力と運動（知識）の問題
水平な線路の上を、進行方向に一定の加速度で速さを増しながら走っている電車がある。電車の天井から軽い糸で質量 のおもりをつるしたところ、電車内の観測者には、糸が鉛直から傾いた状態でおもりが静止して見えた。電車の加速度の大きさを とする。
次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、下のア〜エのうちから 1 つ選べ。
> 電車内の観測者から見ると、おもりには重力と糸の張力のほかに、大きさ で電車の［ a ］の慣性力がはたらき、これらの力がつり合っているように見える。慣性力は、観測者自身が加速度運動をしているために考える見かけの力であり、この力をおもりにおよぼしている物体は［ b ］。
| a | b | |
|---|---|---|
| ア | 進行方向と同じ向き | 電車である |
| イ | 進行方向と逆向き | 存在しない |
| ウ | 進行方向と同じ向き | 存在しない |
| エ | 進行方向と逆向き | 電車である |
この問題で使うもの
- 慣性系・非慣性系と慣性力（説明と入口の問題）
この問題を解けるようになるまで（8 技能）
読み込み中…
右端（太枠）がこの問題で使う技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。
ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
加速している観測者から見たときに考える慣性力の向きと、その力の性質を思い出そう。
ヒント 2
加速度 で運動する観測者から見ると、物体には の慣性力がはたらいているように見える。慣性力は見かけの力である。
ヒント 3
慣性力の向きが加速度と逆向きであることから、a はア・ウかイ・エのどちらかに絞れる。あとは、見かけの力をおよぼす物体があるかどうかを考えよう。
答えと解説
答えを見る
イ
どこでつまずきましたか？（選ぶと、戻る場所を案内します）
解説を読む
正解はイである。
空欄 a: 加速度 で運動する観測者から見ると、質量 の物体には、観測者の加速度と逆向きに大きさ の慣性力 がはたらいているように見える。電車は進行方向に加速しているので、慣性力の向きは進行方向と逆向きである。このためおもりは進行方向と逆向き（後方）に傾いて静止して見える。「進行方向と同じ向き」は、慣性力の向きを加速度と同じ向きと取り違えた誤りである。
地上（慣性系）の観測者から見ると、慣性力は考えない。おもりは電車とともに進行方向に加速度 で運動しており、重力と張力の合力が進行方向に大きさ となって、運動方程式 を満たしている。
空欄 b: 重力・張力・垂直抗力などのふつうの力には、それをおよぼす物体があり、その物体に反作用がはたらく。しかし慣性力は、加速度運動をする観測者（非慣性系）から見たときに運動の法則が成り立つように導入する見かけの力であり、およぼしている物体は存在しない。したがって慣性力には反作用もない。「電車である」は誤りである（電車からおもりにはたらく力は、糸を通しての張力である）。
よって、a は「進行方向と逆向き」、b は「存在しない」で、イが正しい。
別解
慣性力は観測者の加速度と逆向きにはたらく。電車は進行方向に加速しているので、慣性力は進行方向と逆向きで大きさ （a は「進行方向と逆向き」）。慣性力は観測者の加速度運動のために生じる見かけの力で、力をおよぼす物体は存在せず、反作用もない（b は「存在しない」）。よってイ。確認：ア・ウは向きが誤り、エは b が誤り。