共通テスト（理科） 過去問
令和4年度（2022年度）本試験
問2 (物理基礎（第1問） 問2)

この問題のポイントは以下の通りです。

慣性の法則→物体が静止または等速直線運動しているとき、物体にはたらく合力は０である(つりあっている)。

運動の法則→物体の加速度と、物体にかかっている合力は比例する。

これを踏まえて各区間のグラフを読むと

0<t<t1の区間(区間1)

問題文よりt=0のときにおもりは静止しており、おもりが糸から受けている力はF=mg(N)です。

またグラフより、この区間内において「おもりが糸から受ける力Fは変わっていない＝新たにおもりにはたらいている力はない」と読み取れるので、慣性の法則より、おもりは静止し続けています。

区間1：静止している。

t1<t<t2の区間(区間2)

グラフより、この区間内において「おもりが糸から受ける力Fが大きくなっている＝新たにおもりに力がはたらいている」と読み取れるので、運動の法則より、おもりは一定の加速度で速さが増加しているところだとわかります。

区間2：一定の加速度で速さが増加しながら、鉛直方向に上昇している。

t2<tの区間(区間3)

グラフより、この区間内においておもりが糸から受けている力はF=mg(N)に戻っており、t0<t<t1と同様に「新たにおもりにはたらいている力はない」と読み取れます。またt2の直前までおもりは上昇しているところなので、慣性の法則より、おもりは一定の速さで鉛直方向に上昇を続けることになります。

区間3:一定の速さで鉛直方向に上昇している。

この問題のポイントは、慣性の法則です。

慣性の法則

物体に外から力が働かない、または力がつり合っている場合、

停止している物体は停止し続け、運動している物体は等速直線運動を続ける

これを踏まえて問題を見てみましょう。

区間１では重力とおもりが糸から受ける力をFがつり合っているので、慣性の法則が成り立ちます。

最初に物体が停止しているので、この物体は慣性の法則より停止し続けます。

区間１：a

区間２では重力より大きい力で鉛直上向きにおもりが糸から力を受けているので、その合力は鉛直上向きです。

運動方程式（F = ma）より、力を受けるとその力に比例した加速度で投下速度直線運動をしますので、

今回の問題では鉛直上向きに加速しながら進みます。

区間２：c

区間３では重力とおもりが糸から受ける力をFがつり合っているので、慣性の法則が成り立ちます。

今回は区間１と違い、物体が運動しているので、この物体は慣性の法則より等速直線運動をします。

区間３：b

解答　順に　a→c→b　(静止→等加速度で上昇→等速で上昇)

解説

慣性の法則および運動方程式の理解度を問う問題です。

鉛直上向きを正とします。

与えられたグラフより、おもりが受ける力の合力(F-mgで計算できる)は

区間1: 0　区間2: 正の向きで大きさは一定の力　区間3: 0

とわかります。

これと運動方程式から、おもりの加速度は、

区間1: 0　区間2: 正の向きで大きさは一定の加速度　区間3: 0

とわかります。

したがって速度は、はじめ静止していたことも加味して、

区間1: 静止　区間2: 一定の加速度で上昇　区間3: 等速で上昇

となり、よって答えは　順に　a→c→b　となります。