運動方程式(実験方法)
  
対象等
中学生から高校生まで
目的
タイマーを使って、運動方程式が成り立っていることを証明する
準備
タイマー、紙テープ、力学台車、バネばかり、おもり、長いゴム、ストップウオッチ
実験場所
4人掛けぐらいの長い机、または廊下
方法


1 長いゴムひもで力学台車を引く

 演示実験です。
  
 10(m)ぐらいの長いゴムひもを用意し、これを二つ折り、三つ折り、四つ折りにして、廊下等で力学台車を引きます。

 ゴムの力が加わっている間だけに注目させ、目で見て速さや加速度の違いを感じてもらいます。

 力学台車を重ねれば、質量の変化にも対応できます。渡り廊下でやることが多いのですが、なかなかまっすぐ進まなかったりします。それがまた受けます。


2 力学台車から滑車を介しておもりをつるし、タイマーで測定(生)

 厳密な意味では運動方程式が適用できませんが、グラフ等は比較的きれいに書けます。

 但し紙テープから加速度を求める作業が結構面倒に感じます。最近はあまりやっていません。


3 バネばかりで力学台車を引く

 あらかじめ同じ力でバネばかりを使って力学台車を1mほど引く練習をさせます。引き方は個人差があるので班の中で一番うまく(一定の力で)引けた生徒を選びます。

 机の上に1(m)の定規を置き、静止の状態で一人が力学台車を手で押さえます。その状態でもう一人がばねばかりを引き最初は20(g)ぐらいのメモリを指すようにします。

 合図で力学台車を放すと同時に、台車を引く係の生徒は、メモリが常に20を指すように努力しながら引きます。(これが一番大変ですが、やる気のある学校では、みんな必死に努力します)

 1(m)を通過した時間をストップウオッチで測定し、距離と時間の関係式から加速度を求めます。最近は運動方程式の確認はいつもこの方法です。

 グラフは想像以上にうまく出ます。特に力と加速度の関係はいい結果が得られます。質量と加速度の関係は、力学台車に手近にあるものの質量を測定し、どんどん積み重ねていく方法で行っています。

 あまり重くなると摩擦がきいてきて、良い結果が得られません。引く力は100(g)(正式には100gW)で行っています。
 

注意点
 以下は特に3番目の実験に関して
 ・ 出発時の力の加減が難しいです
 ・ 力学台車のどの部分が通過したとき、ストップウオッチを押せばいいのか迷う生徒がいます
 ・ ストップ・ウオッチだけで、遊ぶ生徒がいます。管理には気をつけて
 ・ 時間の二乗を、2倍と勘違いして計算する生徒がいます
 
結果
 上に書いたとおりです。グラフを書くと、どの班が真剣に実験に取り組んだか一目瞭然ですが、グラフの書き方も丁寧に指導しないと(特にメモリの振り方)、なかなか良い結果は得られません。
考察
応用等

 ・ 力と加速度は比例する
 ・ 質量と加速度は班比例する
 ・ 摩擦がなければ、小さな力でも物体は動く
 ・ ひたすら加速を続けると速さはどうなるか
 
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