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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

水平面となす角が のあらい斜面がある。この斜面上で、質量 の小物体が斜面にそってすべり下りている。小物体と斜面のあいだの動摩擦係数を 、重力加速度の大きさを とし、空気抵抗は無視する。また、 とする。すべり下りている小物体の加速度の大きさは何 か。有効数字 2 桁で求めよ。

運動の向き
あらい斜面をすべり下りる小物体

この問題で使うもの

この問題を解けるようになるまで(42 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. 静止摩擦力・最大摩擦力・動摩擦力
  39. 静止摩擦力と動摩擦力
  40. 運動の法則(運動方程式)
  41. 運動方程式
  42. あらい面・斜面上の運動

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

あらい斜面上の運動の技能を使う。小物体にはたらく力(重力・垂直抗力・動摩擦力)をすべてかき出し、重力を斜面に平行な方向と垂直な方向に分解しよう。動摩擦力は運動の向きと逆向き(斜面上向き)にはたらく。

ヒント 2

斜面に垂直な方向のつり合いから 。動摩擦力の大きさは である。斜面下向きを正として、斜面にそった方向に を立てる。

ヒント 3

運動方程式は となり、 で割ると 。あとは数値を代入する。

答えと解説

答えを見る
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解説を読む

小物体にはたらく力は、重力 (鉛直下向き)、垂直抗力 (斜面に垂直で上向き)、動摩擦力(斜面にそって上向き)の 3 つである。動摩擦力は運動の向き(斜面下向き)と逆向きにはたらく。

手順 1: 重力を斜面に平行な方向と垂直な方向に分解する

斜面に平行な成分(斜面下向き)は 、斜面に垂直な成分(斜面に押しつける向き)は である。

手順 2: 斜面に垂直な方向の力のつり合いから垂直抗力を求める

小物体は斜面から離れず、斜面に垂直な方向には加速しないので、この方向の力はつり合っている。

したがって動摩擦力の大きさは

手順 3: 斜面にそった方向の運動方程式を立てる

斜面下向きを正、加速度を とすると、

両辺を で割ると

手順 4: 数値を代入する

、 より

なので加速度は斜面下向きで、その大きさは有効数字 2 桁で である。

別解

斜面方向(すべり下りる向きを正)の運動方程式は 。垂直抗力は なので、動摩擦力は 。

よって 。

より 。。

。

検算: は 、摩擦力は 。差は で、 となり一致する。

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