ニュートンの運動法則
物体がどのように動くかを支配する根本法則、ニュートンの3法則を正確に理解します。入試では法則の適用と式変形が問われます。
基本知識
第1法則（慣性の法則）: 合力が0のとき、静止している物体は静止し続け、運動している物体は等速直線運動を続ける。
第2法則（運動の法則）: 物体の加速度は、合力に比例し質量に反比例する。F = ma（F: 合力 [N]、m: 質量 [kg]、a: 加速度 [m/s²]）
第3法則（作用・反作用の法則）: 物体Aが物体Bに力を及ぼすとき、BはAに対して同じ大きさ・逆向きの力を及ぼす。この2力は同一直線上にある。
力の単位 1N = 1 kg·m/s²。重力加速度 g ≒ 9.8 m/s²（問題により10 m/s²）。
質量 m [kg] の物体に働く重力: W = mg
慣性 (inertia)（物体が現在の運動状態を保とうとする性質）
合力（物体に働く力のベクトル和）
F = ma（運動方程式。入試の基本中の基本）
作用・反作用（同一直線上・逆向き・等大。異なる物体に働く）
つり合いの2力（同一物体に働く・逆向き・等大。作用反作用と区別）
深掘り（背景・意義）
運動方程式 F = ma を使うときは必ず「注目する物体を1つ決め、その物体に働く合力を求める」手順が重要です。複数の物体が絡む問題でも、物体ごとに F = ma を立てれば解けます。
第3法則の2力は異なる物体の間に働く点が要注意。「作用反作用ペア」と「つり合いペア」は混同されやすく、入試頻出の落とし穴です。
慣性の大きさは質量に比例します。重い物ほど動かしにくく、止めにくい。宇宙空間でも質量は変わらないので、無重力下でも重いものを動かすには大きな力が必要です。
F = ma はベクトル式です。x・y方向それぞれに成分に分解して方程式を立てるのが、斜面や曲線運動問題の基本テクニックです。
- F = ma は方向付きのベクトル式
- 注目物体を決め、全ての力を書き出す
- 作用反作用 ≠ つり合い（異なる物体 vs 同一物体）
- 合力 = 0 なら加速度 = 0（等速直線運動 or 静止）
- 重力 W = mg（g = 9.8 m/s²）
- 斜面問題は力を平行・垂直成分に分解
- N = 1 kg·m/s²
注意点（混同しやすい）
① 質量（kg）と重力（重さ）（N）は別物。質量は慣性の大きさ、重力は mg。② 作用反作用は異なる物体間、つり合いは同一物体上。どちらも逆向き等大で似ているが本質的に異なる。③ 等速度運動を「力がない」と勘違いしない。合力がゼロでも力は存在しうる。④ F = ma の F は合力。個別の力を入れないよう注意。
練習
- 質量 3.0 kg の物体に合力 12 N を加えたとき、加速度を求めよ。
- 「作用反作用の法則」と「力のつり合い」の違いを、2力が働く物体の数に着目して説明せよ。
- 合力がゼロのとき、物体はどのような運動をするか（2つ答えよ）。