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単位と自由体図-基本演習md cab9077
exercise/physics/foundation/units-and-free-body-diagrams.exercise.n.md

単位たんい自由体図じゆうたいず-基本演習きほんえんしゅう

date2026-06-30document_iddoc_5c4feccedd43e4b8ea69d8d53b6d3e94description単位・次元の確認、自由体図、つり合いと運動方程式の立式を診断する基礎演習である。prerequisites単位・次元 / 自由体図 / 運動方程式type問題演習content_typeexercisestatusactiverelateddata/lecture/physics/foundation/units-dimensions-and-significant-figures.lecture.n.md / data/lecture/physics/foundation/force-diagrams-and-equations-of-motion.lecture.n.md / data/lecture/physics/mechanics/force-balance-and-laws-of-motion.lecture.n.md
physicsfoundationexercise
data/lecture/physics/foundation/units-dimensions-and-significant-figures.lecture.n.md data/lecture/physics/foundation/force-diagrams-and-equations-of-motion.lecture.n.md

1問題もんだい 1:単位たんいしき検査けんさする

しき x=x0+v0t+12at2各項かくこうながさの単位たんいをもつことをしめせ。

1.1解答かいとう

xx0位置いちなので

x[m;L],x0[m;L]

である。つぎに、

v0[m/s;LT-1]×t[s;T]v0t[m;L]

である。また、

a[m/s2;LT-2]×t2[s2;T2]at2[m;L]

である。12無次元むじげんなので、12at2ながさである。したがって右辺うへん各項かくこうはすべてながさであり、わせられる。

1.2解説かいせつ

この問題もんだいは、しきおぼえるのではなく、ざん各項かくこうおな次元じげんかを検査けんさする練習れんしゅうである。

1.3よくあるあやま

at単位たんいだけをて、t2 になっていることをわすれるあやまりがおおい。

2問題もんだい 2:自由体図じゆうたいずれるちから

水平面すいへいめんうえ右向みぎむきに等速直線運動とうそくちょくせんうんどうするはこかんがえる。摩擦まさつはない。このはこ自由体図じゆうたいずれるちから列挙れっきょせよ。

2.1解答かいとう

対象たいしょうはこである。はこ作用さようするちからは、下向したむきの重力じゅうりょく mg[N;MLT-2] と、上向うわむきの垂直抗力すいちょくこうりょく N[N;MLT-2] である。

右向みぎむきにうごいていることは速度そくど情報じょうほうであり、右向みぎむきのちから意味いみしない。摩擦まさつがないので水平方向すいへいほうこうちから存在そんざいしない。

2.2解説かいせつ

等速直線運動とうそくちょくせんうんどうでは加速度かそくどが 0 であるため、合力ごうりょくは 0 である。運動うんどうきにちから勝手かって追加ついかしてはならない。

2.3よくあるあやま

速度そくど矢印やじるしちからとして自由体図じゆうたいずれるあやまりがある。自由体図じゆうたいずれるのはちからだけである。

3問題もんだい 3:いの立式りっしき

質量しつりょう m[kg;M]物体ぶったいいと静止せいししてられている。いと張力ちょうりょく Tもとめよ。

3.1解答かいとう

対象たいしょう物体ぶったいである。上向うわむきをせいにする。作用さようするちからは、上向うわむきの張力ちょうりょく T と、下向したむきの重力じゅうりょく mg である。

静止せいししているので加速度かそくどは 0 である。したがって

T-mg=0

であり、

T=mg

る。

3.2解説かいせつ

公式こうしきとして T=mgいたのではなく、自由体図じゆうたいずいからみちびいた。べつ加速度かそくどをもつ状況じょうきょうでは T=mg とはかぎらない。

3.3よくあるあやま

張力ちょうりょく重力じゅうりょく作用反作用さようはんさよう説明せつめいするあやまりがある。どちらもおな物体ぶったい作用さようするため、これはいである。

4問題もんだい 4:斜面しゃめんじく

摩擦まさつのない傾斜角けいしゃかく θ斜面しゃめん質量しつりょう m物体ぶったいく。斜面しゃめん沿加速度かそくど垂直抗力すいちょくこうりょくもとめよ。

4.1解答かいとう

斜面しゃめん平行へいこう下向したむきをせい斜面しゃめん垂直すいちょく外向そとむきをせいにする。

斜面しゃめん方向ほうこうでは

ma=mgsinθ

である。よって

a=gsinθ

である。

斜面しゃめん垂直すいちょく方向ほうこうでは加速度かそくどが 0 なので

N-mgcosθ=0

であり、

N=mgcosθ

である。

4.2解説かいせつ

じく斜面しゃめんわせると、加速度かそくど斜面しゃめん方向ほうこうだけにあらわれ、垂直抗力すいちょくこうりょく垂直方向すいちょくほうこういからもとめられる。

4.3よくあるあやま

mgsinθmgcosθえるあやまりがある。斜面角しゃめんかくもどし、斜面しゃめん水平すいへいちかθ=0斜面方向しゃめんほうこう成分せいぶんが 0 になるかを確認かくにんするとよい。

5問題もんだい 5:エレベーターのかけのおも

質量しつりょう mひとが、上向うわむ加速度かそくど a のエレベーターにっている。ゆかからける垂直抗力すいちょくこうりょく Nもとめよ。

5.1解答かいとう

ひと対象たいしょうにする。上向うわむきをせいにすると、上向うわむきのちからN下向したむきのちからmg である。加速度かそくど上向うわむきに a なので

N-mg=ma

である。したがって

N=m(g+a)

る。

5.2解説かいせつ

体重計たいじゅうけいしめすのは重力じゅうりょく mg ではなく、ゆかからの垂直抗力すいちょくこうりょく N である。上向うわむきに加速かそくすると、Nmg よりおおきくなる。

5.3よくあるあやま

加速かそくしているのに N=mg としてしまうあやまりがある。N=mg鉛直方向えんちょくほうこう加速度かそくどが 0 の場合ばあいだけである。

6関連かんれんリンク

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