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高3物理2021 高校物理と微積分④運動量と力積

水曜日, 8月 18, 2021

高校物理 高校物理のための数学

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 簡単のため,1次元で考えます.運動方程式m\frac{d^2x}{dt^2}=Fm\frac{dv}{dt}=Fと書きなおすと,
mdv=Fdt
と書けます.この両辺を積分すると,
\int mdv=\int Fdt
 いま,時刻t_1での物体の速度がv_1,時刻t_2での物体の速度がv_2だったとすると,
\int_{v_1}^{v_2} mdv=\int_{t_1}^{t_2} Fdt
mv_2-mv_1=F(t_2-t_1)
となり,運動量と力積の関係が得られます.
 次に,mdv=Fdtの両辺にvをかけると,
mvdv=Fvdt
v=dx/dtを思い出すと,
mvdv=Fdx
両辺を積分すると,
m\int vdv=\int Fdx
いま,位置x_1での物体の速度がv_1,位置x_2での物体の速度がv_2だったとすると,
m\int_{v_1}^{v_2}vdv=\int_{x_1}^{x_2}Fdx
\left[\frac{1}{2}mv^2\right]_{v_1}^{v_2}=\left[Fx\right]_{x_1}^{x_2}
\frac{1}{2}mv_2^2-\frac{1}{2}mv_1^2=F(x_2-x_1)
となり,運動エネルギーと仕事の関係が得られます.
 このように高校の物理学(古典力学)では運動方程式を基本方程式として,様々な物理量を導くことができます.
 今後も,時期を見て高校物理に必要な数学を紹介します.

C16高校物理 目次

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