どうも、かきのたねです。
昨日はセンター試験でしたね。今回は２０１９年度のセンター物理をわかりやすく解説していきます。
次は第４問。
問１：非慣性系と慣性力 答：３
【公式】非慣性系
加速度\( a \)で運動する観測者には、全ての物体（質量\( m \)）が加速度の向きとは逆向きに重力のような力（慣性力）\( ma \)が働いているように見える。
エレベーターやバスなどは加速度運動するが、慣性力の大きささえわかれば外界がどう見えるか（自分がどんな速度で運動しているのか）は無視できる。
バスの中からこの物体を見ると、重力と張力と慣性力が釣り合っている。
重力と慣性力の合力は赤い矢印で、この図から、
よって３が答え。
問２：非慣性系での物体の運動 答：５
バスの加速度は変化しないので、慣性力の大きさと向きも変化しない。つまり、先ほどの赤い矢印の向きに常に同じ大きさの力が働く。
ボールは静かに（初速度ゼロで）離したので、赤い矢印の向きに等加速度直線運動する。
よって答えは５
問３：力学的エネルギー保存則 答：５
この運動中、非保存力（この状況では張力のみ）は仕事をしないので力学的エネルギーが保存する。
物体が落下すると重力による位置エネルギーが減少し、運動エネルギーへと変化する。
角度\( \alpha \)が小さい時（0°付近）は角度の増加で急激に落下するが、角度\( \alpha \)が大きくなるにつれて落下の仕方は緩やかになる。
つまりはじめのうちは運動エネルギーがゼロから急激に増加し、だんだん緩やかになっていくものを選べばよい。
答えは５
計算でも求めておこう。
角度\( \alpha \)の時の落下距離は\( l\sin{\alpha } \)なので、減少した位置エネルギーは\( mgl\sin{\alpha } \)
これが全て運動エネルギー\( K \)に変換されるので、
これを表すグラフは５
問４：円運動 答：６
\( \beta = 90^{\circ} \)のときも円運動を継続しているので、張力は円運動の遠心力と釣り合っている。（ちょうど90°なので重力は寄与しない）
【公式】円運動の遠心力
円運動しているときに物体が感じる遠心力\( F \)は次のようになる。（等速とは限らない）
\( r \)：円運動の半径
\( \omega \)：角振動数
\( v \)：速さ
遠心力を求めるため、速さ\( v \)を求めよう。
釘にかかった後もエネルギーは保存している。
よってはじめの状態からどれだけ落下したか（位置エネルギーが減少したか）がわかれば、運動エネルギーが求まり速度\( v \)がわかる。
\( \beta = 90^{\circ } \)のとき、
なので、運動エネルギーの公式に代入すると、
\( v \)について解くと、
この円運動の半径は\( l-a \)なので、遠心力\( F \)は、
これが張力と釣り合っているので、張力\( T \)は
よって答えは６
高校物理の家庭教師
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