高校物理をやさしく解説するブログ

高校物理をやさしく解説するブログです。説明は全てテキスト中心にまとめております。図はたまにありますが基本的に想像力を働かせて読んでください。「読んで」物理のイメージを作りましょう。

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    堀口塾

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    カテゴリ: 高校物理 力学

    浮力は、その物体がまわりの物質を押しのけた分の重さと等しい、
    ということで、
    これはアルキメデスの原理によって証明された。

    浮力F=ρVg
    〔N〕

    浮力=密度×体積×重力加速度

    例えば水の中に中が空で、
    ふたをしっかり閉めたペットボトルを沈める場合、
    上から手で押し込まないと沈まない。

    これは浮力で浮いてきてしまうからである。

    ペットボトルが水の中に入る場合には、
    そこにあった水を排除しなければならないので、
    押しのける力が必要だ。 【浮力とは】の続きを読む

    摩擦力には、「静止摩擦力」と「動摩擦力」の2種類がある。

    どちらも運動方向とは逆向きに働く力であるが、
    この2つには大きな違いがある。

    静止摩擦力は大きさが変化する摩擦力で、

    動摩擦力は一定の大きさで働く摩擦力である。

    \纏瀚犹の

    物体に徐々に力を加えていきます。

    はじめは小さい力でまだ動きません。  

    さらに大きな力で引っ張ります。
    まだ動きません。

    さらに大きな力で引っ張ります。
    するとやっと動き出しました。
    このとき動き出す
    瞬間で摩擦力は最大値をとります。

    このように、
    静止摩擦力は加える力が大きくなると、
    それにあわせて大きくなるような変化する力で、
    必ず最大の値があります。

    この値を最大摩擦力(最大静止摩擦力)といい、
    大きさはµN(静止摩擦係数×垂直抗力)
    という計算で求まります。

    静止摩擦力は状況によって変化し,最大のとき
    最大静止摩擦力f´=µN
    となる。
    【摩擦力】の続きを読む

    保存力と非保存力

    まずは、ひとこと言わせて頂きたい。

    人を愛せばその分愛される、と言われている。
    だが、愛しても愛が返ってこない場合も実際はある・・・

    うーん、そういうときって寂しいなぁ。。

    さて!保存力と非保存力とは、
    どのような力かを考えてみよう。

    物体に力を加え仕事をすれば、
    その分、運動エネルギーが変化する。

    これは仕事とエネルギーにおける
    大切な関係だった。

    では、次の2種類の力が、
    物体に仕事をする場合を考えよう。

    【保存力と非保存力】の続きを読む

    物理学の歴史

    年代 人名 発見
    B.C.300 ユークリッド(ギリシア) 幾何学を大成
    B.C.250 アルキメデス(ギリシア) 浮力、てこの原理
    A.D.120 プトレマイオス(ギリシア) 天動説を集大成
    1470 レオナルド・ダ・ビンチ(イタリア) 近代科学技術の先駆
    1543 コペルニクス 地動説を提唱
    1576 ティコ・ブラーエ 惑星運動の精密観測
    1583 ガリレイ 振り子の等時性
    1589 ステビン(オランダ) 力の平行四辺形

    1600 ギルバート(イギリス) 磁石、摩擦電気の研究
    1604 ガリレイ 落下運動の法則
    1609 ケプラー 第一、第二法則の発見
    1619 ケプラー 第三法則の発見
    1621 スネル(オランダ) 光の屈折の法則
    1643 トリチェリ(イタリア) 真空実験
    1644 デカルト 慣性と運動量の概念
    1648 パスカル(フランス) 流体のパスカルの原理
    1660 フック(イギリス) 弾性体のフックの法則
    1662 ボイル 気体のボイルの法則
    1676 レーマー(デンマーク) 光速の有限性発見
    1678 ホイヘンス ホイヘンスの原理
    1687 ニュートン 「プリンピキア」出版

    1704 ニュートン 「光学」出版
    1742 セルシウス(スウェーデン) セ氏温度提唱
    1747 フランクリン(アメリカ) 電気一流体説
    1761 ブラッグ(イギリス) 比熱の測定、潜熱の発見
    1772 ラボラジエ(フランス) 質量保存の法則
    1784 アトウッド(イギリス) 重力加速度の精密測定
    1785 クーロン 電気と磁気に関するクーロンの法則
    1787 シャルル(フランス) 気体のシャルルの法則
    1798 キャベンディッシュ 万有引力定数測定
    1798 ランフォード 熱の本質発見 【物理学の歴史】の続きを読む

    空気抵抗

    空気中を運動する物体は、
    粗い床の上を運動する物体が
    床から摩擦力を受けるように、
    空気から抵抗力を受ける。
    この力を空気抵抗と呼ぶ。

    空気抵抗が比較的小さいときは速さに比例する

    つまり、

    空気抵抗F=kv(k:比例定数) 【空気抵抗】の続きを読む

    重力
    地球上における全ての物体に働く力。
    重さを表す量で、質量とは異なる物理量。

    質量と異なるのは、
    10kgの物体は月へ行ったら
    質量は変わらないが、重力は1/6になる、
    というところから理解できるだろう。

    また、地球からわずかに離れた場所においても
    地表面上と同じ大きさの重力が用いられる。

    重力の単位は主に、
    〔N〕(ニュートン)または、
    〔kgw〕(キログラム重)が
    用いられる。

    一般に重力の大きさは〔N〕の場合が多く、
    W=mg〔N〕
    重力=(質量)×(重量加速度)
    となる。

    〔kgw〕は、質量の大きさがそのまま重力になる。
    例えば、10kgの物体に働く重力は、
    10〔kgw〕である。 【重力】の続きを読む

    1.物体にはたらく力
    静止している物体や運動している物体の状態を考える場合は,まず「その物体にどのような力が働いているか?」ということを考えなければなりません。力には重力,摩擦力,垂直抗力などいろいろな名称をもつ力がありますが,このようなたくさんの力の中から,物体に働いている力はどのような力かということを,一つ残らず全てみつけなければならないのです。ではどうやってみつければよいのでしょうか?

    正直,たくさんの力の中から,物体に働く力をひとつひとつ探していくのはかなり面倒なことです。ですから,みつけかたのコツというものをおさえておきましょう。そのコツとは,「力は大きく分けて2つの種類に分かれる。」ということです。

    力がたくさんあっても,たった2種類で分類されるものと考えていいのです。その2種類の力とは一体なんでしょう?それは,場の力と接触力です。では,場の力と接触力とはどのような力なのでしょう。

    (1)場の力
    まず,“場の力”とはどのようなものでしょうか。今,僕らは地球の上にいますが,そのことで,場の力を受けています。その場の力とは何でしょうか。そうです,一番有名な力・・・重力なのです。重力というのは,ボールが地面の上にあっても,宙を飛んでいても地球上にある物体にはいつも働いています。この重力は,地球上,つまり地面からそう遠くない場所にある物体には,いつでも働きます。これは,つまり,地球表面には重力が働く空間があって,その空間の中にいれば地球とくっついていようが離れていようが重力は働くということになります。このような重力が働く空間のことを重力場といいます。この重力場の仲間に,静電気による力や磁石による力もあります。これらの力は全て,電場や磁場という空間内にある物体に対して決まった力が働きます。

    以上のように,ある特定の力が働く空間のことを場といいます。よって場の力とは場の中で働く力を言います。場の力というと,重力をはじめとして,万有引力、静電気の力、磁石の力などが代表的ですが,今勉強しているこの力学の分野では,静電気の力や磁石の力は出てこないので,とりあえず重力だけを考えればよいでしょう。この重力は質量mの物体にmgという大きさで働き,向きは地球の中心向きです。 【力の働き方】の続きを読む

    運動方程式は力と力の対決だ
    運動方程式の形はma=Fと簡単な形をしているから,m,a,Fにそれぞれあてはまる文字や数値を代入すれば運動方程式をたてられるのか?といえば,そうでもない。力が複数登場する場合などは単純にma=Fに代入するだけでは求まらない。

    では,力が2つ出てくる場合にどのように考えて式をたてればよいのか,次の問題で考えてみよう。

    図のように質量2.0kgの物体を20Nと60Nの一直線上に左右逆向きの力で引っぱったとしよう。はたしてどちらが勝つか?こんな簡単な質問は誰でもわかると思う。もちろん60Nが勝つ。では,物体はどちら向きに動き出すだろうか。力が勝った方向。つまり右向きに動き出す。

    このとき物体に働く全体の力は60-20=40Nとなるので,物体は40Nの力で動き出すということになる。では,動き出すときの加速度はいくらであるかを求めるために,運動方程式をたててみよう。

    運動方程式ma=Fは,「質量×加速度=物体に働く力」である。物体に働く力が40Nだから,これが質量×加速度と同じ値になるということである。よって運動方程式をたてると,40=20×aとなり,加速度a=20m/s2と求まる。
    【運動方程式は力と力の対決だ】の続きを読む

    運動方程式

    運動方程式の立て方

    運動方程式 ma = F 
    ※覚え方「まあ、太ったわね〜」

    質量〔kg〕×加速度〔m/s2〕=物体に働く力の和〔N〕

    どのように運動方程式をたてるか?

    運動方程式のたて方をマスターしよう。

    まず,運動方程式の基本形は ma = F である。

    左辺 ma と右辺 Fの式を作って等号で結べばよいのだが、
    甘くみてはいけない!!

    では,次のような問題を考えてみよう

    (例題)質量mの物体が,右向きに力F,左向きに床からの摩擦力fを受けながら,右向きに加速度aで進んでいる。このとき物体の運動方程式を求めよ。 【運動方程式の立て方】の続きを読む

    運動方程式とは?

    運動方程式は、
    運動している物体について、

    物体に働く力F、
    物体に生じている加速度a、
    物体の質量m

    の関係を式で表したものである。

    これは次のように求まる。

    ニュートンの運動の第2法則より、
    加速度が力に比例し、
    質量に反比例する、
    ということがわかった。

    これを式に直すと、
    加速度が力に比例・・・a∝ F
    加速度が質量に反比例・・・a∝1/m
    ※∝は比例を意味する記号

    これらの関係を
    一つの式にまとめると、
    a∝ F/m
    と表せる。

    これより、両辺にmをかけて、
    左右の辺を入れ替えると、
    F ∝ ma
    となります。

    ここで、
    kを比例定数として
    F = kma
    としましょう。

    ここで、
    mの単位[kg],加速度の単位[m/s2]
    のとき、

    k=1として、
    力の新しい単位[N]を用いる


    という約束のもと出来上がったのが、
    運動方程式 ma = F
    です。 【運動方程式の導出と力の単位N(ニュートン)】の続きを読む

    単振動している物体に働く力は復元力である
    単振動している物体について働く力の合力を求めると必ずF=-kxの形になっている。これを復元力といい,変位xに比例し,比例定数の符号が負になるのが特徴である。この形から働く力を考えると,xが正のときに働く力は負となり,xが負のときに働く力は正となり,物体は遠くまで行っても結局原点に戻ってきて行ったり来たりの運動をする。これが単振動である。

    周期は復元力の式から求める
    復元力F=-kx →周期 T=2π√m/k
    単振動の問題において,時間的なことを聞かれたら,大概は「周期」がからんでくる。周期は公式として覚えておく必要があり,公式中の定数kが単振動においてどのような式になるのかが大事である。このkを求めるには物体に着目して復元力の式を求めてやらないといけない。このkが求まれば公式に代入して周期が求まるのだ。 【単振動のポイント】の続きを読む

    1 内力と外力を区別せよ。
      →物体に働く力は外力だけを考える。
       内力は考えてはいけない。


    物体A,Bがある。
    図のようにAに力Fを加える場合について考えてみましょう。

    1. Aに働く力:左側からの押す力FとBから押される右向きの力fの2力

    2. Bに働く力:Aから受ける右向きの力fのみ

    3. A+Bを一体として考えたときに働く力:右向きのFのみでよい。このとき,A,B間で働いている力fを考えてはいけない。つまり,fはABの内力になっているということである。 【内力と外力を区別せよ】の続きを読む

    基本は大地を基準とする。

    そう。

    運動は大地を基準として考えよう!

    それがニュートンさんとの約束だ。

    力学では主に、物体に働く力による
    物体の状態を考えていきます。

    そのとき、物体を観測する立場は、
    静止している大地を基準とします。

    観測する立場が運動していたり、
    静止していたりしたら、
    物体の状態がそれぞれ違って見えます。

    そうなったら、
    どれが正しいのかわかりません。

    ですから、物体の状態をいうとき、
    しっかりと「観測者は静止している」
    ということを前提に考えよう。

    また、場合によっては、運動している
    乗り物の上で観測する場合もあります。

    物体の上で物体が運動しているときなど、
    状態が複雑なときは、この考え方のほうが、
    静止している観測者よりも、
    物体の状態がわかりやすく見えて、
    式を立てやすい。

    ただし、慣性力や遠心力というような、
    特別な力を登場させなければならない。 【運動は大地を基準として考えよう】の続きを読む

    ニュートンの運動の法則は3つあります。

    第1法則 慣性の法則
    第2法則 運動の法則
    第3法則 作用反作用の法則

    以上の3つの法則は、
    これから運動を考えるとき、
    いや、物理を考えるときに、
    土台となる非常に大切な法則です。 【ニュートンの運動の3法則】の続きを読む

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