ばねと振り子
- ばね振り子
- T = 2π·√(m/k)
- 単振り子
- T = 2π·√(L/g)
- 角周波数
- ω = √(k/m) = 2π/T
- 最大の速さと最大の加速度
- vmax = A·ω, amax = A·ω²
- エネルギー
- E = ½·k·A²
公式集、全トピックの解法の要点、4 問の演習問題。完全な解答は巻末にあります。
周期が 2.1 s になる単振り子の長さはいくらか。g = 9.81 m/s² として、L を求めよ。
k = 490 N/m のばねにつけた質量 1.7 kg の物体を、つり合いの位置から 13 cm 引いて静かに放す。 最大の速さ vmax を求めよ。
500 Hz の音源が、静止している観測者から遠ざかるように 25 m/s で動いています。 音速は 343 m/s です。観測者に聞こえる振動数 f′ を求めてください。
2 枚の薄いレンズが同じ光軸上に 15 cm 離れて置かれています:レンズ 1 は f₁ = 5 cm、レンズ 2 は f₂ = 5 cm です。物体はレンズ 1 の 15 cm 前にあります。レンズ 2 から測った最終的な像の位置 di2 を求めてください(レンズ 2 より先が正、実像が正の規則)。
答え: L = 1.096 m
単振動:ばね定数 k のばねにつけた質量 m の物体は、角振動数 ω = √(k/m)、周期 T = 2π/ω = 2π·√(m/k) で振動します。長さ L の単振り子の周期は T = 2π·√(L/g) です。振幅を A とすると、最大の速さは A·ω、最大の加速度は A·ω²、エネルギーは ½·k·A² です。
答え: vmax = 2.207 m/s
単振動:ばね定数 k のばねにつけた質量 m の物体は、角振動数 ω = √(k/m)、周期 T = 2π/ω = 2π·√(m/k) で振動します。長さ L の単振り子の周期は T = 2π·√(L/g) です。振幅を A とすると、最大の速さは A·ω、最大の加速度は A·ω²、エネルギーは ½·k·A² です。
答え: f′ = 466 Hz
定常波とドップラー効果:両端が固定された弦や両端が開いた管には、半波長の整数倍が収まります:L = nλ/2、fn = n·v/(2L)、n = 1, 2, 3, … 一端が閉じた管では、閉じた端が節、開いた端が腹になります:L = nλ/4(n は奇数のみ)、fn = n·v/(4L)。音源または観測者が両者を結ぶ線上を動くとき、f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs) となります:互いに近づく運動には上側の符号を使います。振動数がほぼ等しい 2 つの波は、|f₁ − f₂| でうなりを生じます。
答え: di2 = 15 cm
幾何光学:境界では n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂(スネルの法則)が成り立ち、角度は法線から測り、n = c/v です。より遅い媒質に入るとき、光線は法線に近づくように曲がります。より密な媒質(n₁ > n₂)から臨界角 θc = arcsin(n₂/n₁) を超えると、すべての光が反射されます:全反射です。薄いレンズと球面鏡は 1/f = 1/do + 1/di に従い、倍率は m = −di/do です。符号の規則:収束レンズと凹面鏡(f = R/2)では f > 0、発散レンズと凸面鏡では f < 0 です。di > 0 は実像、di < 0 は虚像、m < 0 は倒立した像を表します。
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