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力のはたらきの問題

難易度 1教科書の例題レベル中学理科 力のはたらき

水平でなめらかな机の上に小さなリング O を置き、3 本の糸をつけて、それぞれをばねばかりで水平に引きました。1 本目の糸は東向きに 、2 本目の糸は北向きに の力でリングを引いています。3 本目の糸を引く向きと力の大きさを調節したところ、リングは静止しました。3 本目の糸がリングを引く力の大きさは何 N ですか。ただし、リングと机のあいだの摩擦は考えず、糸の質量は考えないものとします。

O3 N4 N東北
真上から見た図(3 本目の糸は描いていない)

この問題で使うもの

この問題を解けるようになるまで(3 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。

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  1. 重力と力の大きさ
  2. 2 力のつり合いと作用・反作用
  3. 力の合成と 3 力のつり合い

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

力の合成と 3 力のつり合いを使います。3 力がつり合うとき、2 力の合力は残りの力と同じ大きさで反対向きです。

ヒント 2

東向き と北向き は直角に交わる 2 力です。平行四辺形(長方形)の対角線が合力になり、その長さは三平方の定理で求められます。

ヒント 3

合力の大きさは です。3 本目の力はこの合力とつり合います。

答えと解説

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3 力のつり合いの考え方

リングは静止しているので、リングにはたらく水平方向の 3 つの力はつり合っています(机はなめらかなので摩擦力ははたらかず、重力と机からの垂直抗力は鉛直方向でつり合っています)。

3 力がつり合っているとき、2 力の合力は、残りの 1 力と同じ大きさで反対向きになります。そこで、1 本目と 2 本目の糸が引く力の合力を求めます。

2 力の合力を求める

東向き と北向き の力は直角に交わっています。この 2 力を 2 辺とする平行四辺形は長方形になり、合力はその対角線で表されます。

対角線の長さは三平方の定理より

なので、合力の大きさは です。

3 本目の力を求める

3 本目の糸が引く力は、この合力と同じ大きさで反対向き(南西の向き)なので、大きさは です。

別解

リングが静止しているので、3 本の力はつり合っている。したがって 3 本目の力は、1 本目(東向き 3 N)と 2 本目(北向き 4 N)の合力と大きさが等しく、向きが反対(南西寄り)である。東向きと北向きは垂直なので、合力の大きさは直角三角形の斜辺として、三平方の定理より N。よって 3 本目の糸がリングを引く力は 5 N。確かめ: 3 本目の力を東西方向と南北方向に分けると、西向き 3 N と南向き 4 N で、東向きの 3 N、北向きの 4 N とそれぞれつり合い、全体の合力は 0 になる。

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