力と運動・エネルギー
力と運動・エネルギー
この分野では、力の表し方とつり合い、ばね・圧力・浮力、運動の速さ、仕事と力学的エネルギーが問われる。矢印図から力を読み取る問題と、実験結果の表やグラフから式を立てる計算問題が中心になる。
押さえるべき規則
- 力は作用点・向き・大きさをもつ矢印で表す。一直線上の2力は向きを考えて合成し、平行でない2力は平行四辺形の対角線が合力になる。
- フックの法則：弾性の限度内で、ばねののびは加えた力に比例する。
- 圧力 p = F/S〔Pa〕。水圧は深さに比例して大きくなり、浮力は物体が押しのけた流体の重さに等しい。
- 速さ v = 距離÷時間。等速直線運動をしている物体にはたらく力はつり合っている（慣性の法則）。
- 仕事 W = 力の大きさ×力の向きに動いた距離〔J〕、仕事率 P = W÷t〔W〕。
- 摩擦や空気抵抗が無視できるとき、位置エネルギー mgh と運動エネルギー ½mv² の和は一定に保たれる。
計算の例
質量2.0kgの物体を10Nの力で水平に4.0m引くと、仕事は 10N×4.0m = 40J。これを2.0sで行うと仕事率は 40J÷2.0s = 20W になる。次に高さ5.0mから小球を落とすと、mgh = ½mv² より v = √(2×9.8×5.0) ≈ 9.9m/s。質量 m は両辺から消えるので、落ちる速さは質量によらない。
失点しやすいところ
- 質量〔kg〕と重さ〔N〕の混同。地球上では重さ = 質量×9.8。
- 物体を水平に運ぶとき、重力は進行方向と垂直なので仕事をしていない。
- 72km/h のような時速は ÷3.6 で 20m/s に直す。
- 浮力は深さでは変化しない。物体の体積と流体の密度で決まる。
- 摩擦があると力学的エネルギーは減り、減った分は熱や音として放出される。