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