物理：力と運動・エネルギー
「物理：力と運動・エネルギー」では、物体にはたらく力を矢印で正しく表す力、運動のようすを実験データやグラフから読み取る力、そして仕事と力学的エネルギーの移り変わりを計算で確かめる力が問われる。用語の暗記ではなく、現象を「力のつり合い」と「エネルギーの保存」の二本柱で説明できるかが得点差になる。
力のつり合いの条件
- 2つの力がつり合うには、①同じ1つの物体にはたらく、②同一直線上にある、③向きが反対、④大きさが等しい、の4条件がすべて必要。1つでも欠ければ物体の運動は変化する。
- 作用・反作用の2力は「別々の物体」にはたらくので、つり合いとは別物。糸でつるしたおもりでは、おもりにはたらく重力と糸の張力はつり合うが、おもりが糸を引く力と糸がおもりを引く力は作用・反作用である。
- 坂道上の物体では、重力を斜面に平行な成分と垂直な成分に分解して考える。垂直抗力は斜面に垂直な成分とつり合う。
運動の規則性
- 等速直線運動では、物体にはたらく力はつり合っている。「力がはたらいていない」のではなく「合力が0」である点が重要。
- 斜面を下る台車は、記録タイマーのテープの間隔がしだいに広がる。速さの変化は合力の向きに生じ、合力が一定なら速さの増え方も一定になる。
- 慣性の法則：力がつり合っている物体は、静止し続けるか等速直線運動を続ける。
仕事と力学的エネルギー
- 仕事 W〔J〕＝力の大きさ〔N〕×力の向きに動いた距離〔m〕。力の向きと垂直に動いたときの仕事は 0 J。
- 仕事率〔W〕＝仕事〔J〕÷仕事にかかった時間〔s〕。
- 力学的エネルギー＝運動エネルギー＋位置エネルギー。摩擦や空気抵抗がなければ一定に保たれる。
例題
質量 20 kg の物体を 6.0 秒かけてゆっくり 3.0 m 真上に持ち上げ、続いて 5.0 秒かけて水平に 4.0 m 運んだ。100 g にはたらく重力を 1 N として仕事と仕事率を求めよ。
考え方：20 kg にはたらく重力は 200 N。持ち上げる仕事は 200 N×3.0 m＝600 J。水平移動では重力（下向き）と移動向き（水平）が垂直なので仕事は 0 J。仕事率は 600 J÷6.0 s＝100 W で、水平移動中は 0 W。全体をまとめて 600 J÷11 s と計算しないこと。仕事をしていない時間を分母に含めると誤りになる。
失点しやすいポイント
- 「物体にはたらく力」と「物体が他に及ぼす力」を同じ図に混ぜて書いてしまう。
- 等速＝力がはたらいていない、と誤解する。
- 斜面の仕事で、斜面に平行な力ではなく重さそのものに斜面の長さをかける。
- 摩擦がある実験で、力学的エネルギーが保存されると判断する。