因果律と厄介な基準点

みなさん、こんにちは。

今回も引き続き高校物理の重要ポイントについて説明と解説をしていきます。

第二回は物理基礎の力学の後半です。

始めに運動方程式についてです。これは間違えるというよりも、解釈の仕方を変えてほしいのがポイントです。一般的にma=Fと表され、質量と加速度によって力が求まる式ではあるのですが、ある質量をもった物体が加速度を受けたとき、力が加わっているという解釈で覚えてほしくはないです。なぜならば、その加速度はいったいどこから現れたのか、という事になりかねないからです。加速度は唐突には現れません。ではどうするべきでしょうか?それは、原因と結果を入れ替える、つまり運動方程式はある質量をもった物体が力を受けたときに加速度を持ったという解釈に変えて欲しいのです。これであれば、加速度が出てきた理由も明確になり、すべての要素の存在が不自然ではなくなります。物理は基本的に説明できないものを嫌います。なので運動方程式であっても意識を変えるようにしましょう。

次に力学的エネルギーについてなのですが、ここでは二点について話したいと思います。まず一点目は、位置エネルギーの基準点についてです。位置エネルギーの基準点は基本的にどこでも取ることができます。これが厄介なのです。基準点という0ポイントが、どこでも取れてしまうがゆえに、エネルギーの変化量がマイナスになってしまうことがあります。それを注意せずにエネルギー保存則の式に入れると、計算がおかしくなることがあるので、注意してください。

二点目も位置エネルギーなのですが、これは位置エネルギーと経路の問題です。一番わかりやすいのは振り子でしょう。天井から釣り下がった振り子が一番わかりやすいです。この振り子における最低点の速度は力学的エネルギーで求めるのが最も効率が良いのですが、多くの生徒が位置エネルギーの高さの位置がどこを取るのかわからないという事があります。このような時に重要なのが、力学的エネルギー保存則なのです。たいていの場合、これをよく理解していないからわからないという事が多いです。力学的エネルギー保存則は、「物体に保存力だけが働くとき、または保存力以外の力が働いても仕事をしないとき、力学的エネルギーは一定に保たれる」という事です。つまり、保存力だけでできているならば、どのような経路であっても力学的エネルギーは変わらないという事なのです。これより、振り子において位置エネルギーの量は最低点の高さから求めればよいということがわかります。振り子に沿わせる必要はありません。

今回は物理基礎の力学(後半)についてまとめました。次回は物理の力学についてまとめます。

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