物理分野の用語と知識の問題
水平でなめらかな机の上に台車を置き、台車に記録タイマーに通した紙テープをつけた。台車を手で運動の向きに押し続け、途中で手をはなしたところ、台車はそのまま机の上を一直線に進んだ。紙テープを 0.1 秒ごとの打点の間隔で区切り、区間 1 から順に、それぞれの区間の長さを調べると、次の表のようになった。ただし、台車と机の間の摩擦や空気の抵抗は無視できるものとする。
| 区間 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 区間の長さ〔cm〕 | 2.0 | 4.0 | 6.0 | 7.0 | 7.0 | 7.0 |
区間 4〜6 で台車が運動しているときのようすについて述べた文として最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
- ア 台車には、運動の向きに一定の大きさの力がはたらき続けている。
- イ 台車には、運動の向きにだんだん大きくなる力がはたらいている。
- ウ 台車の運動の向きには力がはたらいておらず、台車は慣性によって等速直線運動をしている。
- エ 台車には、運動の向きと逆向きに一定の大きさの力がはたらいている。
この問題で使うもの
- 慣性の法則と物体の運動（説明と入口の問題）
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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
区間の長さが何を表しているかを考え、区間 4〜6 で台車の速さがどう変化しているかを読み取ろう。
ヒント 2
運動の向きに力がはたらき続けると速さは変化する。速さが一定のとき、運動の向きにはどんな力がはたらいているだろうか。
ヒント 3
区間 4〜6 では区間の長さが一定なので、速さは一定である。速さが変わる運動を表している選択肢は除ける。
答えと解説
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ウ
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解説を読む
区間の長さは、0.1 秒間に台車が進んだ距離を表す。
区間 1〜3 では区間の長さが 2.0 cm、4.0 cm、6.0 cm とだんだん長くなっているので、台車の速さはだんだん速くなっている。これは、手が台車を運動の向きに押し続け、運動の向きに力がはたらいていたためである。
区間 4〜6 では区間の長さがどれも 7.0 cm で一定なので、台車は一定の速さで一直線上を進む等速直線運動をしている。このとき手ははなれており、摩擦や空気の抵抗も無視できる。台車にはたらく重力と机からの垂直抗力はつり合っているので、台車にはたらく力はつり合っている（運動の向きには力がはたらいていない）。物体に力がはたらいていないか、はたらく力がつり合っているとき、運動している物体は等速直線運動を続ける（慣性の法則）。物体がもつこの性質を慣性という。よって、ウが正しい。
- ア：運動の向きに一定の力がはたらき続けると、台車の速さはだんだん速くなり、区間の長さは一定にならない。
- イ：運動の向きにはたらく力が大きくなると、速さの増え方も大きくなり、区間の長さは一定にならない。
- エ：運動の向きと逆向きに力がはたらくと、台車の速さはだんだん遅くなり、区間の長さはだんだん短くなる。
したがって、答えはウである。
別解
区間の長さは 0.1 秒ごとの台車の移動距離である。区間 4〜6 はいずれも 7.0 cm で、同じ時間に進む距離が一定なので、台車は一定の速さで一直線に進む等速直線運動をしている。速さは cm/s で一定である。
選択肢の確認：
ア：誤り。運動の向きに一定の力がはたらき続けると、速さは一定の割合でふえ続ける（区間 1〜3 のように区間の長さが等しい割合でふえる）。区間 4〜6 では速さが変わっていない。
イ：誤り。力がだんだん大きくなれば、速さのふえ方もだんだん大きくなるはずだが、速さは一定である。
ウ：正しい。机がなめらかで空気の抵抗も無視できるので、手をはなしたあとは運動の向きに力がはたらかない。力がはたらかない物体は慣性によって等速直線運動を続ける。
エ：誤り。運動の向きと逆向きに力がはたらくと、速さはだんだん小さくなる。区間の長さは変わっていない。
よってウ。