大学入学共通テスト（理科） 過去問
令和4年度（2022年度）追・再試験
問78 (物理（第2問） 問2)
問題文
次の文章を読み、後の問いに答えよ。
振動数f0の十分大きな音を出す音源を用意する。密閉された箱内部に質量mの物体が糸でつるされている装置に、この音源またはマイクロフォン（マイク）を取り付けて、図1のように、上空から初速度0で鉛直下方に落下させる。装置は図の姿勢を保ったまま落下するものとし、装置の落下の向きを正とする。また、重力加速度の大きさをg，物体を含む装置全体の質量をM，音速をVと表す。ただし、風などの影響はないものとする。
落下中の糸の張力の大きさを記述する文として最も適当なものを、次の選択肢のうちから一つ選べ。
振動数f0の十分大きな音を出す音源を用意する。密閉された箱内部に質量mの物体が糸でつるされている装置に、この音源またはマイクロフォン（マイク）を取り付けて、図1のように、上空から初速度0で鉛直下方に落下させる。装置は図の姿勢を保ったまま落下するものとし、装置の落下の向きを正とする。また、重力加速度の大きさをg，物体を含む装置全体の質量をM，音速をVと表す。ただし、風などの影響はないものとする。
落下中の糸の張力の大きさを記述する文として最も適当なものを、次の選択肢のうちから一つ選べ。
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問題
大学入学共通テスト（理科）試験 令和4年度（2022年度）追・再試験 問78（物理（第2問） 問2） （訂正依頼・報告はこちら）
次の文章を読み、後の問いに答えよ。
振動数f0の十分大きな音を出す音源を用意する。密閉された箱内部に質量mの物体が糸でつるされている装置に、この音源またはマイクロフォン（マイク）を取り付けて、図1のように、上空から初速度0で鉛直下方に落下させる。装置は図の姿勢を保ったまま落下するものとし、装置の落下の向きを正とする。また、重力加速度の大きさをg，物体を含む装置全体の質量をM，音速をVと表す。ただし、風などの影響はないものとする。
落下中の糸の張力の大きさを記述する文として最も適当なものを、次の選択肢のうちから一つ選べ。
振動数f0の十分大きな音を出す音源を用意する。密閉された箱内部に質量mの物体が糸でつるされている装置に、この音源またはマイクロフォン（マイク）を取り付けて、図1のように、上空から初速度0で鉛直下方に落下させる。装置は図の姿勢を保ったまま落下するものとし、装置の落下の向きを正とする。また、重力加速度の大きさをg，物体を含む装置全体の質量をM，音速をVと表す。ただし、風などの影響はないものとする。
落下中の糸の張力の大きさを記述する文として最も適当なものを、次の選択肢のうちから一つ選べ。
- 常にmgである。
-
落下前はmgであるが、落下を開始すると徐々に小さくなり、終端速度に達すると0になる。
- 落下前はmgであるが、落下を開始すると徐々に小さくなるがまた増加し、終端速度に達するとmgに戻る。
-
落下前はmgであるが、落下を開始すると同時に0になり、その値を保つ。
-
落下前はmgであるが、落下を開始すると同時に0になり、その後徐々に増加し、終端速度に達するとmgに戻る。
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この過去問の解説 （1件）
01
「落下前」「落下開始直後」「終端速度に達した後」の3つに分けて考えましょう。
このとき、観測者が装置と一緒に動くことにします。
（つまり慣性力を使って考えます。）
「落下前」
まだ装置は動いていないので、物体に慣性力は働いていません。
物体に働いている力は重力と張力だけであり、今それらがつり合っているので
張力=重力=mgです。
「落下開始直後」
装置が鉛直下向きに加速度gを持っているので、物体には鉛直上向きの慣性力mgが働きます。
よって左辺に鉛直下向きの力、右辺に鉛直上向きの力を書いたとき、
（物体に働く重力mg）＝（張力）＋（慣性力mg）
となるので、張力は
mg-mg=0
となります。
「終端速度に達した後」
装置は落下していますが加速度は持っていないので、物体に慣性力は働いていません。
物体に働いている力は重力と張力だけであり、今それらがつり合っているので
張力=重力=mgです。
よってmg→0→mgとなっている、
「落下前はmgであるが、落下を開始すると同時に0になり、その後徐々に増加し、終端速度に達するとmgに戻る。」
が答えです。
観測者を適切なところに置いて、慣性力を正しく利用しましょう。
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