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【問題演習】力学11~20 |物理基礎編

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    【引用】https://makoto-physics-school.com
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【力学11】摩擦力と等加速度運動

今回必要な事前知識

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今回の問題

 

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今回のポイント

(1)については、問題文から状況を正しく読み取れるかが最初の課題です。

「角度がθ1を超えると動き出す」ということから、θ1のときはギリギリ動いていないというのがわかります。

つまり物体に働く摩擦は最大静止摩擦力となります。

まずはここを間違えないように気をつけましょう。

(2)については動いているときの話なので、物体に働く摩擦力は動摩擦力となります。

力がわかれば、あとは解法手順を徹底してあげればOKです。

手順をしっかり再現できるようになるまで、何度も何度も練習してみてください。

 

 

【力学12】弾性力と力のつりあい

今回必要な事前知識

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今回の問題

 

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今回のポイント

今回の問題も解法手順を徹底してあげればOKです。

手順をしっかり再現できるようになるまで何度も何度も練習してみてください。

 

 

【力学13】浮力と力のつりあい

今回必要な事前知識

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今回の問題

 

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今回のポイント

浮くための条件と聞かれると、最初は「???」となる方も多いと思います。

今回の問題で大切なのは、浮力が最も大きな値になったとき、それでもまだ重力の方が大きければ沈んでしまうという点です。

では、浮力が最も大きくなるのはどういうときか。

それは、物体が完全に水中に入ったときになります。

なので今回は、物体が水中に入っているときの図を描き直して解きました。

結果的には、「物体の密度」が「水の密度」よりも小さければ浮くということです。

身の回りにあるものを水に浮かべて、水の密度と比べる簡単な実験をしてみてください。

 

 

【力学14】力のモーメント

今回必要な事前知識

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今回の問題

 

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今回のポイント

モーメントを求める問題でおさえておきたいポイントは2つです。

  1. 支点までの距離(うでの長さ)の測り方
  2. 符号の決め方

まず支点までの距離(うでの長さ)の測り方については、力を分解するよりも今回のやり方の方がおすすめです。

なぜかというと、図がゴチャゴチャしなくて済むというのが大きいです。

点と直線の距離の測り方が分かれば、やること自体はとても簡単です。

なので力を分解せずに測る今回の方法も練習してみてください。

 

さらに符号の決め方については、基本的には左回り(反時計回り)を正とします。

問題文で指定があった場合は、もちろんその指示に従ってください。

特に指定がなければ、左回り(反時計回り)を正としましょう。

今回はこの2点にポイントを絞って覚えてください。

 

 

【力学15】ばねと力のモーメントのつり合い

今回必要な事前知識

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今回の問題

 

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今回のポイント

大きさを無視できない物体(質点ではないもの)が静止しているとき、立てるべき式は2種類あります。

  1. 力のつりあいの式
  2. モーメントのつりあいの式

質問内容がなんであれ、まず準備として必ずこの2種類の式は作っておきましょう

結果的に使わないときがあったとしても、準備をしておけば迷いを減らせます。

 

さらに、解説ではサラッと口頭で済ませましたが、Nの部分も注意が必要です。

このNと置いたものは、垂直抗力ではなく「抗力」です。

今回は台と棒の間に摩擦力も働きます。

摩擦力と垂直抗力を合わせたもの(それが抗力)が棒の左端に働くので、2つの力をそれぞれ書くよりも1つに合わせたものを書いた方がシンプルなので、「抗力」という形で書きました。

結果的には、左端を支点にしてしまえばモーメントは0になるので問題ありませんが・・・。

立てるべき式、抗力とはなにか、それぞれ整理して覚えておきましょう!

 

 

【力学16】傾く条件と力のモーメント

今回必要な事前知識

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今回の問題

 

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今回のポイント

垂直抗力摩擦力の作用点(力が働く場所)は普段どこに書いていますか?

通常は右端ではなく、真ん中に書いていますよね?

今回の問題と普段の書き方での違いはなんでしょうか。

 

右上の角に働く力がなかったとします。

そのとき、垂直抗力は物体の真ん中に働きます。(水平方向の力がなくなるので、摩擦力は働かなくなる)

 

次に、右上角に右向きに加える力を少しずつ大きくしていくところをイメージしてください。

力が大きくなるにつれて、垂直抗力と摩擦力の作用点(矢印の始点)が少しずつ右に移動してきます。

ここで気をつけて欲しいことは、同時に摩擦力も大きくなっていくということです。

  • 作用点は右に移動する
  • 摩擦力は徐々に大きくなっていく

 

この先は2つの結末に分かれます。

  1. 作用点が右角に来たとき、摩擦力が最大静止摩擦力に達していなければ「傾く」
  2. 作用点が右角に来る前に、摩擦力が最大静止摩擦力に達すれば「すべる」

この「傾く」「すべる」の条件を使い分けられるように、違いをイメージできるようにしておきましょう。

 

 

【力学17】2物体の運動

今回必要な事前知識

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今回の問題

 

解答の画像はこちら

 

今回のポイント

2物体の運動では、働く力をもれなく書けるかが大切です。

力のみつけかた手順は次の通りです。

  1. 重力を書く
  2. 触れているものから受ける力を書く

今回の問題であれば、特に見逃しやすい力があります

それは小物体から板に働く垂直抗力です。

結果的に、今回の問題では書き忘れたとしても答えを求めるうえでは影響ありません。

しかし、質問内容によっては答えがまるで変わってしまいます

なので、働く力をいつでも正確に書けるようにすることは必須事項だと再確認しましょう。

 

 

【力学18】動滑車と動摩擦力

今回必要な事前知識

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今回の問題

 

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今回のポイント

必ず覚えておきたいのは次の3点です。

  1. 動滑車における動いた量の測り方
  2. 1本の糸なら張力はどこでも同じ
  3. 軽い滑車は質量を0として考える

1について

動滑車が動いた場合、滑車の両サイドから伸びている「両方の糸」が伸びたり縮んだりします。

つまり今回の問題の状況では、動滑車が1m下にさがれば糸は2m分伸びることになる。

結果的に物体は2m動くことになってしまいます。

まずは動いた量を測りたければ「動滑車の両サイドの糸」に注目するというコツをおさえておきましょう。

ちなみに、動く距離と同じように「速度」「加速度」も2倍の関係になります。

 

2について

これは糸の質量を考慮する場合は成り立たないという特徴もあるので注意しましょう。

糸に関する情報が問題文に書いてなければ、基本的には質量は無視してよい、つまり1本の糸なら張力はどこでも同じと考えてOKです。

 

3について

これは解説でも話しているので「なんのこと?」となる方は、再度解説を確認してみましょう。

 

 

【力学19】外力のする仕事と仕事率

今回必要な事前知識

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今回の問題

 

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今回のポイント

仕事の求め方は「力×力の方向に移動した距離」です。

特に多いミスとして距離を掛け忘れるというのが多いです。

力の向きと物体が動く向きに注目して符号を判定するというのも忘れがちなので、注意点として把握しておきましょう。

 

次に「仕事率」については、公式を覚える必要はありません

数式で表した公式よりも、日本語で表した意味に注目した方が使い道が広がります。

仕事率の意味を友達に説明できるようにしておきましょう。

 

 

【力学20】力のつり合いと仕事の原理

今回必要な事前知識

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今回の問題

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今回のポイント

仕事の原理とはなにか。

今回の問題の答えは「持ち上げる力が半分になる」となりました。

しかし動かす距離に注目すると、斜面の方は2倍の距離を動かすことになります。

つまり、力は半分で済むけど距離は2倍になるので「仕事の量は同じ」ということです。

これを仕事の原理と呼びます。

 

たとえば動滑車や、車を持ち上げるジャッキという道具も、動かす距離を増やすことで必要な力を減らすためのものです。

身の回りを見渡して、仕事の原理を使って楽にものを動かしているものがないか探してみましょう!

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