二乗に比例する関数 ジェットコースター
二乗に比例する関数 グラフ
抵抗力のある落下運動 では抵抗力が速度に比例する運動を考えました. そこでは終端速度が となることを学びました. ここでは抵抗力が速度の二乗に比例する場合(慣性抵抗と呼ばれています)にどのような運動になるかを見ていきます. 落下運動に限らず,重力下で慣性抵抗を受けながら運動する物体の運動方程式は,次のようになります. この記事では話を簡単にするために,鉛直方向の運動のみを扱うことにします. つまり落下運動または鉛直投げ上げということになります. このとき (1) は, となります.ここで は物体の質量, は重力加速度, は空気抵抗の比例係数になります. 落下時の様子を絵に描くと次図のようになります.落下運動なので で考えます(軸を下向き正に撮っていることに注意!) 抵抗のある場合の落下 運動方程式 (2) は より となります.抵抗力の符号は ,つまり抵抗力は上向きに働くことになりますね. 速度の時間変化を求めてみることにしましょう. (3)の両辺を で割って,式を整理します. (4)を積分すれば速度変化を求めることができます. どうすれば積分を実行できるでしょうか.ここでは部分分数分解を利用することにします. 両辺を積分します. ここで は積分定数です. と置いたのは後々のためです. Excelのソルバーを使ったカーブフィッティング 非線形最小二乗法: 研究と教育と追憶と展望. 式 (7) は分母の の正負によって場合分けが必要です. 計算練習だと思って手を動かしてみましょう. ここで は のとき , のとき をとります. 定数 を元に戻してやると, となります. 式を見やすくするために , と置くことにします. (9)式を書き直すと, こうして の時間変化を得ることができました. 初期条件として をとってやることにしましょう. (10) で , としてやると, が得られます. したがって, を初期条件にとったとき, このときの速度の変化をグラフに書くと次のようになります. 速度の変化(落下運動) 速度は時間が経過すると へと漸近していく様子がわかります. 問い 2. 式 (10) で とすると,どのような v-t グラフになるでしょうか. おまけとして鉛直投げ上げをした場合の運動について考えてみます.やはり軸を下向き正にとっていることに注意して下さい.投げ上げなので, の場合を考えることになります. 抵抗のある場合の投げ上げ 運動方程式 (2) は より次のようになります.
ここで懲りずに、さらにEを大きくするとどうなるのでしょうか。先ほど説明したように、波動関数が負の値を取る領域では、波動関数は下に凸を描きます。したがって、 Eをさらに大きくしてグラフのカーブをさらに鋭くしていくと、今度は波形一つ分の振動をへて、井戸の両端がつながります 。しかしそれ以上カーブがきつくなると、波動関数は正の値を取り、また井戸の両端はつながらなくなります。 一番目の解からさらにエネルギーを大きくしていった場合に, 次に見つかる物理的に意味のある解. 同様の議論が続きます。波動関数が正の値をとると上にグラフは上に凸な曲線を描きます。したがって、Eが大きくなって、さらに曲線のカーブがきつくなると、あるとき井戸の両端がつながり、物理的に許される波動関数の解が見つかります。 二番目の解からさらにエネルギーを大きくしていった場合に, 次に見つかる物理的に意味のある解. 以上の結果を下の図にまとめました。下の図は、ある決まったエネルギーのときにのみ、対応する波動関数が存在することを意味しています。ちなみに、一番低いエネルギーとそれに対応する波動関数には 1 という添え字をつけ、その次に高いエネルギーとそれに対応する波動関数には 2 のような添え字をつけるのが慣習になっています。これらの添え字は量子数とよばれます。 ところで、このような単純で非現実的な系のシュレディンガー方程式を解いて、何がわかるんですか? 二乗に比例する関数 テスト対策. 今回、シュレディンガー方程式を定性的に解いたことで、量子力学において重要な結果が2つ導かれました。1つ目は、粒子のエネルギーは、どんな値でも許されるわけではなく、とびとびの特定の値しか許されないということです。つまり、 量子力学の世界では、エネルギーは離散的 ということが導かれました。2つ目は粒子の エネルギーが上がるにつれて、対応する波動関数の節が増える ということです。順に詳しくお話ししましょう。 粒子のエネルギーがとびとびであることは何が不思議なんですか? ニュートン力学ではエネルギーが連続 であったことと対照的だからです。例えばニュートン力学の運動エネルギーは、1/2 mv 2 で表され、速度の違いによってどんな運動エネルギーも取れました。また、位置エネルギーを見ると V = mgh であるため、粒子を持ち上げればそれに正比例してポテンシャルエネルギーが上がりました。しかし、この例で見たように、量子力学では、粒子のエネルギーは連続的には変化できないのです。 古典力学と量子力学でのエネルギーの違い ではなぜ量子力学ではエネルギーがとびとびになってしまったのですか?