無料でしっかり基礎固め！高校物理問題演習「加速する電車内のつり合いと落下運動」【高校物理対応】

今回の問題

この問題のテーマは「慣性力と座標系の変換」です。
問題を解く上で鍵となる物理法則や概念は以下の通りです。

慣性力: 加速する座標系（非慣性系）で物体の運動を考えるときに導入される見かけの力。大きさは \(ma_0\)、向きは座標系の加速度 \(a_0\) と逆向き。
慣性系と非慣性系: 静止または等速直線運動する座標系を「慣性系（地面など）」、加速運動する座標系を「非慣性系（電車など）」と呼びます。どちらの視点で見るかによって、現象の記述方法が変わります。
運動の独立性: 2次元の運動は、互いに直交する2つの方向（水平と鉛直）の運動に分解して、独立に考えることができます。

基本的なアプローチは以下の通りです。

(1)では、加速する電車内という「非慣性系」の視点に立ち、小物体にはたらく力（重力、張力、慣性力）のつり合いから加速度 \(a\) を求めます。
(2)では、地面という「慣性系」の視点に切り替えます。糸が切れた後の小物体は、初速度 \(v\) を持つ放物運動をすると考え、落下時間と水平移動距離を計算します。
(3)では、再び「非慣性系」の視点に戻ります。電車内の観測者から見ると、小物体は初速度0で、慣性力によって水平方向に加速しながら落下するように見えます。この運動を解析します。

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