【物理基礎】作用反作用の法則とは?必ず間違える例と問題

 
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オンライン物理塾長あっきーという名の現役の早稲田生。高3秋から1か月で40点点上げ、センター試験では満点を取り、その経験を活かし塾講師として活躍。塾・学校・参考書の内容やカリキュラムに違和感を感じ数多くの高校生を救うため、大学2年生で「受験物理Set Up」を開設。今や多くの高校生が活用するサイトに発展。

どうも!オンライン物理塾長あっきーです!センター試験では物理満点をたたき出し、現役で早稲田大学に合格。1年間の塾講師を経験後、月2万人が利用するオンライン塾サイトを運営しています!

あっきー

今回は、物理基礎の範囲である作用反作用の法則について話をしていきます。

作用反作用の法則とは次のような法則です

物体Aが物体Bに力を及ぼすとき、同時に物体Bは物体Aに力を及ぼす。このとき、これらには3つの関係が成立する

  • 大きさは等しい
  • 一直線上にある
  • 向きは逆

これは皆さんご存知ですが、これをしっかり使いこなせているかというとみなさん使えてないんですよね。

このようなばねの作用反作用の問題は解けますか?そして説明できますか?

 

というあいまいな部分も、ここで作用反作用の意味をもう一度見直し確実に解けるようにしましょう!

ここで学べること

作用反作用の法則の3つの性質

多くが意識しない作用反作用の法則のポイント

 

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力は必ず相互に及ぼしあう

 

そもそも力は単独で存在するものではなく、物体が相互に及ぼしあいます。

例えば、台に乗って壁を押すと壁から離れるように動きます。

「壁を押す」という行為は「壁に力を与える」ということですが、同時に「壁から力を受ける」という現象も起こっています。

壁から力を受けることで、台は後ろに動き出すのです。

歩くという行為も作用反作用で起こっています。

地面を蹴って力を及ぼすのと同時に、地面から力を受けることで前に進めるのです。

このように、力は必ず物体同士が及ぼしあって生じます(慣性力は例外です)。

 

作用反作用の法則

 

この及ぼしあう力には3つの性質があって、それが作用反作用の法則です。

  • 大きさは等しい
  • 一直線上にある
  • 向きは逆

 

作用反作用の法則で9割が意識しない大事なこと

 

中学生で作用反作用の法則は習ったので楽勝だと思いますが、それが原因で9割の高校生が大事なポイントを意識していません。

そのポイントが以下の二つです。

  • 力を受ける物体はそれぞれ異なる
  • 力は「衝突の激しさ」ではない

特に1つ目の「力を受ける物体はそれぞれ異なる」というのは意識しないと入試で詰みます。

この図を見ればわかりますが、作用反作用にある力は明らかに力の対象が違います。

これが力のつり合いや運動方程式に大きく影響します。

 

間違えやすい作用反作用の法則の問題例

 

この作用反作用の法則、「いやいや間違えるわけないでしょ」と、たかをくくっているとイタイ目に遭います。

そこで、今のうちに作用反作用の法則で間違えやすい例を3つ紹介します。

 

作用反作用の図示

 

例えば図のような2つの物体があるとします。

このBについて運動方程式を運動方程式を立てるときに、こんなミスをやる人が多いです。

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AとBには作用反作用にある力がはたらいていて、大きさが同じで向きが逆向きだから力がつり合うな・・・

そう考えたくなりますよね。

しかし、これは間違いです。

なぜなら、作用反作用は力を受ける物体がそれぞれ異なるからです。

Bの運動方程式を立てる場合は、「Bが受ける力だけ」を考えなければいけません。

ですから、作用反作用の力を受ける対象が異なるポイントはめちゃめちゃ大事なのです。

これは慣れてきてテキトーにやるほどミスしやすいので注意しましょう!

ちなみに運動方程式についてはコチラで解説しています。

 

衝突の作用反作用の問題

 

これは力の性質自体を誤解している場合にミスします。

図のように、重さ8トンで60km/sの速さで動くトラックと、重さ2トンで40km/sの速さで動く乗用車が衝突した場合どちらが力を大きく受けるでしょう?

車の方が力を大きく受けますか?・・・違います。

確かに、トラックの方が重く、速さも大きいので自動車の方が吹っ飛ばされて破壊されます。

しかし、これは運動量(あるいは運動エネルギー)が影響しているだけです。

力はこのような「衝撃」に関わる量ではありません。

運動方程式\(m\vec{a} = \vec{F}\)を見ても分かるように、力はあくまで「加速度を生じさせるもの」でしかありません。

衝撃は一切関係なく、自動車が力を受けたらトラックもそれと同じ大きさだけ力を受けるのです。

衝撃関係なしに「作用反作用の法則」を考えるのです。

運動量などの話が出てきたのでこちらもチェックしましょう。

 

ばねの作用反作用の問題

 

高校生が最初につまずくような問題があります。

ばねがあり、まずAのように片方は壁に、片方は物体につなぎ静止させます。

次にBのように同じ質量をもった物体を両端につなぎ静止させます。

このとき、Bの場合はAのとき比べばねの伸びは何倍になりますか?

2倍ですか?4倍ですか?・・・違います。

1倍です。ばねの伸びは変わりません。

 

物体によってばねが伸びます。これにより壁は右向きに力を受けます。

ですから、作用反作用の法則より壁側のばねは左向きに力を受けますね。

つまりバネは左右方向に\(mg\)の力を受けることになります。

 

Bの場合は、両端の物体によって引っ張られ、ばねは左右向きに\(mg\)の大きさを受けます。

これを見るとAとBで状況は全く同じですよね。ですから、ばねの伸びは変わらないのです。

 

このように、作用反作用は分かっていても、いざ問題になるとミスをすることが多いです。簡単で単純な問題ほど物理は本質的な理解が必要で難しいんですね。

 

まとめ:作用反作用の法則

 

いかがでしたか?

作用反作用の法則は慣れてくるほどミスをしやすくなります。

特に、先ほど見た「力を受ける対象が異なる」というのは本当にミスします。

今のうちにこの辺りを徹底しておきましょう。

今回のまとめ

作用反作用の法則

  • 大きさは等しい
  • 一直線上にある
  • 向きは逆

作用反作用の法則の見落としポイント

  • 力を受ける物体はそれぞれ異なる
  • 力は「衝突の激しさ」ではない
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