で一貫して扱い、答えを度でも示す場合は換算せよ。接触を保つ間は垂直抗力が非負である必要がある。速さは常に非負の量として扱い、径方向の正方向を明確にすること。落下後の軌道は離脱角の計算に用いない。
problems.proof.stepOf
problems.proof.prevStepproblems.proof.nextStep
12mv2=mgR(1−cos⁡θ)\frac12mv^2=mgR(1-\cos\theta)
problems.proof.analysis

滑らかな球面からの垂直抗力は速度に垂直で仕事をせず、失われた位置エネルギーが運動エネルギーになる。物体は静止から出発する。

problems.proof.pitfall. 下降高さは R(1−cos⁡θ)R(1-\cos\theta) であり、Rsin⁡θR\sin\theta ではない。