ゼロからの高校物理 / 物理基礎 / 運動の表し方

鉛直投射(投げ下ろし・投げ上げ)

公式

投げ下ろしv = v0 + gt、y = v0t + 12gt2(下向きが正)
投げ上げv = v0 − gt(上向きが正)
投げ上げの位置y = v0t − 12gt2
時間を使わない式v2 − v02 = −2gy(投げ上げ)
最高点v = 0(加速度は −g のまま)

どの式も、投げた点を原点、投げた時刻を 0 とし、空気の抵抗を考えないときの式です

1鉛直投げ下ろし

真下に投げ下ろす運動の加速度は、自由落下と同じ下向きの g で、ちがうのは初速度 v0 があることだけです。

ビルの屋上から、ボールを真下に向けて投げます。自由落下(静かに放した物体が、空気の抵抗を受けずに落ちる運動)とちがって、ボールは手を離れた瞬間から、もう下向きに動いています。真下に投げる運動を鉛直投げ下ろしといいます。真上に投げる運動は鉛直投げ上げといい、項目2から扱います。この2つをまとめて鉛直投射といいます。このページでは、空気の抵抗は考えません。

投げ下ろしでは、鉛直下向き(真下の向き)を正の向きとします。投げた点を原点、投げた時刻を 0 とします。縦の位置は y(ワイ)で表します。y は「投げた点から下へ何 m の所にいるか」を表します。

投げた瞬間の速度が、初速度 v0(ブイ・ゼロ)です。下向きに投げたので、v0 は正の数です。たとえば、下向きに 4.9 m/s で投げたなら、v0 = +4.9 m/s です。手を離れたあとのボールは、自由落下と同じように、下向きに 9.8 m/s² の加速度(1 秒あたりの速度の変化)で速くなっていきます。この 9.8 m/s² が重力加速度の大きさで、記号 g(ジー)で表します。だから、加速度は a = +g です。自由落下とちがうのは、v0 が 0 ではないことだけです。

ビルの屋上から、左ではボールを静かに放し(初速度 0)、右ではボールを真下に投げる(初速度 +4.9 m/s、下向きの紫の矢印)。下向きを正の向きとしている 正の向き ↓(下向き) 静かに放す v0 = 0 下向きに投げる v0 = +4.9 m/s

加速度が一定なので、等加速度直線運動(加速度が一定で、まっすぐ進む運動)の3つの式が使えます。t は時刻、x は位置です。その3つの式に、a = g を入れ、x を y に書き換えます。速度の式 v = v0 + at は、次のようになります。

v = v0 + gt

位置の式 x = v0t + 12at2 は、次のようになります。

y = v0t + 12gt2

時間を使わない式 v2 − v02 = 2ax は、次のようになります。

v2 − v02 = 2gy

下向きに 4.9 m/s で投げ下ろしたときの、1 秒ごとの速度と位置は、次の表のようになります。

時刻 t(s)01.02.0
速度 v(m/s)+4.9+14.7+24.5
位置 y(m)0+9.8+29.4

たとえば t = 1.0 s では、v = 4.9 + 9.8 × 1.0 = 14.7 m/s です。位置は、y = 4.9 × 1.0 + 12 × 9.8 × 1.02 = 4.9 + 4.9 = 9.8 m です。投げた点から 9.8 m 下にいます。速度は、自由落下と同じく、1 秒ごとに 9.8 m/s ずつ増えています。ちがうのは、出発が 0 ではなく +4.9 m/s であることです。

3つの式で v0 = 0 にすると、v = gt、y = 12gt2、v2 = 2gy になります。これは、自由落下の3つの式です。自由落下は、投げ下ろしで v0 = 0 のときにあたります。

縦の物差し(上が原点(投げた点)で、下へ 0 から 40 m)の横を、投げ下ろした球が落ちていく図。0.5 s ごとの位置に薄い残像を残す。球の右から下向きに紫の速度の矢印(長さは速さに比例)、球の左から下向きに橙の加速度の矢印(+9.8 m/s²、長さは一定)が出ている 加速度 +9.8 m/s²(一定)

下向きを正の向き、投げた点を原点としています。空気の抵抗は考えません。紫の矢印は速度、橙の矢印は加速度です。

速度 v m/s 位置 y m

やってみよう

まず、時刻 t を 1.0 s にし、初速度の「0.0 m/s」のボタンを押してください。次に、t は 1.0 s のまま、「+9.8 m/s」のボタンを押してください。速度 v の表示は、何 m/s 増えましたか。

分かること

速度は +9.8 m/s から +19.6 m/s になり、9.8 m/s 増えます。増えた分は、初速度 v0 の 9.8 m/s と同じです。

確認

投げ下ろしの式で、初速度を v0 = 0 にすると、何という運動になりますか。

答え

自由落下です。

例題

ビルの屋上から、ボールを鉛直下向きに 2.0 m/s で投げ下ろしました。投げてから 3.0 s 後の速さと、それまでに落ちた距離を求めなさい。重力加速度の大きさは 9.8 m/s² とし、空気の抵抗は考えません。

  1. 鉛直下向きを正の向き、投げた点を原点、投げた時刻を 0 とします。
  2. 初速度は v0 = +2.0 m/s、加速度は a = +g = +9.8 m/s²、時刻は t = 3.0 s です。
  3. 速さは、v = v0 + gt = 2.0 + 9.8 × 3.0 = 2.0 + 29.4 = 31.4 m/s ≒ 31 m/s(2 桁に丸めて)です。
  4. 落ちた距離は、y = v0t + 12gt2 = 2.0 × 3.0 + 12 × 9.8 × 3.02 = 6.0 + 44.1 = 50.1 m ≒ 50 m です。

答え: 速さ 31 m/s、落ちた距離 50 m

2上向きを正にして投げ上げを表す

投げ上げで上向きを正の向きにすると、加速度は a = −g です。加速度はずっと同じなので、上がる間も下がる間も同じ式で表せます。

ボールを真上に投げ上げます。ボールは上がりながらだんだん遅くなり、いちばん高い所で一瞬止まります。そのあと向きを変えて、だんだん速くなりながら落ちてきます。

投げ上げでは、ボールが進む向きが、途中で上向きから下向きに変わります。向きが変わる運動では、正の向きを1つに決めておかないと、速度の + と − が決められません。この資料では、投げ上げの問題で、鉛直上向きを正の向きとします。投げた点を原点、投げた時刻を 0 とします。項目1 の投げ下ろしとは、正の向きが逆です。

投げ上げでは、y は「投げた点から上へ何 m の所にいるか」を表します。たとえば y = +14.7 m は、投げた点から 14.7 m 上にいるということです。速度 v が + なら、ボールは上がっています。v が − なら、ボールは下がっています。

重力加速度の向きは、鉛直下向きです。これは、正の向きをどちらに決めても変わりません。上向きを正にしたので、下向きの加速度は負の数で書きます。だから a = −g = −9.8 m/s² です。−g のマイナスは「下向き」という意味です。

等加速度直線運動の3つの式に、a = −g を入れ、x を y に書き換えます。速度の式 v = v0 + at は、v = v0 + (−g)t なので、次のようになります。

v = v0 − gt

位置の式 x = v0t + 12at2 は、y = v0t + 12 × (−g) × t2 なので、次のようになります。

y = v0t − 12gt2

時間を使わない式 v2 − v02 = 2ax は、v2 − v02 = 2 × (−g) × y なので、次のようになります。

v2 − v02 = −2gy
投げ下ろしの式の +g が −g に変わった形です。v0 は上向きに投げた初速度なので、正の数です。

上向きに 19.6 m/s で投げ上げたとき(v0 = +19.6 m/s)の、1 秒ごとの速度と位置は、次の表のようになります。

時刻 t(s)01.02.03.04.0
速度 v(m/s)+19.6+9.80−9.8−19.6
位置 y(m)0+14.7+19.6+14.70

たとえば t = 1.0 s では、v = 19.6 − 9.8 × 1.0 = 9.8 m/s です。位置は、y = 19.6 × 1.0 − 12 × 9.8 × 1.02 = 19.6 − 4.9 = 14.7 m です。速度は、1 秒ごとに 9.8 m/s ずつ減っています。加速度が −9.8 m/s² だからです。

t = 3.0 s の列を読みます。v = −9.8 m/s は、「下向きに 9.8 m/s の速さで落ちている」という意味です。y = +14.7 m は、「投げた点から 14.7 m 上にいる」という意味です。t = 1.0 s のときも、y は +14.7 m で同じ高さです。ちがうのは速度で、1.0 s では上がっていて(+9.8 m/s)、3.0 s では下がっています(−9.8 m/s)。

上がる間も、一瞬止まる時刻も、落ちる間も、加速度はずっと −9.8 m/s² です。加速度が変わらないので、投げてから落ちてくるまでを、v = v0 − gt と y = v0t − 12gt2 の1組の式で表せます。上がる間と下がる間で、式を変える必要はありません。自由落下も、上向きを正の向きにすれば、加速度は −g と書けます。どちらを正の向きにしても、運動そのものは同じです。

縦の物差し(下が原点(投げた点)で、上へ 0 から 20 m)の横に、初速度 +19.6 m/s で投げ上げた球を時刻 t の位置に描いた図。球の右に紫の速度の矢印(上がっているときは上向き、下がっているときは下向き、長さは速さに比例)、球の左に橙の加速度の矢印(いつも下向き、−9.8 m/s²、長さは一定)が出ている 加速度 −9.8 m/s²(一定)

上向きを正の向き、投げた点を原点としています。初速度は +19.6 m/s に固定しています。紫の矢印は速度、橙の矢印は加速度です。

速度 v m/s 位置 y m

やってみよう

時刻 t を 1.5 s にしてから、2.5 s に変えてください。位置 y の表示と、紫の速度の矢印の向きは、それぞれどうなりましたか。橙の加速度の矢印はどうですか。

分かること

位置はどちらも +18.4 m で、同じ高さです。速度の矢印は、1.5 s では上向き(+4.9 m/s)、2.5 s では下向き(−4.9 m/s)です。加速度の矢印は、どちらも下向きで、長さも同じです。

確認

上向きを正の向きにしたとき、投げ上げたボールが上がっている途中の加速度は、正ですか、負ですか。

答え

負です(−9.8 m/s²)。上がっている途中で正なのは速度です。

例題

ボールを鉛直上向きに 9.8 m/s で投げ上げました。投げてから 0.50 s 後の速度と位置を求めなさい。重力加速度の大きさは 9.8 m/s² とし、空気の抵抗は考えません。

  1. 鉛直上向きを正の向き、投げた点を原点、投げた時刻を 0 とします。
  2. 初速度は v0 = +9.8 m/s、加速度は a = −g = −9.8 m/s²、時刻は t = 0.50 s です。
  3. 速度は、v = v0 − gt = 9.8 − 9.8 × 0.50 = 9.8 − 4.9 = 4.9 m/s です。正なので、まだ上がっています。
  4. 位置は、y = v0t − 12gt2 = 9.8 × 0.50 − 12 × 9.8 × 0.502 = 4.9 − 1.225 = 3.675 m ≒ 3.7 m(2 桁に丸めて)です。正なので、投げた点より上にいます。

答え: 速度 +4.9 m/s(上向きに 4.9 m/s)、位置 +3.7 m(投げた点から 3.7 m 上)

3最高点

投げ上げたボールがいちばん高い所(最高点)に着くのは、速度が v = 0 になるときです。

項目2の表(v0 = +19.6 m/s)で、速度が 0 になるのは t = 2.0 s です。2.0 s までは速度が + で、ボールは上がっています。2.0 s からあとは速度が − で、ボールは下がっています。だから、t = 2.0 s のときがいちばん高く、位置は y = +19.6 m です。いちばん高い点を最高点といいます。最高点は、上がるのをやめて落ち始める点です。

最高点では、上向きにも下向きにも動いていないので、速度が 0 です。だから、最高点を求めるときは、v = 0 とおきます。

速度の式 v = v0 − gt に、v = 0 を入れます。v0 = +19.6 m/s なら、0 = 19.6 − 9.8 × t です。9.8 × t = 19.6 なので、t = 19.6 ÷ 9.8 = 2.0 s です。表と同じです。文字で書くと、0 = v0 − gt から t = v0 / g です。速度は 1 秒に 9.8 m/s ずつ減ります。速度が v0 から 0 になるまでに何秒かかるかを、割り算で求めているということです。

最高点の高さは、最高点までの時間 t = 2.0 s を、位置の式 y = v0t − 12gt2 に入れて求めます。y = 19.6 × 2.0 − 12 × 9.8 × 2.02 = 39.2 − 19.6 = 19.6 m です。

時間を使わない式 v2 − v02 = −2gy に、v = 0 を入れても求められます。02 − 19.62 = −2 × 9.8 × y なので、−384.16 = −19.6 × y です。y = 384.16 ÷ 19.6 = 19.6 m で、同じ答えになります。時間が分かっていないときや、高さだけを聞かれたときは、v2 − v02 = −2gy を使うと、時間を求めずに高さが分かります。

縦の物差し(下が原点(投げた点)で、上へ 0 から 20 m)と、原点にある球。「投げる」ボタンを押すと、球が原点から最高点まで上がり、そのまま落ちて原点に戻る。球が最高点に着くと、最高点の高さに横の点線と「最高点」の文字、原点から点線までの高さを示す両矢印と数値、下向きの橙の加速度の矢印と「最高点で 速度 0.0 m/s、加速度 −9.8 m/s²」の文字が出て、最高点の位置に球の薄い印が残る 最高点 最高点で 速度 0.0 m/s加速度 −9.8 m/s²

上向きを正の向き、投げた点を原点としています。空気の抵抗は考えません。

最高点までの時間 最高点の高さ

やってみよう

初速度の「+9.8 m/s」のボタンを押してから「投げる」を押し、最高点までの時間と高さを読んでください。次に「+19.6 m/s」のボタンを押して、もう一度「投げる」を押してください。初速度は2倍になります。最高点までの時間と最高点の高さは、それぞれ何倍になりましたか。

分かること

最高点までの時間は 1.0 s から 2.0 s で、2倍です。最高点の高さは 4.9 m から 19.6 m で、4倍です。時間が2倍になるうえに、その間の平均の速さも2倍になるので、高さは 2 × 2 = 4 倍になります。

確認

最高点の高さを v2 − v02 = −2gy で求めるとき、v にはいくつを入れますか。

答え

0 です。最高点では速度が 0 だからです。

例題

ボールを鉛直上向きに 14.7 m/s で投げ上げました。投げてから最高点に着くまでの時間と、最高点の高さ(投げた点からの高さ)を求めなさい。重力加速度の大きさは 9.8 m/s² とし、空気の抵抗は考えません。

  1. 鉛直上向きを正の向き、投げた点を原点、投げた時刻を 0 とします。初速度は v0 = +14.7 m/s です。
  2. 最高点では速度が 0 なので、v = 0 とおきます。
  3. v = v0 − gt に入れると、0 = 14.7 − 9.8 × t なので、t = 14.7 ÷ 9.8 = 1.5 s です。
  4. 高さは、y = v0t − 12gt2 = 14.7 × 1.5 − 12 × 9.8 × 1.52 = 22.05 − 11.025 = 11.025 m ≒ 11 m(2 桁に丸めて)です。
  5. v2 − v02 = −2gy でも確かめます。02 − 14.72 = −2 × 9.8 × y から、−216.09 = −19.6 × y なので、y = 216.09 ÷ 19.6 = 11.025 m で、同じです。

答え: 時間 1.5 s、最高点の高さ 11 m

練習問題

重力加速度の大きさは 9.8 m/s² とし、空気の抵抗は考えません。どの問題も、投げた点を原点、投げた時刻を 0 とします。パターン1は鉛直下向きを正の向き、パターン2は鉛直上向きを正の向きとします。

パターン1 鉛直投げ下ろし(下向きが正)

問1高い所から、小石を鉛直下向きに 4.9 m/s で投げ下ろしました。投げてから 0.50 s 後の速さと、それまでに落ちた距離を求めなさい。

答えを見る

速さ 9.8 m/s、落ちた距離 3.7 m

v0 = +4.9 m/s、a = +9.8 m/s²、t = 0.50 s。速さは v = v0 + gt = 4.9 + 9.8 × 0.50 = 4.9 + 4.9 = 9.8 m/s。落ちた距離は y = v0t + 12gt2 = 4.9 × 0.50 + 12 × 9.8 × 0.502 = 2.45 + 1.225 = 3.675 m ≒ 3.7 m

問2地面から高さ 20 m の所から、小石を鉛直下向きに 7.0 m/s で投げ下ろしました。小石が地面に着く直前の速さを求めなさい。

答えを見る

21 m/s

時間が分かっておらず、聞かれてもいないので、時間を使わない式 v2 − v02 = 2gy を使う。地面に着くとき y = 20 m。v2 − 7.02 = 2 × 9.8 × 20 なので、v2 − 49 = 392、v2 = 441。21 × 21 = 441 なので、v = 21 m/s

パターン2 投げ上げの最高点(v = 0)

問3ボールを鉛直上向きに 9.8 m/s で投げ上げました。最高点に着くまでの時間と、最高点の高さ(投げた点からの高さ)を求めなさい。

答えを見る

時間 1.0 s、高さ 4.9 m

最高点では v = 0。v = v0 − gt に入れて 0 = 9.8 − 9.8 × t なので、t = 9.8 ÷ 9.8 = 1.0 s。高さは y = v0t − 12gt2 = 9.8 × 1.0 − 12 × 9.8 × 1.02 = 9.8 − 4.9 = 4.9 m(v2 − v02 = −2gy でも、0 − 9.82 = −2 × 9.8 × y から y = 96.04 ÷ 19.6 = 4.9 m)

問4ボールを鉛直上向きに投げ上げたところ、投げた点から 10 m 上の最高点まで上がりました。投げ上げたときの速さを求めなさい。

答えを見る

14 m/s

最高点では v = 0、そのときの位置は y = +10 m。時間が分かっていないので、v2 − v02 = −2gy を使う。02 − v02 = −2 × 9.8 × 10 なので、−v02 = −196、v02 = 196。14 × 14 = 196 なので、v0 = 14 m/s。高さから初速度を逆に求めるときも、「最高点では v = 0」を使えばよい

つまずきやすいところ

まとめ

公式

投げ下ろしv = v0 + gt、y = v0t + 12gt2(下向きが正)
投げ上げv = v0 − gt(上向きが正)
投げ上げの位置y = v0t − 12gt2
時間を使わない式v2 − v02 = −2gy(投げ上げ)
最高点v = 0(加速度は −g のまま)

どの式も、投げた点を原点、投げた時刻を 0 とし、空気の抵抗を考えないときの式です

物理基礎 第1章 運動の表し方

  1. 速さと速度・等速直線運動
  2. x-t グラフと v-t グラフ
  3. 速度の合成と相対速度(直線上)
  4. 等加速度直線運動
  5. 等加速度直線運動(2)
  6. 等速直線運動と等加速度直線運動の応用
  7. 等速直線運動と等加速度直線運動の応用(2)
  8. 自由落下運動
  9. 鉛直投射(投げ下ろし・投げ上げ)
  10. 鉛直投射(2)

高校物理の単元の一覧