第15章振動
Additional Problems追加問題
Exercises 56–67練習問題 56–67
Exercise 56問題 56
Suppose you attach an object with mass m to a vertical spring originally at rest, and let it bounce up and down. You release the object from rest at the spring’s original rest length, the length of the spring in equilibrium, without the mass attached. The amplitude of the motion is the distance between the equilibrium position of the spring without the mass attached and the equilibrium position of the spring with the mass attached. (a) Show that the spring exerts an upward force of 2.00mg on the object at its lowest point. (b) If the spring has a force constant of 10.0 N/m, is hung horizontally, and the position of the free end of the spring is marked as , where is the new equilibrium position if a 0.25-kg-mass object is hung from the spring? (c) If the spring has a force constant of 10.0 N/m and a 0.25-kg-mass object is set in motion as described, find the amplitude of the oscillations. (d) Find the maximum velocity.
英語のヒント
初め静止している鉛直なばねに質量mの物体を付け、上下に振動させる。質点を付けないときのつり合いの長さ、すなわちばねの元の自然長の位置から、静かに放す。振幅は、質点を付けないときと付けたときのつり合いの位置の間の距離である。(a) 最下点で、ばねが物体に上向きの力2.00mgを加えることを示せ。(b) 力の定数が10.0 N/mのばねを水平につるし、自由端の位置をとする。質量0.25 kgの物体をつるした場合、新しいつり合いの位置はどこか。(c) 力の定数10.0 N/mのばねに質量0.25 kgを付け、上で述べたように動かした場合、振幅を求めよ。(d) 最大速度を求めよ。
Exercise 57問題 57
A diver on a diving board is undergoing SHM. Her mass is 55.0 kg and the period of her motion is 0.800 s. The next diver's period of simple harmonic oscillation is 1.05 s. What is the second diver's mass if the mass of the board is negligible?
英語のヒント
飛び込み板の上で、質量55.0 kgの選手が周期0.800 sの単振動をしている。次の選手の周期は1.05 sだった。板の質量を無視できる場合、2人目の質量はいくらか。
Solution解き方
94.7 kg
Exercise 58問題 58
Suppose a diving board with no one on it bounces up and down in a SHM with a frequency of 4.00 Hz. The board has an effective mass of 10.0 kg. What is the frequency of the SHM of a 75.0-kg diver on the board?
英語のヒント
誰も乗っていない飛び込み板が、振動数4.00 Hzの単振動で上下する。板の実効質量は10.0 kgである。75.0 kgの選手が乗ると、振動数はいくらになるか。
Exercise 59問題 59
The device pictured in the following figure entertains infants while keeping them from wandering. The child bounces in a harness suspended from a door frame by a spring. (a) If the spring stretches 0.250 m while supporting an 8.0-kg child, what is its force constant? (b) What is the time for one complete bounce of this child? (c) What is the child’s maximum velocity if the amplitude of her bounce is 0.200 m?
英語のヒント
次の図の器具は、乳児が歩き回らないようにしながら楽しませるものである。子どもは、ばねでドア枠につるしたハーネスに入り、上下に跳ねる。(a) 質量8.0 kgの子どもを支えるとばねが0.250 m伸びる場合、力の定数はいくらか。(b) 1回の上下動にかかる時間はいくらか。(c) 振幅が0.200 mなら、子どもの最大速度はいくらか。
Image omitted because its reuse rights could not be verified.権利の確認ができないため画像を割愛。
Figure 15.34図 15.34
(credit: Lisa Doehnert)
(クレジット:Lisa Doehnert)
Solution解き方
a. 314 N/m; b. 1.00 s; c. 1.25 m/s
a. 314 N/m;b. 1.00 s;c. 1.25 m/s
Exercise 60問題 60
A mass is placed on a frictionless, horizontal table. A spring , which can be stretched or compressed, is placed on the table. A 5.00-kg mass is attached to one end of the spring, the other end is anchored to the wall. The equilibrium position is marked at zero. A student moves the mass out to and releases it from rest. The mass oscillates in SHM. (a) Determine the equations of motion. (b) Find the position, velocity, and acceleration of the mass at time
英語のヒント
質点を摩擦のない水平な台に置く。伸び縮みできるばねを台に置き、一端に質量5.00 kgをつなぎ、他端を壁に固定する。つり合いの位置をゼロとする。学生が質点をまで引いて静かに放すと、単振動する。(a) 運動の式を求めよ。(b) 時刻の位置、速度、加速度を求めよ。
Exercise 61問題 61
Find the ratio of the new/old periods of a pendulum if the pendulum were transported from Earth to the Moon, where the acceleration due to gravity is .
英語のヒント
重力加速度の月へ、地球から振り子を運んだ場合、新しい周期と元の周期の比を求めよ。
Solution解き方
ratio of 2.45
英語のヒント
比は2.45。
Exercise 62問題 62
At what rate will a pendulum clock run on the Moon, where the acceleration due to gravity is , if it keeps time accurately on Earth? That is, find the time (in hours) it takes the clock’s hour hand to make one revolution on the Moon.
英語のヒント
地球上で正確に時を刻む振り子時計は、重力加速度の月では、どの速さで進むか。すなわち、月で短針が1回転するのにかかる時間を、時間単位で求めよ。
Exercise 63問題 63
If a pendulum-driven clock gains 5.00 s/day, what fractional change in pendulum length must be made for it to keep perfect time?
英語のヒント
振り子時計が1日当たり5.00秒進む場合、正確にするには振り子の長さをどの割合だけ変える必要があるか。
Solution解き方
The length must increase by 0.0116%.
英語のヒント
長さを0.0116%増やす必要がある。
Exercise 64問題 64
A 2.00-kg object hangs, at rest, on a 1.00-m-long string attached to the ceiling. A 100-g mass is fired with a speed of 20 m/s at the 2.00-kg mass, and the 100.00-g mass collides perfectly elastically with the 2.00-kg mass. Write an equation for the motion of the hanging mass after the collision. Assume air resistance is negligible.
英語のヒント
天井に固定した長さ1.00 mの糸に、質量2.00 kgの物体をつるして静止させる。そこへ100 gの質点を20 m/sで撃ち込み、100.00 gの質点と2.00 kgの質点が完全弾性衝突する。衝突後のつり下げられた質点の運動の式を書け。空気抵抗は無視できるとする。
Exercise 65問題 65
A 2.00-kg object hangs, at rest, on a 1.00-m-long string attached to the ceiling. A 100-g object is fired with a speed of 20 m/s at the 2.00-kg object, and the two objects collide and stick together in a totally inelastic collision. Write an equation for the motion of the system after the collision. Assume air resistance is negligible.
英語のヒント
天井に固定した長さ1.00 mの糸に、質量2.00 kgの物体をつるして静止させる。そこへ100 gの物体を20 m/sで撃ち込み、二つが衝突して一体となる完全非弾性衝突をする。衝突後の系の運動の式を書け。空気抵抗は無視できるとする。
Solution解き方
Exercise 66問題 66
Assume that a pendulum used to drive a grandfather clock has a length and a mass M at temperature It can be modeled as a physical pendulum as a rod oscillating around one end. By what percentage will the period change if the temperature increases by Assume the length of the rod changes linearly with temperature, where and the rod is made of brass
英語のヒント
置き時計を動かす振り子が、温度で長さ、質量Mを持つとする。一端の周りで振動する棒の実体振り子として表せる。温度が上がると、周期は何%変わるか。棒の長さは温度に対して線形に変化し、に従うものとする。棒は真鍮製で、である。
Exercise 67問題 67
A 2.00-kg block lies at rest on a frictionless table. A spring, with a spring constant of 100 N/m is attached to the wall and to the block. A second block of 0.50 kg is placed on top of the first block. The 2.00-kg block is gently pulled to a position and released from rest. There is a coefficient of friction of 0.45 between the two blocks. (a) What is the period of the oscillations? (b) What is the largest amplitude of motion that will allow the blocks to oscillate without the 0.50-kg block sliding off?
英語のヒント
質量2.00 kgのブロックが、摩擦のない台上で静止している。ばね定数100 N/mのばねが、壁とブロックにつながっている。その上に質量0.50 kgの別のブロックを載せる。2.00 kgのブロックをゆっくりまで引き、静かに放す。ブロック間の摩擦係数は0.45である。(a) 振動の周期はいくらか。(b) 0.50 kgのブロックが滑り落ちずに振動できる最大の振幅はいくらか。
Solution解き方
a. 0.99 s; b. 0.11 m
a. 0.99 s;b. 0.11 m