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力と運動の問題

難易度 1教科書の例題レベル高校物理 力と運動

質量 の物体に軽い糸をつけ、糸の上端を鉛直上向きに引いて、物体を鉛直上向きに大きさ の加速度で動かした。重力加速度の大きさを とし、空気抵抗は無視する。このとき、糸が物体を引く力(張力)の大きさは何 N か。有効数字 2 桁で求めよ。

糸加速度

この問題で使うもの

この問題を解けるようになるまで(39 技能)
算数中学高校大学大学院

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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。

一覧で見る(前提が先)
  1. 四則の混じった計算の順序
  2. 三角形・四角形の面積
  3. 分数のたし算・ひき算
  4. 小数の四則計算
  5. 正負の数の加法・減法
  6. 分数のかけ算・わり算
  7. 正負の数の乗除・累乗と四則混合
  8. 約数の見つけ方
  9. 素因数分解と約数の個数
  10. 平方根の意味と根号の簡単化
  11. 三平方の定理
  12. 特別な直角三角形の辺の比
  13. 小数と分数のまじった計算
  14. 最大公約数と最小公倍数
  15. 比の性質と簡単な比
  16. 三角形の角の大きさ
  17. 相似な三角形と長さの比
  18. 対頂角と平行線の同位角・錯角
  19. 三角形の相似条件と対応する辺の長さ
  20. 三角比の定義と値
  21. 三角形の外角と角の組み合わせ
  22. 逆算(□ を求める)
  23. 分配法則を使った計算のくふう
  24. 文字式の計算(同類項・分配法則)
  25. 1 次方程式の解き方
  26. 二等辺三角形の角
  27. 平行四辺形と特別な四角形の性質
  28. 乗法公式による展開
  29. 折り返した図形の角と長さ
  30. 三平方の定理と平面図形
  31. ベクトルの演算と成分
  32. 重力と力の大きさ
  33. 2 力のつり合いと作用・反作用
  34. 力の種類とはたらき
  35. 重力・垂直抗力・張力の性質
  36. 慣性の法則と力のつり合い
  37. 力の分解と質点のつり合い
  38. 運動の法則(運動方程式)
  39. 運動方程式

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

技能「運動方程式」を使います。まず物体にはたらく力(重力と張力)をすべて図に書き込み、鉛直上向きを正として運動方程式 を立てましょう。

ヒント 2

上向きを正とすると、合力は「張力 − 重力 」です。運動方程式は となります。

ヒント 3

と変形できます。 なので、これに質量 を掛けます。

答えと解説

答えを見る
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解説を読む

手順 1: 物体にはたらく力をすべて書き出す。
物体にふれているのは糸だけなので、接触してはたらく力は糸の張力(鉛直上向き、大きさを とする)だけです。ほかに、離れていてもはたらく重力(鉛直下向き、大きさ )があります。物体にはたらく力はこの 2 つです。

手順 2: 運動の向きと正の向きを決める。
物体は鉛直上向きに加速しているので、鉛直上向きを正とします。加速度は です。

手順 3: 運動の向きの成分について を立てる。
鉛直上向きを正とすると、合力は です。よって運動方程式は

となります。

手順 4: 解いて数値を代入する。

加速度が上向きなので合力も上向きであり、張力は重力の大きさ より大きくなっています。これは「加速度の向きは合力の向きと同じ」という運動の法則と合っています。

答え:

別解

鉛直上向きを正とし、物体にはたらく力は上向きの張力 と下向きの重力 である。運動方程式は となるので、 N。有効数字 2 桁で N。検算: N、 N で一致する。

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