物理基礎の問題

質問

テスト直しをしているのですがわからないところがあります。
先生に聞いても説明が雑で全くわかりません。

校舎の屋上からテニスボールを水平に投げたところ、
3.0秒後に地面に到達した。
ただし、重力加速度の大きさを9.8メートル毎秒毎秒とする。

(1)地面から屋上までの高さを求めなさい
(2)水平方向の初速度が10メートル毎秒であったとき、
テニスボールは投げた地点から水平にどれだけ離れた場所に到達するか。
(3)ボールが地面に到達する直前の鉛直方向の速さを求めなさい。
(4)ボールが地面に到達する直前の水平方向の速さを求めなさい。

この問題の(1)は正解だったのですが残りの(2)から(4)までがわかりません。
どの公式をつかってなど、詳しく解説してくれるとありがたいです。

回答No.1

torys750

空気抵抗は無視（真空）でいいんですよね？

（2）10メートル毎秒×3.0秒＝30メートル
（３）9.8メートル毎秒毎秒×3.0秒＝29.4メートル毎秒
（4）10メートル毎秒

間違っていたらごめんなさい。下記は読まないでください。

解説
（2）・・出発地点から到達地点の水平方向の距離とはこの場合、ボールを投げたあと地面に到達する間は水平方向になにも力を受けていません（空気抵抗は無視）のでボールは初速度の10メートル毎秒で進みます。よって到達する時間3.0秒間で進む距離になります。

（3）・・地面に到達する直前（まだ地面にあたってない）の鉛直方向の速度は、到達するまでの間（3.0秒間）常に重力加速度（力）を受け続けているので速さはどんどん増します。よって初速度ゼロ（ボールは水平に投げているので鉛直方向の初速度はゼロ）から3.0秒間で29.4メートル毎秒の速度になります。

（4）・・地面に到達する直前（まだ地面にあたってない）の水平方向の速度は、到達するまでの間（3.0秒間）何も受けません（空気抵抗は無視）よって、初速度10メートル毎秒のまま飛んでいくので到達直前も10メートル毎秒のままです。

ポイント
加速度と速度の理解を聞いている問題です。
加速度とはどんどん速さが増していくこと。すなわち力を受けている状態です。力を受けなければ物体（ボール）は一定の運動しかしません。静止している物体（速度ゼロ）は、何か力を加えなければ動きません。運動している物体も、何か力を加えなければ、止まることも速度が増すこともありません。
現実的には空気抵抗及び摩擦抵抗があるので水平方向に投げたボールはいずれ止まりますが、これら（空気抵抗及び摩擦抵抗）を無視した世界の話です。

余談
雨粒は重力加速度を常に受けて地上に落ちてきます。仮に上空5000ｍの位置から1ｇ（0.001ｋｇ）の雨粒は地上に到達したときの衝撃は、5ｋｇの鉄アレを1ｍの高さから落とした時の衝撃と同じです。しかし、実際には重力加速度の力に反発する形で空気抵抗発生し相殺され、地上に到達するときには衝撃が少なくなります。