運動の法則

目的

• 力学台車と記録タイマーを用いて、物体に生じる加速度が加わる力の大きさに比例し、物体の質量に反比例することを実験で調べ、運動の法則が成り立つことを確かめる。

準備

• 力学台車、記録タイマー、記録テープ、クランプ、バネばかり、おもり３個(１個１kg)、セロテープ、ものさし

方法

実験．I　力と加速度の関係（質量：一定）

1. 机の端に固定した記録タイマーに、１ｍ程度の記録テープを通し、力学台車にセロハンテープでとめる。
2. 力学台車にバネばかりのフックをかける。台車をおさえて、バネばかりを水平に持ち、バネばかりの読みが40[gw]になるように引く。
3. 記録タイマーのスイッチを入れてから力学台車を放し、バネばかりの目盛を一定に保ちながら引き続ける。
4. 力学台車を引く力を80[gw]、120[gw]、160[gw]と増加させて、同様の実験を行う。
5. 記録テープの打点が重なっている初めの部分は除いて、基準点０を決め、５打点ごとの長さを測る。
6. ５打の時間0.1[s]を用いて、各区間の平均の速さを計算し、表１にまとめる。

実験．II　質量と加速度の関係（引く力：一定）

1. バネばかりの読みを100[gw]で一定とし、実験Iと同様の実験を行う。
2. 力学台車を引く力を変えずに、台車にのせるおもりを１個、２個、３個と増やして、同様の実験を行う。
3. 記録テープの打点から実験Iと同様に処理をし、表２にまとめる。

※5打点間の時間：
　タイマーの振動数 ＝ 50Hz地域の場合、1秒間に50個の点を打つ
　１打点間の時間 ＝ 1/50 [s] ＝ 0.02 [s]
　５打点間の時間 ＝ 0.02×５ ＝ 0.10 [s]

実験の様子

処理

1. 表１からｖ－ｔグラフを作成し（グラフ１-1）、グラフの傾きからそれぞれ加速度ａ[m/s²]を求める。　加速度ａは表１に記入する。
2. 表１の加速度ａと力Ｆの関係をグラフにする。（グラフ１-2）
3. 表２からｖ－ｔグラフを作成し（グラフ２-1）、グラフの傾きからそれぞれ加速度ａ[m/s²]を求める。　加速度ａは表２に記入する。
4. 表２の加速度ａと質量ｍの逆数の関係をグラフにする。（グラフ２-2）

グラフの作成

考察

1. 加速度と力，質量の関係（ｍａ＝Ｆ）の関係を結果のグラフから考察せよ。
   グラフ１－2は原点を通る直線である。よって、加速度は力に比例していることがわかる。また、グラフ２－2から加速度は質量の逆数に比例している、つまり加速度は質量に反比例していることがわかる。
2. 誤差が生じる原因について考えよ。
   
   ・第一に、一定の力で引くことが難しい点があげられる。手で引くのではなくおもりと滑車を使用すればほぼ一定の力で引くことができるだろう。
   ・記録タイマーと記録テープの摩擦、台車のタイヤの摩擦などが誤差の原因となることが考えられる。

実験プリントｐｄｆファイル