質量1.0kgの物体Aが右向きに速さ3.0 m/sで運動し、静止している質量2.0kgの物体Bに正面衝突しました。衝突後、物体Aは止まりました。動き出した物体Bの速度(向きと大きさ)を有効数字2桁で求めます。

応用数学力学運動量保存則衝突
2025/3/27

1. 問題の内容

質量1.0kgの物体Aが右向きに速さ3.0 m/sで運動し、静止している質量2.0kgの物体Bに正面衝突しました。衝突後、物体Aは止まりました。動き出した物体Bの速度(向きと大きさ)を有効数字2桁で求めます。

2. 解き方の手順

この問題は運動量保存則を使って解きます。
運動量保存則とは、外部からの力が働かない場合、衝突前後の運動量の合計が等しいという法則です。
衝突前の運動量の合計は、物体Aの運動量(mAvAm_A v_A)と物体Bの運動量(mBvBm_B v_B)の和です。
衝突後の運動量の合計は、物体Aの運動量(mAvAm_A v'_A)と物体Bの運動量(mBvBm_B v'_B)の和です。
ここで、mAm_AmBm_Bはそれぞれ物体Aと物体Bの質量、vAv_AvBv_Bはそれぞれ物体Aと物体Bの衝突前の速度、vAv'_AvBv'_Bはそれぞれ物体Aと物体Bの衝突後の速度を表します。
運動量保存則は以下のように表されます。
mAvA+mBvB=mAvA+mBvBm_A v_A + m_B v_B = m_A v'_A + m_B v'_B
問題文より、mA=1.0m_A = 1.0 kg, vA=3.0v_A = 3.0 m/s, mB=2.0m_B = 2.0 kg, vB=0v_B = 0 m/s, vA=0v'_A = 0 m/s です。
これらの値を運動量保存則の式に代入すると、
(1.0 kg)×(3.0 m/s)+(2.0 kg)×(0 m/s)=(1.0 kg)×(0 m/s)+(2.0 kg)×vB(1.0 \text{ kg}) \times (3.0 \text{ m/s}) + (2.0 \text{ kg}) \times (0 \text{ m/s}) = (1.0 \text{ kg}) \times (0 \text{ m/s}) + (2.0 \text{ kg}) \times v'_B
3.0 kg m/s=(2.0 kg)×vB3.0 \text{ kg m/s} = (2.0 \text{ kg}) \times v'_B
vB=3.0 kg m/s2.0 kg=1.5 m/sv'_B = \frac{3.0 \text{ kg m/s}}{2.0 \text{ kg}} = 1.5 \text{ m/s}
物体Aの運動方向を正とすると、物体Bも同じ方向に運動します。

3. 最終的な答え

物体Bは右向きに1.5 m/sの速度で運動します。

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