センター2017物理第4問B「定滑車を用いた2物体の運動と慣性力」

 

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■力の矢印を描いて,運動方程式!

物理が苦手な文子
エレベーターの中の話だけど,この段階ではまだエレベーターは動いていないのね。

物理が得意な秀樹
エレベーターが静止していれば,単に天井に滑車が固定されている状況と同じだよね。

物理が苦手な文子
ということは,まずそれぞれの物体に力の矢印をかけばいいわね。

物理が得意な秀樹
力の矢印の描き方はこの通りだよ。

物理が苦手な文子
まず重力を描いて,あとくっついているのは糸だけだけど,もうすでに糸の張力は描かれているので,ちょっと強調して描いておくわね。

物理が得意な秀樹
そうしたら,次は加速度を描こう。M>mなので,加速度の向きは分かるかな?

物理が苦手な文子
Mの物体は下向きに,mの物体は上向きに加速するわね。

物理が得意な秀樹
あとは運動方程式を立てたいんだけど,正の向きを決めておこうか。

物理が苦手な文子
鉛直上向きでも,下向きでもどっちでもいいわよね?

■正の向きは,物体ごとに別々でいい

物理が得意な秀樹
どっちでもいいよ。さらにいうと,2つの物体で,正の向きが違ってもいいよ。

物理が苦手な文子
それぞれ別々の正の向きでいいの?

物理が得意な秀樹
そうだよ。運動方程式が立てられればいいので,別に正の向きが違っていても,全く問題ないんだ。

物理が苦手な文子
それじゃあ,加速度の向きと同じ向きを正の向きとするわね。

    $$M\alpha=Mg-T \cdots \textcircled{\footnotesize1}$$

    $$m\alpha=T-mg \cdots \textcircled{\footnotesize2}$$

物理が得意な秀樹
いいね。あとは計算だけだよ。

物理が苦手な文子
Tを求めたいんだから,\alphaを消去すればいいのね。\textcircled{\footnotesize1}より,

    $$\alpha=g-\frac{T}{M}$$

\textcircled{\footnotesize2}に代入

    $$m\left(g-\frac{T}{M}\right)=T-mg$$

    $$2mg=T+\frac{m}{M}T$$

    $$2mg=\frac{M+m}{M}T$$

    $$T=\frac{2Mm}{M+m}g$$

物理が得意な秀樹
正解!答えは⑥だね。では次の問5へいこう。

 

■まずは力の矢印を描く

物理が苦手な文子
今度はエレベーターが等加速度運動をしているのね。

物理が得意な秀樹
とりあえず,物体にはたらく力を考えてみようか。

物理が苦手な文子
エレベーターが静止しても,加速していても,物体にはたらくのは重力と糸の張力よね。

物理が得意な秀樹
そうだね。それじゃあ,ばねが糸を引く力はわかるかな?

物理が苦手な文子
ばねののびがxだから,ばねが糸を引く力はkxね。

物理が得意な秀樹
ということは,糸の張力もkxということだよね。ちゃんと考えるとこういうことだよ。

物理が苦手な文子
なるほど。物体にはたらく糸の張力はkxね。

物理が得意な秀樹
力の矢印が描けたら,加速している場合は加速度を描いて,運動方程式を立てるのが普通だよね。もちろん,この問題もそうやれば解けるんだ。

物理が苦手な文子
じゃあ,そうやりましょう。

■2通りの考え方をマスターしよう

物理が得意な秀樹
まずは,そうやってみるけど,問題文にもあるけど,物体は「エレベーターに対して静止」しているので,エレベーターに乗っている人から見た力のつりあいの式を立てて,答えを出すこともできるんだ。

物理が苦手な文子
どっちが簡単なの?

物理が得意な秀樹
この問題だとどっちも同じかな。練習だから,両方の方法で解いてみよう。まずは運動方程式を立てる方法からね。一応,もう一方の方法と比較するために,エレベーターの外に人の絵を描いておこうか。

物理が苦手な文子
こんな感じでいい?この人から見ると,エレベーターも,物体も加速しているっていうことよね。

物理が得意な秀樹
いいね。それじゃあ,運動方程式を立ててみようか。

物理が苦手な文子
鉛直上向きを正にとっていいわよね。

    $$Ma=kx-Mg$$

    $$x=\frac{M(g+a)}{k}$$

■「慣性力」は難しくない!

物理が得意な秀樹
正解だ。答えは②だね。それでは次はエレベーターに乗っている人の立場で考えてみるよ。

物理が苦手な文子
静止している人が観察する場合と何が違うの?

物理が得意な秀樹
加速している人が観察する場合は,「慣性力」を考えなきゃダメなんだ。

物理が苦手な文子
「慣性力」って聞いたことはあるんだけど,あんまりよく分からないわ。

物理が得意な秀樹
考え方は簡単で,「慣性力」っていう力を1つ増やすだけだよ。加速度と逆向きだから,こんな感じ。

物理が苦手な文子
力の矢印が1つ増えるだけなのね。

物理が得意な秀樹
それだけだよ。そして,この人から見ると,物体は静止してるので,力のつりあいの式を立てるんだ。

物理が苦手な文子
それじゃあ,鉛直上向きを正として,力のつりあいの式を立てるわ。

    $$kx-Mg-ma=0$$

    $$x=\frac{M(g+a)}{k}$$

物理が得意な秀樹
どっちの方法で解いても,もちろん答えは同じ②になるね。

 

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