教科書(物理) 問24:単振動の変位の式

解法

直感的理解

\(x = A\sin\omega t\) は等速円運動の正射影。係数 \(A\) が振幅(変位の最大値)、\(\omega\) が回転の速さ(角振動数)。\(\omega\) が大きいほど速く振動する=周期が短い。

与えられた変位の式:

\(x = A\sin\omega t\) と比較して:

① 振幅

② 角振動数と周期

③ 振動数

数値例:質量 2.0 kg の物体が高さ 5.0 m から落下すると、位置エネルギーの減少は \(mgh = 2.0 \times 9.8 \times 5.0 = 98\) J。地面での速さは \(v = \sqrt{2gh} = \sqrt{2 \times 9.8 \times 5.0} = \sqrt{98} \fallingdotseq 9.9\) m/s です。

関連する基本公式:

$$ E_k = \frac{1}{2}mv^2 $$ $$ E_p = mgh $$ $$ W = \vec{F} \cdot \vec{d} = Fd\cos\theta $$
答え
振幅 \(A = 0.50\) m、周期 \(T = \dfrac{\pi}{2}\) s、振動数 \(f = \dfrac{2}{\pi}\) Hz
📐 補足:力学的エネルギー保存の条件

保存力(重力・弾性力)のみが仕事をする場合、力学的エネルギーは保存されます。摩擦力や空気抵抗などの非保存力が仕事をすると、その分だけ力学的エネルギーは減少し、熱エネルギーなどに変換されます。

Point

\(\omega = \dfrac{2\pi}{T} = 2\pi f\) の関係は頻出。\(\omega\) から \(T\) と \(f\) への変換を瞬時にできるようにしておこう。