反対向きの力：ニュートン第二法則と運動量

1 · 予測

右へ動く物体を反対向きの一定の力で引きます。時間が経つと運動はどうなるでしょうか？

2 · 準備

  1. opposing-forces シミュレーションを開いて Reset を押します。
  2. 物体の速度プローブを有効にします。
  3. 各試行で初速度を設定し、Play を押します。タイムラインで t = 4 s に一時停止し、速度を記録します。

3 · データ収集

質量 m (kg)初速度 v₀ (m/s)反対向きの力 F (N)初期運動量 p = mv (kg·m/s)t = 4 s の速度 (m/s)
1.004.002.00
1.006.002.00
1.008.002.00

t = 4 s の速度（縦軸）を初速度 v₀（横軸）に対してプロットします。

4 · 分析

  1. 1回の試行について初期運動量 p = mv の計算過程を示します。
  2. a = F/m を使って各試行の t = 4 s の速度を予測し、表と比較します。物体は元の向きに動いていますか、瞬間的に静止していますか、それとも後退していますか？

5 · 発展

  1. 反対向きの力が同じまま質量を2倍にすると、停止までの時間は長くなりますか、短くなりますか？F = ma を用いて説明します。
  2. 実際の面を滑る物体には摩擦も働きます。摩擦によって、この理想化シミュレーションの予測より早く止まりますか、遅く止まりますか？

この実験の物理

運動量

反対向きの力が働く前の運動量は、物体の質量と初速度で決まります。

ニュートン第二法則

一定の反対向きの力を質量で割ると一定の減速度が得られ、物体を減速、停止、そして反転させます。

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