等速円運動の速度・加速度(A)
★☆☆☆☆☆☆(教科書) / 作成者: shonan / 2026/10/26
🔁 類題: 等速円運動の速度・加速度(B) (★☆☆☆☆☆☆(教科書))
問題
座標平面上を運動する点 P の時刻 $t$ における座標が $(r\cos\omega t,\,r\sin\omega t)$($r>0$,$\omega>0$ は定数)で表されている.原点を O とする.
\begin{enumerate}
\item[(1)] P の速さは一定であることを示せ.
\item[(2)] P の速度ベクトルは $\overrightarrow{\mathrm{OP}}$ に垂直であることを示せ.
\item[(3)] P の加速度ベクトル $\vec{\alpha}$ は $\vec{\alpha}=-\omega^2\overrightarrow{\mathrm{OP}}$ を満たすことを示せ.
\end{enumerate}
(1) 速度ベクトルは $\vec{v}=\left(\dfrac{dx}{dt},\,\dfrac{dy}{dt}\right)=(-r\omega\sin\omega t,\,r\omega\cos\omega t)$
\[ |\vec{v}|=\sqrt{r^2\omega^2\sin^2\omega t+r^2\omega^2\cos^2\omega t}=r\omega \]
で一定である.
(2) $\vec{v}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OP}}=-r^2\omega\sin\omega t\cos\omega t+r^2\omega\cos\omega t\sin\omega t=0$ である.(1) より $\vec{v}\neq\vec{0}$ であり,$|\overrightarrow{\mathrm{OP}}|=r>0$ より $\overrightarrow{\mathrm{OP}}\neq\vec{0}$ であるから,$\vec{v}\perp\overrightarrow{\mathrm{OP}}$
(3) $\vec{\alpha}=(-r\omega^2\cos\omega t,\,-r\omega^2\sin\omega t)=-\omega^2(r\cos\omega t,\,r\sin\omega t)=-\omega^2\overrightarrow{\mathrm{OP}}$
(加速度はつねに円の中心を向き,大きさは $r\omega^2$ である.)
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