問1
4つのグラフを1つ1つ検討してみる。
①のグラフは、速さ $v$ は 力の大きさ $F$ に比例しているので、仮説の前半と一致している。
しかし、質量 $m$ が大きい方が速さ $v$ も大きいので、速さ $v$ は物体の質量 $m$ に反比例しているという主張と相入れない。
②のグラフは、$v$ は $F$ に比例しているという主張に反している。
③のグラフは、速さ $v$ は物体の質量 $m$ に反比例しているという主張に反している。
④は速さ $v$ は質量$m$ に反比例しているという主張に一致しており、かつ、同じ質量 $m$ のところで比べると、$F$ が大きいほど $v$ が大きいので、速さ $v$ は力の大きさ $F$ に比例しているという主張にも合致している。
したがって、答えは ④となる。
問2
ばねばかりのメモリは台車に働く力の大きさを示している。
従って、台車を一定の大きさの力で引くためには、ばねばかりの目盛が常に一定になるようにする必要がある。
従って、答えは ①である。
さらに、実験1においては質量が同じ条件で力の大きさを変えるという実験を行うので、力学台車とおもりの質量の和を同じ値にする必要がある。
従って、答えは ②となる。
問3
すべての選択肢について考察してみよう。
①は質量が大きいほど速さが大きくなっているとあるが、全く逆で質量が大きいほど速さは小さくなっている。
②は質量が2倍になると、速さは $\frac{1}{4}$ になっているということは、グラフからは認められない。
③は質量による運動への影響は見出せないということはない。質量が重いと速度は小さくなる傾向が認められる。
④ある質量の物体に一定の力を加えても、速さは一定にならない。これは、まさにそのようになっている。時間と共に速さが一次関数的に増加している。これは、仮説と反する。
従って、答えは④となる。
問4
力積は力 $\times$ 時間である。従って、運動量は時間とともに正比例して増加するはずである。
さらに、物体が受ける運動量は、物体の質量に依らない。
従って、その傾きはア、イ、ウと全て等しいはずである。
したがって、答えは④となる。
問5
水平方向に$V$で運動している台車から、「水平面に対して垂直上向き」に $v_1$ で小球を発射したとき、発射された小球は水平方向に $m_1 V$ の運動量を持っている。
従って、水平方向の運動量の保存則は
$$(M_1 + m_1) V = M_1 V_1 + m_1 V_1$$
であり、$V = V_1$ が結論づけられる。
従って、答えは①である。
問6
おもりが台車と一体となった前後で、水平成分の運動量は変化しない。
従って、答えは③となる。
これは、反発係数 $e =0$ の衝突と考えられるので、エネルギーは保存しない。
②は鉛直方向の運動量と水平方向の運動量を足しており、意味がない式である。
