教科書(物理基礎) 問a:物体が受ける力

解法

直感的理解

物体が受ける力を見つけるには、まず重力(地球から受ける、常にはたらく)を描き、次に接触しているものからの力を順に確認します。面があれば垂直抗力、糸があれば張力、粗い面なら摩擦力です。スライダーで状況を切り替えて、力の見つけ方を練習しましょう。

物体が受ける力を見つける手順は、①重力 → ②接触力の順で確認することです。質量 2.0 kg の物体なら重力は 2.0 × 9.8 = 19.6 N です。

手順1:重力(すべての物体に共通)

$$ W = mg = 2.0 \times 9.8 = 19.6\,\text{N(鉛直下向き)} $$

手順2:接触力の確認

【床の上の場合】床と接触 → 垂直抗力 \(N\) が面に垂直・上向きにはたらく。つり合いより:

$$ N = W = mg = 19.6\,\text{N} $$

【糸でつるした場合】糸と接触 → 張力 \(T\) が糸に沿って上向きにはたらく。つり合いより:

$$ T = W = mg = 19.6\,\text{N} $$

【斜面上の場合(角度 \(\theta = 30°\))】斜面と接触 → 垂直抗力 \(N\) が斜面に垂直にはたらく。

$$ N = mg\cos\theta = 19.6 \times \cos 30° = 19.6 \times \frac{\sqrt{3}}{2} \fallingdotseq 17.0\,\text{N} $$

さらに、粗い面なら摩擦力 \(f\) も斜面に沿ってはたらきます。

答え:重力・垂直抗力・張力など、接触の有無で整理する
補足:力の見つけ方チェックリスト

物体にはたらく力を漏れなく見つけるためのチェックリストです。

確認項目 力の種類 向き
① 地球上にあるか? 重力 \(W = mg\) 鉛直下向き
② 面と接触? 垂直抗力 \(N\) 面に垂直・面から離れる向き
③ 糸・ばね? 張力 \(T\) / 弾性力 \(F\) 糸・ばねに沿った向き
④ 粗い面? 摩擦力 \(f\) 面に平行・運動を妨げる向き
⑤ 流体中? 浮力 / 抗力 浮力は上向き、抗力は運動と逆

「接触していないのに力がはたらく」のは、重力・静電気力・磁力の3種類だけです(高校物理の範囲)。接触力を見つけるには物体が何に触れているかを1つずつ確認しましょう。

Point

力を見つける順番は①重力(必ずはたらく)→ ②接触力(面→糸→摩擦の順で確認)です。見つけた力は必ず矢印で図示し、力の作用点・向き・大きさを明記しましょう。力を描き忘れると運動方程式やつり合いの式が間違います。