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『頭脳王2018』計算解説2~ブラックホールの直径&小平奈緒選手の山手線一周タイム

日本テレビ『頭脳王2018』の放送終了直後、昨日0時過ぎに、

第一弾記事をアップした。

 

 日テレ『頭脳王2018』決勝戦の計算解説

 ~大声怪獣の体長、100回転ロボットのジャンプの高さ

 

今日は第二弾として、ブラックホール問題と山手線問題の

解き方を具体的に説明してみよう。

 

テレビ番組ではほとんど答だけになってるけど、ここでは途中

の式や考え方も示してある。スマホの場合は、画面を横向き

にした方が見やすいかも知れない。

 

 

     ☆        ☆        ☆

ではまず、準決勝のブラックホール問題。東大・京大の天才

たち4人がチャレンジ。正解は東大医学部の「神(かみ)脳」・

河野玄斗のみだった。今年の出演者の中では飛び抜けてた

から、優勝はもっともだ。

 

ただ、数理系の問題は全て、テレビのクイズ番組のレベル。

計算や暗記の速さ、正確さが問われるけど、考え込む難問

はない。

 

一応、今年一番解きにくかったのはブラックホール問題だと

思う。高校物理の教科書レベルの知識が必要だし、高校や

大学受験ではあまり出ないタイプの問題だった。

 

大学以上の物理学だと、「シュワルツシルト半径」とか

「シュヴァルツシルト半径」として有名で、公式も簡単だ。

万有引力定数G、星の質量M、光速cを使って、

 

 (半径) R = 2GM / c²

 

以下では、上の公式は使わず、普通に計算する。まず

複雑な条件の画面を示しておこう。非営利の個人ブログ

の記事における、出典を明示した限定的引用なので、

著作権法の許容範囲だと考える。

 

180204b

 

 

    ☆        ☆        ☆

ブラックホールの半径の定義は、要するに、いくらスピード

を上げても重力によって引き戻されてしまう範囲という

意味だ。光速でさえ脱出できないから、あらゆるものが

脱出できない。では、計算していこう。

 

(重力源となる星の質量)

 M = 太陽の質量の210億倍

  =(1.99×10³⁰)×(210×10⁸)

  =1.99×21×10³⁹

 

中心からR(m)離れた所で、質量N(kg)の物体を

光速c(m/s)で放つ時、

 

 (運動エネルギー) = Nc² / 2 

 

 (位置エネルギー)

  = -(万有引力定数G)×(星の質量)

     ×(物体の質量N) / R

  = -GN×(星の質量) / R

 

ちなみに位置エネルギーがマイナスなのは、半径が

中心から伸びていく向き(つまり外向き)とは逆に、

中心へと引きつけるからだ。

 

上の2つのエネルギーの総和がゼロだから、

 

 Nc²/2-GN×(星の質量)/R=0

 ∴ Nc²/2 = GN×(星の質量)/R

 

Nはゼロでないから、両辺をNで割って整理すると

 R=2G×(星の質量)/c²  ・・・(これが公式)

  =2×(6.67×10⁻¹¹)×(1.99×21×10³⁹)

       / (3×10⁸)²

  =13.34×13.93×10¹² / 3

  =1.858262×10¹⁴ / 3

 

 ∴ (直径)=2R

      =3.716524×10¹⁴ / 3

      =1.238・・・×10¹⁴ (m)

      ≒1.24×10¹¹ (km) ・・・答

 

 

割り算するのはなるべく遅らせて、四捨五入は最後

に行う。最後の有効数字が3桁だから、もし途中で

小数を省略する時は4ケタ以上書く。

 

 

    ☆        ☆        ☆

続いて、スピードスケートの小平奈緒選手が世界記録

ペースで山手線を一周すると、何分何秒かかるか?

「不可能!」とか答える人は、クイズには向かない♪

 

180204a

 

1000mで1分12秒09だから、

1kmで72.09秒。

 

∴ (山手線一周34.5kmのタイム)

    =72.09×34.5

    =2487.105 (秒)

    =41分27.105秒

    ≒41分27.11秒 ・・・答

 

 

時間がないので、今日はこの2問にしとこう。数日先に、

もう第三弾記事を書くかも知れないけど、後はほとんど

去年と同じような問題だったから、去年の記事だけでも

十分のような気もしてる。下のリンクを参照。

 

今週は合計14182字で終了となった。

ではまた来週。。☆彡

 

 

 

cf.『頭脳王2016』、太陽にスマッシュしたシャトルが届く時間

          &立方体の体積の解説

 『頭脳王2016』問題・解説2~大谷のホームランの

       飛距離、数列8パズル、ジグソー不足ピース

 『頭脳王2016』問題・解説3

   ~立体三目並べの先手必勝法&テレビの対局内容

 

   ・・・・・・・・・・

 頭脳王2018、1次予選・謎解き問題の解き方&短距離ラン

 『頭脳王 2017』実力テスト「謎解きクイズ」、問題と考え方

 『頭脳王2016』1次予選クイズの問題、解き方、感想

 

             (計 1792字)

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