各空欄の解答:
物体 P が $x$ 軸上に投影された運動を単振動(ア)という。
時間 $t$ の回転角 $\angle \mathrm{POP_0}$ は $\omega t$(イ)。
P の速度は円の接線方向で大きさは $A\omega$(ウ)。
加速度は円の中心向きに大きさ $A\omega^2$(エ)である。
Q の運動は P の運動を $x$ 軸上に投影したものなので:
Q の速さが最大なのは図の点 O(ク、振動中心)で最大値は $A\omega$(ケ)。
加速度の大きさが最大なのは点 P$_1$, P$_5$(コ、両端)で最大値は $A\omega^2$(サ)。
Q の振幅は $A$(シ)、周期は $\dfrac{2\pi}{\omega}$(ス)と表される。
単振動では運動エネルギーと弾性エネルギーの和が一定に保たれます。
$$\frac{1}{2}mv^2 + \frac{1}{2}kx^2 = \frac{1}{2}kA^2$$等速円運動の正射影が単振動。振幅 $A$・角振動数 $\omega$ で $x = A\sin\omega t$、$v = A\omega\cos\omega t$、$a = -\omega^2 x$。速度最大は振動中心、加速度最大は両端。
質量 \(m = 3.0\) kg の物体に \(F = 12\) N の力を加えると:
$$a = \frac{F}{m} = \frac{12}{3.0} = 4.0 \text{ m/s}^2$$ $$t = 2.0 \text{ s 後: } v = at = 4.0 \times 2.0 = 8.0 \text{ m/s}$$ $$x = \frac{1}{2}at^2 = \frac{1}{2} \times 4.0 \times 4.0 = 8.0 \text{ m}$$