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) / 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(A) (★★☆☆☆☆☆(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 $(e^t\cos t,\,e^t\sin t)$ で表されている.原点を O とする.
\begin{enumerate}
\item[(1)] P の速さ $|\vec{v}|$ と,加速度の大きさ $|\vec{\alpha}|$ を求めよ.
\item[(2)] 速度ベクトル $\vec{v}$ と $\overrightarrow{\mathrm{OP}}$ のなす角は一定であることを示せ.
\end{enumerate}
(1) $\vec{v}=(e^t(\cos t-\sin t),\,e^t(\sin t+\cos t))$
\[ |\vec{v}|=e^t\sqrt{(\cos t-\sin t)^2+(\sin t+\cos t)^2}=\sqrt{2}\,e^t \]
$\vec{\alpha}=(e^t(\cos t-\sin t)+e^t(-\sin t-\cos t),\,e^t(\sin t+\cos t)+e^t(\cos t-\sin t))=(-2e^t\sin t,\,2e^t\cos t)$
$|\vec{\alpha}|=2e^t$
(2) $\overrightarrow{\mathrm{OP}}=e^t(\cos t,\,\sin t)$,$|\overrightarrow{\mathrm{OP}}|=e^t$
\[ \vec{v}\cdot\overrightarrow{\mathrm{OP}}=e^{2t}\{(\cos t-\sin t)\cos t+(\sin t+\cos t)\sin t\}=e^{2t} \]
なす角を $\theta$ とすると $\cos\theta=\dfrac{e^{2t}}{\sqrt{2}\,e^t\cdot e^t}=\dfrac{1}{\sqrt{2}}$ より $\theta=\dfrac{\pi}{4}$ で一定である.
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