共通テスト(理科) 過去問
令和7年度(2025年度)本試験
問76 (物理(第2問) 問5)
問題文
図1のように伸び縮みしない軽い糸の一端に質量mの小球をつけ、糸の他端を点Pに固定した。空気抵抗および点Pでの摩擦は無視できるものとする。点Pから小球までの長さ(振り子の長さ)をLとする。最下点にあるときの小球の位置Oを原点とし、鉛直方向にy軸、水平方向にx軸をとり、振り子をxy面内で振動させた。図1のように点Oからの円弧に沿った小球の変位をs,糸がy軸となす角をθ、重力加速度の大きさをgとする。振り子がx軸の正の向きに振れたときのsを正とする。このとき、s=Lθが成り立つ。糸の最大の振れ角θ0が小さく、運動の範囲内ではsinθ≒θの近似が成り立つ場合を考える。
周期の測定における誤差を減らすために、レーザーと光センサーを組み合わせた図2のような装置を作った。光センサーの受光部とレーザー光の光軸は、xy面と直交する軸上に固定されている。光センサーにレーザー光が入射すると、オシロスコープにはレーザー光の強度に比例した電圧が観測され、小球が最下点にあるとき糸がレーザー光をさえぎり、電圧が下がる。オシロスコープは十分高い精度で時間を測定できるものとする。
図2の装置を用いると、重力加速度の大きさを高精度で得ることができる。緯度が異なる二つの測定地点において、重力加速度の大きさを測定したところ、測定地点によって小さな差が生じた。この差が生じる原因の一つは、地球の自転による遠心力である。
次の文章中の空欄カ・キに入れる式の組合せとして最も適当なものを、後の選択肢のうちから一つ選べ。
ここでは、地球を半径Rの一様な密度の球体とし、北極と南極を通る地軸のまわりを角速度ω0で自転しているものとする。赤道上の地表面にある質量mの小球にはたらく遠心力の大きさfはf=m✕( カ )になる。したがって、赤道で測定される重力加速度の大きさをge,極で測定される重力加速度の大きさをgpとすると、ge=( キ )と書ける。
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問題
共通テスト(理科)試験 令和7年度(2025年度)本試験 問76(物理(第2問) 問5) (訂正依頼・報告はこちら)
図1のように伸び縮みしない軽い糸の一端に質量mの小球をつけ、糸の他端を点Pに固定した。空気抵抗および点Pでの摩擦は無視できるものとする。点Pから小球までの長さ(振り子の長さ)をLとする。最下点にあるときの小球の位置Oを原点とし、鉛直方向にy軸、水平方向にx軸をとり、振り子をxy面内で振動させた。図1のように点Oからの円弧に沿った小球の変位をs,糸がy軸となす角をθ、重力加速度の大きさをgとする。振り子がx軸の正の向きに振れたときのsを正とする。このとき、s=Lθが成り立つ。糸の最大の振れ角θ0が小さく、運動の範囲内ではsinθ≒θの近似が成り立つ場合を考える。
周期の測定における誤差を減らすために、レーザーと光センサーを組み合わせた図2のような装置を作った。光センサーの受光部とレーザー光の光軸は、xy面と直交する軸上に固定されている。光センサーにレーザー光が入射すると、オシロスコープにはレーザー光の強度に比例した電圧が観測され、小球が最下点にあるとき糸がレーザー光をさえぎり、電圧が下がる。オシロスコープは十分高い精度で時間を測定できるものとする。
図2の装置を用いると、重力加速度の大きさを高精度で得ることができる。緯度が異なる二つの測定地点において、重力加速度の大きさを測定したところ、測定地点によって小さな差が生じた。この差が生じる原因の一つは、地球の自転による遠心力である。
次の文章中の空欄カ・キに入れる式の組合せとして最も適当なものを、後の選択肢のうちから一つ選べ。
ここでは、地球を半径Rの一様な密度の球体とし、北極と南極を通る地軸のまわりを角速度ω0で自転しているものとする。赤道上の地表面にある質量mの小球にはたらく遠心力の大きさfはf=m✕( カ )になる。したがって、赤道で測定される重力加速度の大きさをge,極で測定される重力加速度の大きさをgpとすると、ge=( キ )と書ける。
- カ:ω02R キ:gp-f/m
- カ:ω02R キ:gp+f/m
- カ:ω02R キ:f/m
- カ:ω0R キ:gp-f/m
- カ:ω0R キ:gp+f/m
- カ:ω0R キ:f/m
- カ:ω02/√R キ:gp-f/m
- カ:ω02/√R キ:gp+f/m
- カ:ω02/√R キ:f/m
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この過去問の解説 (1件)
01
解答 カ:ω02R キ:gp-f/m
解説
小球に働く遠心力の大きさfは公式より
f=mω02R
となります。
遠心力の向きは地球から遠ざかる向きで、
重力加速度とは逆向きであることに注意して、
赤道で測定される小球に働く重力の大きさは
mgp−f
であり、これがmgeに相当するので
mge = mgp−f
となり、両辺をmで割って
ge = gp−f/m
となります。
よって答えは カ:ω02R キ:gp-f/m となります。
この選択肢が正解となります。
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