高校物理の基礎

【前回の宿題解説】連結の深みと見かけの力、本質を見抜け！

最終更新日: 2025-06-05 11:25:50

作成者: カリスマ講師

前回は、連結された物体が滑車を介して動くドラマや、加速する乗り物の中で感じる不思議な「慣性力」について学んだ。その最後に、君の物理脳をさらに鍛えるための挑戦状を叩きつけたよな。まずはその答え合わせから、今日の講義をスタートさせるぜ！

【前回の宿題解説】連結の深みと見かけの力、本質を見抜け！

質問１：「滑車の例題で、もし \( m_1 = m_2 \) だったら、加速度 \( a \) と張力 \( T \) はどうなるんだったっけ？ もう一度、式から確認してみてくれ！」

質問２：「『慣性力』って、本当に物体に働いている『実際の力』なのかな？ それとも、あくまで『見かけの力』？ 作用・反作用の法則は、慣性力にも当てはまるんだったっけ？」

質問３：「君が乗っている電車が、一定の速さでまっすぐ走っている（等速直線運動している）とする。このとき、電車内の君は慣性力を感じるかな？」

どうだったかな？ 前回の内容、しっかり自分のものにできた感じがするかい？ さあ、今日から我々は、物理学の物語の新たな章へと足を踏み入れる！これまで「力」と「加速度」の関係を中心に物体の運動を追いかけてきたけど、これからは「仕事」と「エネルギー」っていう、まったく新しい切り口から運動の謎に迫っていくぞ！

この「エネルギー」っていう視点を持つと、複雑に見える現象が驚くほどシンプルに理解できたり、計算がめちゃくちゃ楽になったりすることがあるんだ。まさに物理学のスーパーツール！ 世界の見え方がガラッと変わるような、そんな面白さが待っているぜ！

準備はいいか？ 新たな冒険の始まりだ！

【第１４講】運動の通貨「エネルギー」と、その稼ぎ方「仕事」！

エネルギーって何だ？ ～すべての活動の源～

まず、「エネルギー」って言葉、日常でもよく聞くよな。「エネルギーが足りない」とか「省エネ」とか。物理でいうエネルギーも、基本的には「何かをすることができる能力」みたいなイメージだ。 エネルギーには、本当にいろんな種類がある。

などなど、数え上げたらキリがないくらいだ。

今回は、この中でも特に力学と関わりの深い「機械的エネルギー」（運動エネルギーと位置エネルギーの総称）に焦点を当てていくぞ。

仕事 (Work) ～力を加えて動かすこと～

じゃあ、そのエネルギーはどうやったら変化させられるんだろう？ その一つの方法が「仕事（しごと）」をすることなんだ。 物理でいう「仕事」は、日常で使う「お仕事」とはちょっと意味が違う。

ズバリ、物理における仕事とは、「物体に力が加わって、その力の向きに物体が移動したとき、その力は物体に対して仕事をした」という。

仕事はスカラー量（向きを持たない量）だ。 一定の大きさ \( F \) の力が、物体を距離 \( x \) だけ動かしたとき、その力のする仕事 \( W \) は、次のように表される。

\( \Large{W = Fx \cos\theta} \)

ここで、

仕事の単位は J（ジュール） と読む。これは、エネルギーの単位でもあるんだ。 \( 1 \mathrm{J} = 1 \mathrm{N \cdot m} \)、つまり「\( 1 \mathrm{N} \) の力で物体を力の向きに \( 1 \mathrm{m} \) 動かすときの仕事」が \( 1 \mathrm{J} \) だ。

仕事のプラス・マイナス・ゼロ

この \( \cos\theta \) の部分がミソで、仕事にはプラスになったり、マイナスになったり、ゼロになったりする場合があるんだ。

  1. 力がする仕事がプラス ( \( W > 0 \)): 力の向きと移動の向きが近いとき（\( 0^\circ \le \theta < 90^\circ \)、つまり \( \cos\theta > 0 \)）。 このとき、力は物体の運動を助けるように働き、物体にエネルギーを与える。 例：物体を進行方向に押す力。

  2. 力がする仕事がマイナス ( \( W < 0 \)): 力の向きと移動の向きが大体逆のとき（\( 90^\circ < \theta \le 180^\circ \)、つまり \( \cos\theta < 0 \)）。 このとき、力は物体の運動を妨げるように働き、物体からエネルギーを奪う。 例：動いている物体を止める向きに働く摩擦力。

  3. 力がする仕事がゼロ (\( W = 0 \)):

    • 力の向きと移動の向きが垂直なとき（\( \theta = 90^\circ \)、つまり \( \cos90^\circ = 0 \)）。 例：荷物を水平に持って運んでいるとき、荷物を持ち上げる鉛直上向きの力は、水平な移動に対して仕事をしない。
    • 力が働いていても、物体が移動しないとき（\( x=0 \)）。 例：壁をいくら力いっぱい押しても、壁が動かなければ仕事はゼロ。
    • そもそも力が働いていないとき（\( F=0 \)）。

運動エネルギー (Kinetic Energy) ～動いているから持っているエネルギー～

さあ、仕事と深く関わるエネルギーの代表選手、運動エネルギーの登場だ！ これは、その名の通り、運動している物体が持っているエネルギーのこと。 質量 \( m \) の物体が速さ \( v \) で運動しているとき、その運動エネルギー \( K \)（または \( E_k \) とも書く）は、

\( \Large{K = \frac{1}{2}mv^2} \)

と表される。これもスカラー量で、単位は仕事と同じ J（ジュール）だ。 速さが大きいほど、質量が大きいほど、運動エネルギーは大きくなる。当たり前だよな！

仕事とエネルギーの定理 ～仕事がエネルギーを変える！～

さあ、今日のクライマックスだ！ 「仕事」と「運動エネルギー」の間に成り立つ、めちゃくちゃ重要な関係、それが「仕事とエネルギーの定理」だ！

ズバリ、「物体にされた仕事の合計（正味の仕事 \( W_{\text{net}} \)）は、その物体の運動エネルギーの変化 (\( \Delta K \)) に等しい」というものだ！

\( \Large{W_{\text{net}} = \Delta K = K_f - K_i} \)

ここで、

この定理、実はニュートンの運動方程式 \( ma=F \) から導き出せるんだけど、今日はまず「こういう便利な関係があるんだ！」ってことをしっかり掴んでほしい。 これを使うと、途中の加速度とかを考えなくても、仕事をする前と後での速さの変化なんかが直接求められたりするんだ。超強力だろ？

簡単な例で体感！ 静止していた質量 \( m \) の物体に、一定の力 \( F \) を加えて距離 \( x \) だけ動かしたとしよう（力の向きと移動の向きは同じ \( \theta=0^\circ \)）。 このとき、力がした仕事は \( W = Fx \cos0^\circ = Fx \)。 これが運動エネルギーの変化に等しいから、\( Fx = \frac{1}{2}mv_f^2 - 0 \)（初めは静止していたので \( K_i=0 \)）。 ここから、後の速さ \( v_f \) は \( v_f = \sqrt{\frac{2Fx}{m}} \) と求まる。 これ、等加速度直線運動の公式 \( v^2 - v_0^2 = 2ax \) で、\( v_0=0 \)、\( a=F/m \) としたときと同じ結果になるんだぜ！

ふぅー！今日の講義はここまでだ！ 「仕事」と「運動エネルギー」、そしてそれらを結びつける「仕事とエネルギーの定理」。新しい概念がたくさん出てきて、頭を使ったかもしれないけど、このエネルギーっていう視点は、今後の物理学習で君の強力な武器になること間違いなしだ！

最後に、今日の学びを定着させるための確認問題を出すぞ！ 1. 君がカバンを肩にかけて、水平な廊下を一定の速さで歩いているとする。このとき、君がカバンを持ち上げている鉛直上向きの力は、カバンに対して仕事をしているかな？ していないかな？ その理由は？ 2. 同じ質量の車Aと車Bがある。車Aが車Bの2倍の速さで走っているとき、車Aの運動エネルギーは車Bの運動エネルギーの何倍になっているかな？ 3. 物体にプラスの仕事をすると、その物体の運動エネルギーはどうなるのが一般的かな？（増える？減る？変わらない？）

次回は、もう一つの重要なエネルギーである「位置エネルギー」（特に重力による位置エネルギーと弾性エネルギーによる位置エネルギー）について詳しく見ていくぞ！そして、それらと運動エネルギーを合わせた「力学的エネルギー保存則」っていう、これまた物理学の美しい法則に迫る！ それじゃ、また次回！今日の復習、しっかりな！エネルギー全開でいこうぜ！✨

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