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【イメージ重視の物理基礎】運動方程式とは?図を使ってわかりやすく解説!

この記事では

  • まずはザックリ理解したい
  • イメージを優先したい
  • 苦手を克服したい

というひと向けに解説をしていきます。

 

【今回わかること】

  • 運動方程式の公式
  • 運動方程式の意味
  • 運動方程式の使い道

 

 

運動方程式の公式とは?

運動方程式をイメージできるようにするためには「質量」「加速度」「力」の3つの知識が必要です。
まずは、この3つのイメージを理解したうえで読み進めてください。

(質量についてはこちら →重力・重力加速度とは?
(加速度についてはこちら → 加速度の求め方とは?
(力についてはこちら → 力学で覚える6種類の力とは?

 

「運動方程式」という言葉だけ聞くと、ものすごい専門的な用語のようで難しく感じてしまいがちです。

しかし安心してください。

実は、簡単な想像だけで式のイメージを理解できるようになります!

まこと
正確な公式の証明ではなく、苦手を克服するためにイメージ重視で解説します!

 

運動方程式の意味

運動方程式は、運動のようすと力の間に成り立つ関係を式にしたものです。

  • 左辺には「質量」「加速度」
  • 右辺には「力」
まこと
この3つの間に成り立つ関係を「台車を押す人」でイメージしていきましょう!

 

質量が同じ台車を押す場合

 

同じ量の荷物が乗った台車(つまり質量が同じ)を男性と女性が押しているとします。

ここでは男性の方が押す力が大きいという設定で話を進めましょう。

ではここで問題です!

 

台車の加速度が大きくなるのは男性側と女性側のどっち?

 

決まりましたか?

答えは「男性側」です。

同じ台車なら、押す力が大きい方が加速度も大きくなるというのはイメージが湧きやすいでしょう。

 

ここから分かることをまとめておきましょう。

同じ質量であれば

  • 加速度が大きい方が、押す力も大きい
  • 加速度が小さい方が、押す力も小さい

という関係が分かります。

通常は「比例」という言葉で表現しますが、物理に苦手意識があるうちは無理にそのような言葉を使わなくても大丈夫です。

  • 左辺にいる加速度 a が大きいとき、右辺の力 F も大きくなる。
  • 左辺にいる加速度 a が小さいとき、右辺の力 F も小さくなる。

という式との対応関係も理解できそうであれば、ぜひ今回で覚えておきましょう!

 

台車の加速度が同じとき

今度は台車に乗っている荷物の量は違うとしましょう。

ただし、どちらも台車の加速度は同じという設定です。

ではここで問題です!

 

台車を押す力が大きいのは左右どっちの男性?

 

決まりましたか?

答えは「左側の男性」です。

荷物が乗ってる台車は重くて遅くさせにくいはずです。

それなのに同じように加速させているということは、強めの力で押しているはずですよね?

つまり、同じように加速させるなら質量が大きい方が押す力も大きくなくてはいけないということになります。

ここから分かることをまとめておきましょう。

同じ加速度であれば

  • 質量が大きい方が、押す力も大きい
  • 質量が小さい方が、押す力も小さい

という関係が分かります。

これも通常は「比例」という言葉で表現しますが、物理に苦手意識があるうちは無理にそのような言葉を使わなくても大丈夫です。

  • 左辺にいる質量 m が大きいとき、右辺の力 F も大きくなる。
  • 左辺にいる質量 m が小さいとき、右辺の力 F も小さくなる。

という式との対応関係も理解できそうであれば覚えておきましょう!

 

運動方程式の使い道

高校物理で運動方程式を使うときは、基本的に次のものを求めるために使用します。

物体の加速度を求めるために使う

「質量」「物体に働く力」を読みとって、運動方程式の m と F のところに代入して計算すると加速度 a が求められるというのが最も多い使い方です。

(物体に働く力のみつけ方はこちらから復習しましょう!)

これは実際に使っているところを見るのが一番わかりやすいので、下の記事から解説動画をチェックしてみてください。

代入しただけで加速度が求まるのが分かりましたか?

解法の手順も合わせて覚えておくと、自然な流れで運動方程式を使えるようになります。

解法手順を覚える最大のメリットとして式を立てるところまでは悩まずに済むというのが大きいです。

まこと
まず最初のうちは代入するだけの問題から練習をはじめて、最終的には解法の一部として使えるようになることを目指して段階的に練習していきましょう!

 

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