物理分野の用語と知識の問題
まっすぐで水平な線路の上を走る電車の天井から、つり革がつり下がっている。次の文は、電車の運動とつり革や乗客のようすについて述べたものである。
電車が駅を出発して、進行方向に一直線に進みながら速さがしだいに大きくなっている間、つり革は電車の進行方向に対して a に傾いていた。その後、電車が一定の速さで一直線に走るようになると、つり革は鉛直に下がった。このように電車が一定の速さで一直線に走っている間、電車の床に立ってじっとしている乗客にはたらく力の合力は、b。
文中の a、b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
| a | b | |
|---|---|---|
| ア | 前方 | 0 である |
| イ | 前方 | 進行方向の向きである |
| ウ | 後方 | 0 である |
| エ | 後方 | 進行方向の向きである |
- ア a：前方、b：0 である
- イ a：前方、b：進行方向の向きである
- ウ a：後方、b：0 である
- エ a：後方、b：進行方向の向きである
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）
この問題を解けるようになるまで（3 技能）
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ヒント
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ヒント 1
物体がそれまでの運動の状態を続けようとする性質（慣性）と、慣性の法則を使って考えよう。
ヒント 2
電車が速さを増すとき、つり革の下の部分は「それまでの速さ」で進み続けようとする。また、等速直線運動をしている物体にはたらく力は、はたらいていないか、つり合っている。
ヒント 3
a は、電車に対してつり革の下の部分が遅れるか先に進むかを考えればア・イかウ・エに絞れる。b は、一定の速さで動き続けるのに進行方向の力が必要かどうかを考えよう。
答えと解説
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ウ
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解説を読む
a について
物体には、外から力がはたらかないかぎり、それまでの運動の状態を続けようとする性質（慣性）がある。電車が速さを増しているとき、天井（つり革の上端）は電車といっしょに前へ速く進むようになるが、つり革の下の部分は慣性によってそれまでの速さで進み続けようとするため、電車に対して取り残されるように遅れる。そのため、つり革は進行方向に対して 後方 に傾く。（電車がブレーキをかけて速さが小さくなるときは、逆に前方に傾く。）
b について
電車が一定の速さで一直線に走っているとき、乗客も電車と同じ速さで一直線に進んでいるので、乗客は等速直線運動をしている。慣性の法則より、等速直線運動をしている物体には力がはたらいていないか、はたらいている力がつり合っている。したがって、乗客にはたらく力（重力と床からの垂直抗力など）の合力は 0 である。「進んでいる向きに力がはたらき続けなければ動き続けられない」と考えるのは誤りで、つり革が鉛直に下がっていることも、水平方向に力の合力がはたらいていないことを示している。
各選択肢について
- ア・イ：速さが大きくなっているとき、つり革は慣性によって遅れるので前方ではなく後方に傾く。a が誤り。（イは b も誤り。）
- エ：等速直線運動をしている乗客にはたらく力の合力は 0 であり、進行方向の向きの合力ははたらいていない。b が誤り。
よって、正しい組み合わせは ウ である。
別解
【a について】電車が進行方向に速さを増しているとき、つり革にはたらく力は重力と糸（持ち手の支え）の張力だけである。つり革も電車といっしょに加速しているので、合力は進行方向（前方）を向く必要がある。張力の水平成分が前向きの合力になるためには、つり革の下端が支点より後方にあって、張力が斜め前上向きになっていなければならない。したがってつり革は後方に傾く。（電車の中から見ると、慣性によってつり革が後ろに取り残されるように見える。）
【b について】電車が一定の速さで一直線に走っているとき、電車の中の乗客も一定の速さで一直線に進んでいる（等速直線運動）。等速直線運動をしている物体にはたらく力の合力は 0 である（力がつり合っているか、力がはたらいていない）。乗客にはたらく重力と床からの垂直抗力がつり合っていて、合力は 0 になる。
【選択肢の確認】
ア（前方、0 である）：a が誤り。
イ（前方、進行方向の向き）：a も b も誤り。
ウ（後方、0 である）：a、b ともに正しい。
エ（後方、進行方向の向き）：a は正しいが、b が誤り（等速なので合力は 0）。
よって答えはウ。