センター2017物理基礎第1問 問2「弾性エネルギー」

 

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■弾性エネルギーとフックの法則

物理が苦手な文子
グラフから弾性エネルギーを読み取る問題ね。やったことがあるような気もするし,ないような気もするし…

物理が得意な秀樹
グラフから弾性エネルギーを直接読み取ることはできるんだけど,まずは基本の確認をしておこうか。弾性エネルギーの式は知ってる?弾性力による位置エネルギーとも言うけど。

物理が苦手な文子
確かこうね。

物理が得意な秀樹
そうだね。問題文に「x=0.20mのとき,」とあるので,あとはkを求めればいいよね。

物理が苦手な文子
kってばね定数よね。ばね定数もグラフから分かるんだっけ?

物理が得意な秀樹
そうだね。kもグラフから分かるんだけど,これも基本に戻って,フックの法則から求めてみようよ。

物理が苦手な文子
なるほど。今はx=0.20mだから,グラフからF=20Nね。これをフックの法則の式に入れると,

    \begin{eqnarray*}k&=&\frac{F}{x}\\&=&\frac{20}{0.20}\\&=&100 N/m\end{eqnarray*}

物理が得意な秀樹
ということは,弾性エネルギーはどうなるかな?

物理が苦手な文子
弾性エネルギーは,

    \begin{eqnarray*}U&=&\frac{1}{2}kx^2\\&=&\frac{1}{2}\times 100\times 0.20^2\\&=&2.0 J \end{eqnarray*}

物理が得意な秀樹
正解だ。答えは②だね。

■弾性エネルギー,バネ定数をグラフから求める

物理が苦手な文子
弾性エネルギーやばね定数を,グラフから求めるにはどうすればいいの?

物理が得意な秀樹
実は,この問題はちょっとひねってあるんだ。

物理が苦手な文子
どういうこと?

物理が得意な秀樹
普通,フックの法則のところで出てくるグラフは,横軸がばねの伸びxで,縦軸がばねに加わる力Fなんだよ。そのグラフF-xグラフだと,グラフの傾きがばね定数k,グラフと横軸(x軸)が囲む面積が弾性エネルギーになるんだ。

物理が苦手な文子
この問題は縦軸と横軸が普通とは反対ということね。反対にして考えればいいの?

物理が得意な秀樹
そうだね。直接求めたい場合は,縦軸と横軸を入れ替えたグラフを描いてみるといいね。

物理が苦手な文子
最初にやった解き方の方が簡単かな?

物理が得意な秀樹
どっちでもいいとは思うけど,大切なのは,「グラフの傾きはばね定数」のように,機械的に覚えちゃうと,ちょっと視点を変えた問題を出されると,対応できないので,根本からきちんと理解しておくことが大切だね。

物理が苦手な文子
分かったわ。

 

 

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