平面上を運動する点の速さと加速度の大きさ(A)
★★☆☆☆☆☆(章末問題) / 作成者: shonan / 2026/10/26
🔁 類題: 平面上を運動する点の速さと加速度の大きさ(B) (★★☆☆☆☆☆(章末問題))
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 $(t-\sin t,\,1-\cos t)$ で表されている.
\begin{enumerate}
\item[(1)] 時刻 $t$ における P の速さを求めよ.
\item[(2)] $0\leqq t\leqq 2\pi$ において,速さが最大となる時刻と最大値を求めよ.
\item[(3)] P の加速度ベクトルの大きさは一定であることを示せ.
\end{enumerate}
(1) $\vec{v}=(1-\cos t,\,\sin t)$ であるから
\[ |\vec{v}|=\sqrt{(1-\cos t)^2+\sin^2 t}=\sqrt{2-2\cos t}=\sqrt{4\sin^2\frac{t}{2}}=2\left|\sin\frac{t}{2}\right| \]
(2) $0\leqq t\leqq 2\pi$ では $0\leqq\dfrac{t}{2}\leqq\pi$ より $|\vec{v}|=2\sin\dfrac{t}{2}$.最大となるのは $t=\pi$ のときで,最大値は $2$
(このとき P はサイクロイドの最高点 $(\pi,\,2)$ にある.)
(3) $\vec{\alpha}=(\sin t,\,\cos t)$ であるから $|\vec{\alpha}|=\sqrt{\sin^2t+\cos^2t}=1$ で一定である.
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