教科書 〉 物理基礎
物理基礎
物体の運動とエネルギー
最終更新日：2026年7月19日
物理の出発点は、物体の動きを言葉ではなく量で表すことにあります。この単元では、速度と加速度で運動を記述する方法から始め、力がはたらくと運動がどう変わるか（運動方程式）、そして仕事とエネルギーという別の切り口へと進みます。運動方程式とエネルギー保存という二つの道具を場面に応じて選べるかどうかが、この先の力学（→ 科目「物理」の単元「様々な運動」）の理解を大きく左右します。
この単元のポイント
- 等加速度直線運動の3公式：v = v₀ + at、x = v₀t + ½at²、v² − v₀² = 2ax。
- 運動方程式 ma = F（質量×加速度＝はたらく力）が成り立ちます。力の単位はニュートン（N）です。
- 仕事 W = Fscosθ（s＝力の向きに動いた距離）、運動エネルギー ½mv²、位置エネルギー mgh。摩擦がなければ力学的エネルギーは保存されます。
共通テストのポイント
自由落下・鉛直投げ上げは等加速度運動の代表的な応用です。速さだけを問われる問題では、運動方程式よりエネルギー保存を使うほうが一気に解けることが多いので、両方の道具を使い分けましょう。
速度・加速度と等加速度運動
速度は「単位時間あたりの位置の変化」、加速度は「単位時間あたりの速度の変化」です。加速度が一定の運動を等加速度直線運動といい、3つの公式で表されます。これらは独立した別々の式ではなく、v = v₀ + at と x = v₀t + ½at² から時間 t を消すと v² − v₀² = 2ax が得られる、という関係にあります。問題で「時間が与えられている／問われている」なら前2つ、「時間が関係せず距離と速さだけ」なら3つ目、と使う式を選ぶのがコツです。真下向きに一定の重力加速度 g がはたらく自由落下や投げ上げは、この等加速度運動をそのまま当てはめれば解けます。
力のつり合いと運動方程式
物体にはたらく力の合計（合力）が0のとき、物体は静止し続けるか等速直線運動を続けます（力のつり合い）。合力が0でないときは、その向きに ma = F に従って加速します。問題を解くときは、まず物体にはたらく力をすべて矢印で描く「力の図示」から始めるのが鉄則です。
いろいろな力と摩擦
- 重力 mg、面が押し返す垂直抗力 N、糸が引く張力 T、面がすべりを妨げる摩擦力 fなどがあります。
- すべり出す直前の最大摩擦力は f = μN です（μは静止摩擦係数、N は垂直抗力）。すべっている間の動摩擦力は f′ = μ′N（μ′は動摩擦係数）で、ふつう μ′ は μ より小さくなります。
作用・反作用とのちがい
「大きさが等しく逆向きの力」というと作用・反作用の法則を思い出しますが、これは別々の2物体の間にはたらく力の関係です。一方、力のつり合いは同じ1つの物体にはたらく複数の力の関係です。どちらの物体に注目しているかを意識すると混同を防げます。
仕事とエネルギー保存
力が物体を動かしたとき、力×移動距離（正確には移動方向成分）を仕事といい、仕事をした分だけ物体のエネルギーが変化します。運動エネルギー ½mv² と位置エネルギー mgh の和を力学的エネルギーと呼び、摩擦や空気抵抗がなければこの和は一定に保たれます（力学的エネルギー保存則）。ジェットコースターの高い所で遅く、低い所で速いのは、位置エネルギーと運動エネルギーが入れ替わっているからです。摩擦がある場合は、その分だけ力学的エネルギーが熱として失われ、「失われた力学的エネルギー＝摩擦がした仕事」という関係でつじつまが合います。
参考・出典
この記事は、運営者が構成を設計したうえで生成AIを併用して執筆し、公開前に運営者が内容を確認しています。 学習の参考としてご利用いただき、重要な判断の際は教科書や公式資料もあわせてご確認ください。 誤りにお気づきの場合はフッターの投書箱よりご連絡ください。