円運動・単振動・万有引力（知識）の問題

水平な円板が、その中心を通る鉛直な軸のまわりに一定の角速度 $\omega$ で回転している。円板の上で、回転軸から距離 $r$ の位置に質量 $m$ の小物体を置いたところ、小物体は円板に対してすべらずに円板とともに回転した。小物体にはたらく実際の力は、重力、円板からの垂直抗力、円板からの静止摩擦力だけであり、空気抵抗は無視する。この小物体について述べた文として最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

• ア　床に静止した観測者から見ると、小物体には静止摩擦力と大きさ $mr{\omega }^2$ の遠心力がはたらき、水平方向の力はつりあっている。
• イ　円板とともに回転する観測者から見ると、遠心力は静止摩擦力の反作用であり、小物体が円板に及ぼす力である。
• ウ　円板とともに回転する観測者から見ると、小物体には回転軸から遠ざかる向きに大きさ $mr{\omega }^2$ の遠心力がはたらき、静止摩擦力とつりあっている。
• エ　円板とともに回転する観測者から見ると、角速度 $\omega$ が一定のとき、遠心力の大きさは回転軸からの距離 $r$ に反比例する。
• オ　円板とともに回転する観測者から見ると、遠心力の向きは小物体の速度の向き（円の接線方向）である。

地球は、北極と南極を結ぶ地軸のまわりに一定の角速度で自転している。地表に対して静止している物体を、地球とともに回転する観測者（地表にいる観測者）から見ることを考える。

この観測者から見ると、物体には、地球が物体に及ぼす万有引力のほかに、地軸から遠ざかる向きに、地軸からの距離と物体の質量に比例する大きさの遠心力がはたらいているように見える。この観測者は、万有引力と遠心力の 2 つの力をまとめて 1 つの力として扱い、この合力の向きを「鉛直下向き」と定めている。

地表に対して静止している物体にはたらく、地球からの万有引力と地球の自転による遠心力との合力を何というか。漢字で答えよ。

単振動をする物体には、つりあいの位置（振動の中心）からの変位を $x$ として、$F=-Kx$（$K$ は正の定数）と表される力がはたらいている。この力は、大きさが変位の大きさに比例し、向きはつねに変位と逆向き、すなわち振動の中心を向いている。なめらかな水平面上の水平なばね振り子ではばねの弾性力が、鉛直につるしたばね振り子ではばねの弾性力と重力の合力が、振れ幅の小さい単振り子では重力と糸の張力の合力のおもりの運動方向の成分が、この力の役割をしている。

このように、単振動をする物体をつねに振動の中心へもどそうとする向きにはたらく $F=-Kx$ の力を何というか。漢字で答えよ。

地球のまわりを回る人工衛星と、宇宙速度について述べた次の文ア〜カのうち、正しいものをすべて選べ。ただし、地球は質量が一様に分布した球とし、人工衛星にはたらく力は地球からの万有引力だけとする。また、第一宇宙速度・第二宇宙速度は、地表から打ち上げる物体について、空気抵抗と地球の自転の影響を無視して考えたものとする。

• ア　静止衛星は、赤道の真上の円軌道を、地球の自転と同じ向きに、自転と同じ周期で回っている。
• イ　地球のまわりを等速円運動する人工衛星は、軌道半径が大きいものほど速さが大きい。
• ウ　第一宇宙速度は、地表すれすれの高さの円軌道を等速円運動する人工衛星の速さである。
• エ　第二宇宙速度は、地表から打ち上げた物体が地球の万有引力を振り切って、地球から無限に遠くまで遠ざかるために必要な最小の初速の大きさである。
• オ　第二宇宙速度の大きさは、第一宇宙速度の大きさよりも小さい。
• カ　人工衛星の中で物体が浮いているように見えるのは、人工衛星の中の物体には地球からの万有引力がはたらかないからである。

道路のカーブで、路面が水平面に対して角 $\theta$（$0<\theta <\frac{\pi }{2}$）だけ、カーブの内側が低くなるように傾けてある。この路面上を、質量 $m$ の自動車が、水平面内にある半径 $r$ の円周に沿って一定の速さで走っている。路面と自動車の間の摩擦と空気抵抗は無視でき、自動車は大きさの無視できる物体とみなす。自動車にはたらく力は重力と路面からの垂直抗力だけであり、自動車は路面に沿って上下にずれることなく走っている。重力加速度の大きさを $g$ とし、運動は地面に対して静止している観測者から見たものとする。

この自動車の運動について述べた文として最も適当なものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。

• ア　自動車の加速度の向きは、路面に沿ってカーブの内側に向かって下る向きである。
• イ　自動車には、重力と垂直抗力のほかに、円の中心向きの向心力がはたらいており、これら 3 つの力がつりあっている。
• ウ　重力と垂直抗力の合力は水平で円の中心を向いており、この合力が向心力の役割をしている。
• エ　垂直抗力の大きさは、自動車が傾いた路面上に静止しているときと同じく $mg\cos \theta$ である。
• オ　自動車の速度の向きは円の中心を向いており、加速度の向きは円の接線方向である。