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記録タイマーによる力学台車の平面、及び斜面上の運動の実験(途中3回手で力を加える)レポートで、「加速度が生じる理由を考察せよ」という問があったのですが、これは手で力を加えたから、或いは鉛直下向きに重力加速度が生じているから、という解答のほかに何が有り得るでしょうか?

力を加えれば物体が加速するのは自明のことで、それ以上深い解答となるととても難しそうなのですが…

A 回答 (6件)

実験の目的は、加速度がどのように生じて、その原因が何かです。


力を加えれば物体が加速するのが自明だったら、実験する意味が無いわけです。
ですから、実験記録により、加速度が生じている時間とその時に作用したのが何かを考察すれば良いだけですよ。
実験内容が不明ですが、例えば、一定時間重力の作用により加速が継続している事を観察する事により、重力加速度を求められます。(あるいは重力の存在が暗示されるでしょう)
そして、途中で力を加える事により、加速度が変化したのならば、力により加速度が変化する事がわかります。(定量的には加えた力で、どのように加速度が変化したかを算出出来るはずです)
この事により、加速度が加えた力に比例して変化する事がわかるはずです。(定量的には、物体の加速度の変化が力とどのような比例関係にあるかがわかるはずです)
実験としては、さらに実験対象の重さを変化させて、加えた力に対して、どのように加速度が変化するかを考察できますが、質問文の実験ではそこまでは求められていないかもしれません。
力学台車の重さを変化させた場合は、重力加速度が重さによらず一定な事がわかります。
途中で力を加えた場合は、力学台車の重さにより加速度の変化が変るはずです。
この場合は、力による加速度と質量の関係があきらかになります。
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> これは手で力を加えたから、或いは鉛直下向きに重力加速度が生じているから、という解答のほかに何が有り得るでしょうか?


⇒結局はこの二つでしょうが、考察を求めているので無理強いするならば…

重力加速度は方向も大きさも決まった値なので、その影響を述べるだけ。
しかし、手で加える力は方向がいろいろあります。
例)水平方向、垂直(鉛直)方向、斜面に平行方向 …これが「3回」の意味ではないでしょうか?
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加速度 a〔m/s^2〕、物体の質量 m〔kg〕、かかる力 F〔N〕


とすれば、 F=ma が成り立ちます。
全ての物体には必ず質量がありますので、加速度とは力がかかっている
ときに発生するものです。

この力には2種類あり、接触してはたらく力(物体を押す、ひもを引く)と
離れて働く力(重力、静電気力、磁力)です。
今回の手で力を加えたのは接触して働く力です。
静電気力や磁力は特殊な場所にしかはたらきませんが、重力は地球上であれば
どこにでも、必ず鉛直方向にはたらくものです。
斜面の場合はこの重力と面にはたらく力(抗力)が合成されて、斜面方向に
落ちる力になります。
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>力を加えれば物体が加速するのは自明のこと



それを確認する実験なのでしょう。

ならば力と加速の対応関係を調べ
力によって加速がどう変わるかを示せばよい。
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「力」と「加速度」の関係を考察すればいかがですか。



 外から加えることができるのは「力」であって、「鉛直下向き」に加わっているのも「重力」です。「加速度」は、その結果の「運動」として生じます。加速度そのものは直接計測できないので、物体の時間ごとの位置を計測して、その間の速度と加速度を算出すると思います。

 重力は「連続して」加わっていますが、手で加える外力は短時間だけ「3回」ということですね。手で加える外力の「大きさ」と「持続時間」(いわゆる「力積」)は、どのように計測しますか? 「重力」の大きさは、どのように計測しますか?

 つまり、何を直接計測して、何を間接的に算出するのか、それによって「力」と「物体の運動、加速度」の関係を求めるのが実験の課題なのでは?

 重力加速度は「9.8m/s^2」とか、「F=m*a」を使ってよいのであれば、わざわざ実験する必要ありません。実験の中で、何を公知として、何を実験で求めるのか、きちんと確認する必要があるかと思います。

>これは手で力を加えたから、或いは鉛直下向きに重力加速度が生じているから、という解答のほかに何が有り得るでしょうか?

 少なくとも、「定量的に」考察してみる必要はあるでしょうね。
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「連続して」か「継続して」という言葉を入れたほうが良いと思いますが。

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