力と運動の問題
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。
この問題で使うもの
- 運動方程式(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(39 技能)
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- 正負の数の加法・減法
- 分数のかけ算・わり算
- 正負の数の乗除・累乗と四則混合
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- 平方根の意味と根号の簡単化
- 三平方の定理
- 特別な直角三角形の辺の比
- 小数と分数のまじった計算
- 最大公約数と最小公倍数
- 比の性質と簡単な比
- 三角形の角の大きさ
- 相似な三角形と長さの比
- 対頂角と平行線の同位角・錯角
- 三角形の相似条件と対応する辺の長さ
- 三角比の定義と値
- 三角形の外角と角の組み合わせ
- 逆算(□ を求める)
- 分配法則を使った計算のくふう
- 文字式の計算(同類項・分配法則)
- 1 次方程式の解き方
- 二等辺三角形の角
- 平行四辺形と特別な四角形の性質
- 乗法公式による展開
- 折り返した図形の角と長さ
- 三平方の定理と平面図形
- ベクトルの演算と成分
- 重力と力の大きさ
- 2 力のつり合いと作用・反作用
- 力の種類とはたらき
- 重力・垂直抗力・張力の性質
- 慣性の法則と力のつり合い
- 力の分解と質点のつり合い
- 運動の法則(運動方程式)
- 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
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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。