基本問題27 鉛直投げ上げ

設問(1) 最高点に達する時間 $t_1$

直感的理解
投げ上げた小球は重力により毎秒 $9.8\;\mathrm{m/s}$ ずつ減速します。最高点で速度が 0 になるので、$v = v_0 - gt = 0$ より $t = v_0/g$ で最高点到達時間が求まります。

設定:上向きを正とし、$v_0 = 19.6\;\mathrm{m/s}$、加速度 $a = -g = -9.8\;\mathrm{m/s^2}$。

立式:最高点で $v = 0$ なので $v = v_0 - gt = 0$

$t$ について解く:

$$t = \frac{v_0}{g} = \frac{19.6}{9.8} = 2.0\;\mathrm{s}$$
答え:
$$t_1 = 2.0\;\mathrm{s}$$
Point

最高点では速度 $v = 0$。$t = v_0 / g$ で最高点到達時間が求まる。

設問(2) 最高点の高さ $h$

直感的理解
$y$-$t$ グラフは放物線で、頂点が最高点です。$v^2 = v_0^2 - 2gy$ で $v = 0$ とおけば、時間を求めなくても直接最高点の高さが求まります。

方法1:$y = v_0 t - \frac{1}{2}gt^2$ に $t = 2.0\;\mathrm{s}$ を代入

数値代入:

$$h = 19.6 \times 2.0 - \frac{1}{2} \times 9.8 \times 2.0^2$$

途中計算:

$$h = 39.2 - \frac{1}{2} \times 9.8 \times 4.0 = 39.2 - 19.6 = 19.6\;\mathrm{m}$$
答え:
$$h = 19.6\;\mathrm{m}$$
別解:$v^2 = v_0^2 - 2gy$ を使う方法

最高点で $v = 0$ より:

$$0 = v_0^2 - 2gh \implies h = \frac{v_0^2}{2g} = \frac{19.6^2}{2 \times 9.8} = \frac{384.16}{19.6} = 19.6\;\mathrm{m}$$
Point

最高点の高さは $h = v_0^2 / (2g)$ で直接求められる。これは鉛直投げ上げで最も重要な公式の一つ。