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。

    著書『力学の基礎』はこちらです。
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    堀口塾

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    タグ:ガッチリ物理

    物理を高校2年生から始めた人も多いのではないでしょうか。
    理系と文系に進路が分かれた後から物理を始める学校が増えているようです。

    さて高校2年生の物理の勉強法であるが、
    大事なことは次のことです。

    力学をしっかりとやる

    力学をしっかりとやる、ということに尽きます。

    力学は、他の波動、電気、磁気、原子、熱など
    他のあらゆる分野に顔を出します。
    つまり、力学は物理の土台となるわけです。

    そして、高校2年生では、
    この力学をいかに勉強するかが、
    大事だと思う。

    高校の授業で物理をスタートする場合、
    あらたな試みがなければ、たいてい力学からスタートするはずです。
    (私はかつて波動からスタートしたことはあるが)

    一番初めは「物理とは何ぞや」ということも含めて
    教わるでしょう・・・いや、そんなこと考える
    暇もないかもしれないし、教わらないかもしれない。

    だからここで、力学は大切!と言っておこう。

    このことを意識するかしないかで、
    今後の勉強の仕方が大きく変わってくる。

    また、もしも東大・東工大レベル、もしくは、
    早稲田・慶応・上智レベル、もしくはMARCHなど、
    一流大学を目指す人は、高校2年生からしっかりと
    物理に取り組んだほうが、後が楽です。 【高校2年生の物理勉強法】の続きを読む

    帯電した極板の間に生じる電場の強さを表す式で
    便利な式があるのだが、これは絶対に覚えておこう。

    電荷Qが蓄えられた極板間の電場Eは、

    E=Q/(ε0・S)

    ε0は真空の誘電率

    この式は便利なので覚えておこう。
    よく電場やコンデンサーの問題で、
    電荷が蓄えられた極板間の電場の強さを
    聞かれたりする。

    そこで、この式がパッと出てくれば
    答えるのは楽チンである。

    また、極板間に導体や誘電体を挿入し、
    極板間の位置に対して、
    電場の強さをグラフで表す問題なんかがある。

    【チェック】
    導体とは?
    誘電体とは?

    そうなると、
    導体、誘電体内の電場はどうか?
    それ以外の電場はどうか?
    と考えてしまう。 【極板間の電場の強さ】の続きを読む

    先日、物理をどのように勉強したらよいか?
    という質問を受けた。

    夏休みが終わって、センター試験まで、
    あと残りわずかとなった今、
    一体物理はどのような勉強法がいいのか?

    慌てる気持ちを抑えて
    一問、一問、問題を
    紙に書いて解いていく

    という作業をやって欲しい。

    決して、見るだけの勉強法はいけない。
    わかったつもりになると、
    テストで全然書けないのである。

    書いたほうが頭に残る。
    これは手の神経が脳に刺激を与えるからだそうだ。

    また、力学分野はしっかりと理解できているか?
    ということを自分に問いかけて欲しい。
    そして、まだ力学が完成していなかったら、
    運動方程式から始めよう。

    本屋に行くと、いかにもやるとすぐに
    できるようになるような参考書や問題集が
    売っているが、世の中そんなうまい話はない。

    勉強法を悩む諸君にとっては
    どれをやっても同じ効果と見る。 【高3受験生 物理 秋の勉強法】の続きを読む

    電荷どうしに働く力をクーロン力もしくは
    静電気力といい、クーロンの法則によって示される。

    電荷には+と−があり、
    これらの組み合わせによって、
    力の働く様子が異なる。

    (+)→  ←(−)
    異符号では引力が働く

    ←(+)  (+)→
    ←(−)  (−)→
    同符号では斥力(反発力)が働く 【クーロンの法則】の続きを読む

    電荷とは電気を持つ粒子のことで、
    +(プラス)の電荷と−(マイナス)の電荷がある。

    そして、その電荷が、
    どのくらい電気を持っているかを表す量のことを
    電気量という。

    プラスを持つ粒子やマイナスを持つ粒子は
    化学ではイオンで表される。 【電荷と電気量】の続きを読む

    圧力は、単位面積あたりに働く力のこと。

    例えば広い面積に大きな力が全体的に働いている。
    じゃあ、一部に働く力はいくらなの?
    ・・・圧力はこういうイメージの力である。

    また、例えば、天井が落ちてきたとする。
    その天井を100人で支えていた。
    じゃあ、1人分の力はいくらだろうか?
    ・・・こういう感じの力だ。

    では、面積S〔m2〕に力F〔N〕が
    働いていたとしよう。

    このときの圧力p〔N/m2〕は、
    単位面積あたりの力だから、

    圧力p=F/S

    と表される。 【圧力】の続きを読む

    電流が流れると磁場が発生する。

    直線電流  H=I/2πr [A/m]

    まっすぐな導線を流れる電流のことを
    直線電流という。
    直線電流の周りには360度ぐるりと
    右ねじの法則に従う向きに
    電流が流れる。

    円形電流 H=I/2r [A/m]

    ソレノイド H=nI [A/m]
    (n:単位長さあたりの巻き数)

    向き:全て右ねじの法則により求まる

    円形電流とソレノイドを流れる電流の違いは、
    一般に、円形電流は有限回の巻き数であり、
    ソレノイドは無限回の巻き数を想定している。 【電流がつくる磁場】の続きを読む

    棒磁石のN極とN極を近づけると
    斥力が働き、

    同様に、S極とS極を近づけると
    斥力が働く。

    それに対して、
    N極とS極を近づけると引力が働く。

    さらに、力の大きさを調べると、
    磁石間の距離の2乗に反比例し、

    それぞれの磁石の強さ(磁極)の積に
    比例することがわかった。

    磁極というのは、例えば、
    棒磁石の両端に備わっている
    磁石の強さを表す量、
    と考えればよい。 【磁石と磁極】の続きを読む

    弾性エネルギーは
    弾性力による位置エネルギーともいう。

    弾性エネルギーは、
    ばねに蓄えられたエネルギーであるが、
    まずエネルギーの概念として、

    エネルギー=仕事

    が成り立つ。
    つまり、
    ばねが伸びて蓄えられたエネルギーは
    伸びるまでに引っ張ったときにした仕事が
    弾性エネルギーになる、ということである。

    では、ばねを自然長からx伸ばしたときの
    弾性エネルギーを考えてみよう。

    このときの弾性エネルギーは、
    ばねを引っ張るときにした仕事だから、
    その仕事を求めてみよう。

    仕事W=Fx

    で求まるが、この式を使えるのは、
    あくまでも力Fが一定のときのみ。

    ばねの弾性力は F=kxなので、
    ばねの力はばねの伸びによって変化する。

    (参考)ばねの弾性力のページ

    だからW=Fxは使えない。

    しかし、使ってみよう!
    【弾性エネルギー】の続きを読む

    気球はなぜ浮くか?

    気球のバルーンが大気から受ける浮力によって浮く。

    しかし、条件がそろわないと浮かない。

    その条件とは、
    バルーンが受ける浮力が
    気球自体の重さ+バルーン内部の気体の重さ
    よりも大きくなければ浮かない。

    とても簡単に言ってしまえば、
    子供がもっている風船は
    なぜ浮くのか?中に入っている気体が、
    まわりの空気よりも軽いからである。 【気球はなぜ浮くか?】の続きを読む

    運動量と力積の関係式
    『衝突』では、2つの物体が接触し、
    とても短い時間だけお互いが力を及ぼし合って、
    状態が変化します。

    この様子を表す関係式は運動量と力積を用いて

    mv'-mv=FΔt

    と表されます。

    これを証明してみましょう。

    運動方程式 ma=F

    加速度 a=(v'-v)/Δt

    これら2式より

    m×(v'-v)/Δt=F

    となり、両辺にΔtをかけて
    カッコを展開すると、

    mv'-mv=FΔt

    が求まります。

    この関係式の中に登場している式に関して

    mv',mv・・・ 運動量
    FΔt・・・ 力積

    というように、
    新しい物理量で定義します。

    ちなみに、
    どちらもベクトル量です。

    この2つの量は何なのか?
    といことですが、
    運動量は「勢い」、力積は「衝撃」を
    表します。 【運動量と力積の関係式】の続きを読む

    力のつり合いは、いずれの場合も、

    物体に働く力(ベクトル)の和=0

    がつり合い成立の条件である。

    一直線上における力のつり合いは
    逆向きそれぞれ、同じ向きどうしの力の和が等しい、
    と考えよう。

    つまり、次のように物体に力が働き、
    つり合いが成り立っているとしよう。

    F1←■
    F2←■→F3

    この場合、

    F1+F2=F3
    (左向きの力の和=右向きの力の和)

    が成立する。

    また、力をベクトルとして考えると、
    右向きを正として、
    つり合いの式は、
    次のようにも表せる。

    (-F1)+(-F2)+F3=0

    これは、F1+F2=F3を
    並べ替えただけなので、
    式としては、同じ内容であるので、
    問題はない。 【力のつり合い】の続きを読む

    昨日は平塚の花火大会に行ってきました。
    砂浜から眺めていましたが、
    海の近くの花火大会ですが、
    とても気持ちがいいものですので
    おすすめです。

    花火を見ながらよく思うことは、
    花火が見えたときと爆発音に時間差がある、
    ということ。

    それはなぜでしょうか。

    まず光速と音速には、大きな差がある、
    ということがポイント。

    光速 c=3.0×108(10の8乗)m/s
    音速 V=331.5 + 0.6t (t は℃)m/s

    【光波と音波の速さ〜花火大会で物理を考える】の続きを読む

    鉛直ばね振り子や、斜面上のばね振り子などの
    単振動において、
    つり合いの位置を基準に取った場合の力学的エネルギー
    は簡単になるということをご存知でしょうか。

    それを簡単に説明しますと・・・・

    天井につるされた鉛直ばね振り子において、
    おもりを引っ張って、手を離し、
    単振動させた場合を考えよう。

    状態1:x=x0(引っ張って離す位置)
    状態2:x=x(つり合いからx伸びた位置)

    について、
    仕事と運動エネルギーの関係ΔK = W より

    ΔK = W(重力) + W(弾性力)

    だから 

    1/2mv2 – 1/2mv02 = –mg(x0–x) + 1/2k(a + x0)2 – 1/2k(a + x)2

    これを変形すると

    となり、重力による位置エネルギーの基準を
    つり合いの位置にとったとすれば

    力学的エネルギー
    E=運動エネルギー+重力による位置エネルギー+弾性力による位置エネルギー

    が保存していることがわかります。
    (力学的エネルギー保存則が成り立つ。)

    さて、この複雑な式の形ですが、
    つり合いの関係式を代入してあげると、
    もっと簡単な形になるんです。

    つり合いより ka = mg
    これを3式に代入してみますと

    1/2mv02 + 1/2kx02 = 1/2mv2 + 1/2kx2

    このように、3式のような複雑な式は
    実はこんなにスッキリとした形に変形します。

    つまり、この式を最初から作れば
    簡単な形ですむわけなのです。 【つり合いの位置を基準に取った場合の力学的エネルギー】の続きを読む

    重力による位置エネルギー、
    すなわち、位置エネルギー。

    単に、位置エネルギーと呼ぶ場合、
    たいてい、重力による位置エネルギーの
    ことを示す。

    式は次の通り、

    重力による位置エネルギー U=mgh〔J〕

    つまり、高さh〔m〕でもつエネルギー
    であるが、基準面をh=0となる場所に必ず取る。 【重力による位置エネルギー】の続きを読む

    力学的エネルギー

    運動している物体は運動エネルギーをもつが、
    このエネルギーだけなのだろうか?

    実はこれだけではないのです。

    高いところに持ち上げて手を離すと
    勝手に落下していきます。

    勝手に落下するということは、
    物体はエネルギーをもっているということなのです。

    物体が高い位置にあればあるほど
    落下させたときの着地の衝撃が大きい。

    つまり、高ければ高いほど
    エネルギーをもつということ。

    この高さで決まるエネルギーを
    重力による位置エネルギーと言います。

    これは物体が持つ
    もう一つのエネルギーなのです。

    物体の運動は、
    この運動エネルギーと位置エネルギーの
    2つのエネルギーの和を考えることで
    説明できるのです。 【力学的エネルギー】の続きを読む

    仕事とエネルギーの関係というのは、
    仕事とは?のページで
    でもお話したように、

    人は物体に力を加え仕事をする=人は物体に力を加えエネルギーを与える

    ということ。

    つまり、
    物体にたくわえられたエネルギーの
    根源は加えた力がした仕事なのである。

    物体のエネルギーとは仕事なのである。

    これを思い出しながら
    次のことを考えよう。

    初速度v0の物体を一定の力Fで押していく。
    このとき物体は等加速度運動をするから、
    次の式が成り立つ。

    v2 - v02 = 2ax

    この式の両辺に1/2mをかけると

    1/2m(v2 - v02) = 1/2m・2ax

    より

    1/2mv2 - 1/2mv02 = max

    となる。

    ここで運動方程式より、

    ma = F

    が成り立つから、

    1/2mv2 - 1/2mv02 = max = Fx

    となる。

    また仕事W=Fxだから、

    1/2mv2 - 1/2mv02 = max = Fx = W

    となる。 【仕事とエネルギー】の続きを読む

    運動エネルギー
    質量mの物体が速さvで運動しているとき、
    その物体のもっている運動エネルギーはKは
    K = 1/2mv2〔J〕

    物体の状態を表すエネルギーの1つに
    運動エネルギーがある。

    動いているということは、
    物体がエネルギーを持っているということ。

    ではそのエネルギーって
    どこから来たのかを考えましょう。 【運動エネルギー】の続きを読む

    ばねの弾性力 F=kx

    F〔N〕:弾性力
    k〔N/m〕:ばね定数
    x〔m〕:自然長からの距離

    ばねは引っ張れば縮もうとする、
    また、押せば伸びようとする。
    つまり、元の形に戻ろうとするのが、
    ばねの性質である。

    ばねを天井につるして、
    (そのときの伸びは考えないよ!)
    同じ質量のおもりをつるして、
    1個、2個、3個・・・・
    と数を多くしていこう。 【ばねの弾性力】の続きを読む

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