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【物理】高校生のための物理ノート ~力学編~【学習】

高校で習う物理の力学(ニュートン力学、古典力学)の分野の情報をまとめました。参考書としてお使い下さい。一部、大学レベルの内容にも触れています。

更新日: 2012年12月01日

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china0512さん

力の定義とその種類

「力」とは、自由物体の動きを変化させたり、あるいは固定物体に応力を起こす(物質を変形させる)、外部から影響をもたらすもの。

力の単位としてニュートン(記号N)が使われます。

1Nは,質量1kgの物体の速さを1秒間に秒速1mずつ速くする力の大きさです。

フック(Hooke)の法則
「物体に加えた力の大きさと物体の変形の度合い(ひずみ) が比例する」

アルキメデスの原理
「流体中の物体は、その物体が押しのけた流体の重さ(重力)と同じ大きさの浮力を受ける

空気抵抗の大きさは、物体の形や大きさや速さによって複雑に変化します。本当の値は大学物理の流体力学によって導出されるのですが、高校物理ではそのうちの最も簡単な場合、形が球で速さが小さい場合、について考えます。その場合の空気抵抗R は
 R =kv
といわれています。k は比例定数です。v は物体の速さです。つまり空気抵抗は速さに比例するのです。

円運動における加速度は円の中心方向(法線方向)と接線方向とにわけられます.そして円の中心方向の加速度に関しては円の中心を向きます.
加速度が円の中心を向くことから円運動している物体には円の中心方向に力が働きます.この力のことを向心力と呼ぶのです.

質点の力学

質量はあるが、大きさが点の物体を「質点」という。
物理学では物体を質点とみなして、その運動について考える場合が多い。これを質点の力学といい、物体の大きさを考えに入れないので物体自身の回転運動を考えなくて済む分、力に対する物体の運動が単純となる。

等加速度直線運動の公式のv^2-v_0^2=2axの導き方②

エネルギーの原理「運動エネルギーの変化はされた仕事に等しい」を使う方法もあります。
すなわち mv’v’/2-mvv/2=Fx=max
mを消去して公式が導かれます。

剛体の力学

一定の大きさを持ちながら、力を受けても変形しない、熱の影響で膨張・収縮しない物体を「剛体」と呼びます。

逆に変形してしまう物体は弾性体といい、弾性力を考慮しなければなりません。厳密には世の中の物体はすべて弾性体なのですが、物理の法則を論じる上で考えやすいように、質点とか剛体とかいうものを考えます。

力が剛体を回転させるとき、
 ■力の大きさ F
 ■回転の中心から力の作用線におろした垂線の長さ L
を示す値が大きければ大きいほど、剛体を回転させる働きは強くなります。

「剛体を回転させる働き」のことを「力のモーメント」と呼び、FとLの積で表します。
 N=FL
N, F, L はすべてスカラーです。力の単位はN(ニュートン)、長さの単位はm(メートル)が主に 使われますので、力のモーメントの単位はN・m(ニュートンメートル)となります。

エネルギー

「エネルギー」というのは、「物体が『仕事』をする能力」のことである。

エネルギーの定義

物体に一定の力 F [N]を加え続けて、その力の向きに距離 s [m]だけ動かしたとき、その積 F × s を、力が物体にした「仕事 W [J]」といいます。

 仕事W = F s

仕事の単位は、力[N]×距離[m]だから[N・m]ですが、これをたいてい[J](ジュール)で表します。[N・m]=[J]です。(19世紀のイギリスの物理学者ジェームズ・プレスコット・ジュールから。量記号のW は Work から。)

仕事の定義

円運動

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