2021年共テ物理第2問：導体棒の力と速度の関係についての解説

2021年の共通テスト物理第2問における問題では、導体棒にかかる力とその運動についての理解が求められました。特に、導体棒aとbが逆向きの力を受ける中で、なぜ両方の棒の速度が正で始まるのかという点が疑問として挙げられています。この記事では、この疑問について詳しく解説します。

導体棒に働く力と運動の関係

共通テスト物理の問題で示されているように、導体棒が磁場中で動く場合、ローレンツ力が働きます。この力は、電流が流れる導体に対して、磁場からの力が作用するものであり、力の向きはフレミングの左手の法則で求めることができます。

問題では、導体棒aとbが同じ大きさの力を逆向きに受けるとされており、各棒に対してどのような運動が生じるかを考えることが求められます。

問5で指摘されているように、導体棒aとbは逆向きに力を受けます。この時、導体棒aは正の方向に動くと仮定されています。問題文の解答では、両方の棒の速度が正の方向で始まる理由が説明されていますが、これは力が働く向きと速度の向きに関連があります。

具体的には、導体棒aは正の方向に動き、導体棒bは負の方向に動くように思われますが、解答ではどちらも正の速度で開始されます。これは、力の向きと運動方向が一致し、両方の棒が初めは同じ方向に加速されるためです。

解答が示すように、両方の導体棒の速度が正で始まる理由は、力が働く方向が初速に影響を与えるからです。導体棒aは磁場の力を受けて加速され、最初は正の速度が生じます。同様に、導体棒bも同じように力を受けて加速されるため、最初は正の方向に速度が増加します。

ここで重要なのは、速度が最初に正である理由であり、両棒は最初の瞬間で正の加速度を得るため、速度が正で始まるという点です。

この問題を理解するためには、ローレンツ力と加速度の関係を具体的に考えることが有効です。ローレンツ力が導体に作用する場合、最初の運動は力の向きに従って進行します。このため、どちらの導体棒も初めて加速される際に正の速度で始まるのです。

加速の方向と速度の関係を理解することは、物理の問題を解く際の重要なポイントです。このような問題では、力と運動の関係を正確に捉えることが解答への近道となります。

導体棒aとbが受ける逆向きの力について、最初の速度が正である理由は、力の向きと加速度の関係にあります。ローレンツ力によって、導体棒は初めに正の速度で加速されるため、解答通り両方の棒の速度が正となります。この理解を深めることで、物理の問題に対するアプローチがよりクリアになるでしょう。