基本例題1 平均の速さと瞬間の速さ

設問(1) 8.0秒間の平均の速さ

直感的理解
平均の速さとは「全体の移動距離を全体の時間で割ったもの」。$x$-$t$ グラフ上では、始点と終点を結ぶ割線(直線)の傾きがそのまま平均の速さになります。上のシミュレーションで A, B をドラッグすると、区間によって平均の速さが変わることが体感できます。

設定:$x$-$t$ グラフより、$t = 0$ で $x = 0$ m、$t = 8.0$ s で $x = 36$ m。

立式:平均の速さの定義式を使います。

$$\bar{v} = \frac{\Delta x}{\Delta t}$$

計算:

$$\bar{v} = \frac{36 - 0}{8.0 - 0} = \frac{36}{8.0} = 4.5 \text{ m/s}$$
答え:
$$\bar{v} = 4.5 \text{ m/s}$$
Point

平均の速さ = $x$-$t$ グラフにおける2点を結ぶ割線の傾き。$\bar{v} = \Delta x / \Delta t$ で求まる。

設問(2) 時刻4.0秒における瞬間の速度

直感的理解
瞬間の速度は「その瞬間に速度計が示す値」。$x$-$t$ グラフでは、ある時刻における曲線の接線の傾きがそのまま瞬間の速度です。接線が急なら速く、緩やかなら遅い。スライダーを動かすと、時刻によって接線の傾き(速度)がリアルタイムに変化するのを確認できます。

設定:点 P($t = 4.0$ s)における $x$-$t$ グラフの接線を読み取ります。図より、接線は点 $(0,\;12)$ と点 $(6.0,\;36)$ を通ります。

立式:瞬間の速度は接線の傾きで求まります。

$$v = \frac{\Delta x}{\Delta t}\bigg|_{\text{接線}}$$

計算:接線上の2点 $(0,\;12)$ と $(6.0,\;36)$ を読み取り:

$$v = \frac{36 - 12}{6.0 - 0} = \frac{24}{6.0} = 4.0 \text{ m/s}$$
答え:
$$v = 4.0 \text{ m/s}$$
別解:微分による瞬間の速度

$x$-$t$ グラフの曲線が $x(t) = \dfrac{1}{32}t^3 - t^2 + 10.5t$ で表されるとき、瞬間の速度は位置の時間微分で直接求まります。

$$v(t) = \frac{dx}{dt} = \frac{3}{32}t^2 - 2t + 10.5$$

$t = 4.0$ s を代入すると:

$$v(4.0) = \frac{3}{32} \times 16 - 2 \times 4.0 + 10.5 = 1.5 - 8.0 + 10.5 = 4.0 \text{ m/s}$$

グラフから接線を読み取る方法と一致します。$x$-$t$ グラフの傾き=微分係数 $\dfrac{dx}{dt}$ が瞬間の速度であることが確認できました。

補足:平均の速さと瞬間の速度の違い

平均の速さ $\bar{v} = \Delta x / \Delta t$ は、ある時間区間全体での移動の度合いを表します(割線の傾き)。

瞬間の速度 $v = dx/dt$ は、ある一瞬での速さと向きを表します(接線の傾き)。

時間区間 $\Delta t$ を限りなく小さくすると、割線は接線に近づき、平均の速さは瞬間の速度に収束します。これが微分の考え方です。シミュレーションの設問(1)で A と B を近づけると、この収束を体感できます。

Point

$x$-$t$ グラフにおける接線の傾き = 瞬間の速度。接線上の読み取りやすい2点を選んで $\Delta x / \Delta t$ を計算する。