高校物理の力学を学習すると、「作用反作用の法則」という重要な法則が登場します。
しかし、
- 作用反作用とは何？
- 力のつり合いと何が違うの？
- なぜ人は歩けるの？
- 重力と垂直抗力は作用反作用なの？
と疑問を持つ人も多いでしょう。
実は作用反作用の法則は、ニュートンの第三法則であり、力学の基礎を理解するうえで欠かせない考え方です。
この記事では、作用反作用の法則の意味や具体例、テストでよく出るポイントについてわかりやすく解説します。
作用反作用の法則とは？
作用反作用の法則とは、
ある物体が別の物体に力を加えると、同時に反対向きで同じ大きさの力を受ける
という法則です。
これはニュートンの第三法則とも呼ばれています。
簡単に言うと、
力は必ずペアで発生する
ということです。
作用と反作用とは？
例えば、
あなたが壁を押したとします。
このとき、
作用
あなたが壁を押す力
反作用
壁があなたを押し返す力
が同時に発生しています。
壁は動いていないように見えますが、
実際にはあなたを同じ力で押し返しています。
作用反作用の法則の特徴
作用反作用の力には次の特徴があります。
大きさが等しい
例えば10Nで押せば、
10Nで押し返されます。
向きが反対
同じ向きではありません。
必ず反対向きです。
同時に発生する
作用だけ先に発生することはありません。
必ず同時です。
別々の物体にはたらく
ここが最も重要です。
作用反作用の力は、
同じ物体にはたらく力ではありません。
なぜ人は歩けるのか？
作用反作用の法則の代表例です。
人が歩くとき、
足は地面を後ろ向きに蹴っています。
これが作用です。
すると地面は、
足を前向きに押し返します。
これが反作用です。
この反作用によって、
私たちは前へ進むことができます。
泳げる理由も作用反作用
水泳でも同じです。
腕で水を後ろへ押すと、
水は体を前へ押し返します。
この反作用によって前進できます。
ロケットが飛ぶ理由
宇宙空間では地面がありません。
それでもロケットは進みます。
なぜでしょうか。
ロケットは燃焼ガスを後方へ噴射します。
すると、
ガスから前向きの反作用を受けます。
その結果、
ロケットは前へ進むことができます。
力のつり合いとの違い
作用反作用と力のつり合いは、
定期テストで最も間違えやすいポイントです。
力のつり合い
力のつり合いは、
同じ物体にはたらく力です。
例えば机の上の本では、
- 重力
- 垂直抗力
が本にはたらいています。
この二つの力が打ち消し合うことで、
本は静止しています。
作用反作用
作用反作用は、
別々の物体にはたらきます。
例えば、
- 本が机を押す力
- 机が本を押す力
です。
この二つが作用反作用のペアになります。
重力と垂直抗力は作用反作用ではない
非常によく出題される問題です。
多くの生徒は、
机の上の本について、
- 重力
- 垂直抗力
を作用反作用だと思います。
しかしこれは間違いです。
なぜ違うのか？
重力と垂直抗力は、
どちらも本にはたらく力です。
作用反作用なら、
別々の物体にはたらかなければなりません。
したがって、
重力と垂直抗力は作用反作用ではありません。
本と机の例で考える
本が机を押す
下向き
机が本を押す
上向き
この二つが作用反作用です。
地球と物体の例
物体が地球から重力を受けるとき、
実は地球も物体から重力を受けています。
地球が物体を引く
作用
物体が地球を引く
反作用
これも作用反作用の法則です。
ただし地球の質量が非常に大きいため、
地球はほとんど動きません。
テストでよく出る問題
問題
人が地面を後ろ向きに蹴ると前進できる理由を説明せよ。
解答例
足が地面を後ろ向きに押すと、地面から前向きの反作用を受けるため前進できる。
生徒がよく間違えるポイント
間違い① 重力と垂直抗力を作用反作用だと思う
これは違います。
頻出問題です。
間違い② 力のつり合いと混同する
作用反作用は別々の物体、
力のつり合いは同じ物体です。
間違い③ 動かないから反作用がないと思う
壁を押した場合でも、
必ず反作用は存在します。
作用反作用を見分けるコツ
問題を見たら、
まず
「誰が誰に力を加えているか」
を考えましょう。
そして、
その力を受ける相手を探します。
この二つの力が作用反作用です。
ニュートンの第三法則
作用反作用の法則は、
ニュートンの第三法則です。
高校物理では、
- 第一法則：慣性の法則
- 第二法則：運動方程式
- 第三法則：作用反作用の法則
として学習します。
まとめ
作用反作用の法則とは、
力は必ずペアで発生する
という法則です。
作用反作用の特徴
- 大きさが等しい
- 向きが反対
- 同時に発生する
- 別々の物体にはたらく
身近な例
- 歩く
- 泳ぐ
- ロケット
- 壁を押す
テストで重要
- 力のつり合いとの違い
- 重力と垂直抗力の関係
- 本と机の問題
- 地球と物体の重力
作用反作用の法則は、高校物理の力学を理解するうえで非常に重要な考え方です。
特に、
「作用反作用は別々の物体にはたらく」
というポイントをしっかり覚えておきましょう。
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