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物理の公式を「理解する」ための勉強法力学編!「わからない」を脱却!

この記事は最終更新日から1年以上が経過しています。内容が古くなっているのでご注意ください。

はじめに

大学受験の物理のなかでも最も重要なのは力学です。

「力学は他の単元に通じる物理の基礎だし、大学受験で最も出題される分野だ」
「だからまずは力学を勉強しよう」
学校や予備校の物理の先生からこういった話を聞いたことがある人も多いのではないでしょうか。

この考えは確かに正しくて、熱力学や電磁気では力学がおぼつかないと解けない問題が出題されます。また大学によっては波や電磁気、熱力学が出題されないことはあっても力学の問題が出題されないことはまずありません。

しかし力学は時間を掛ければ掛けた分だけ得意になるわけではありません。
当然です。物理は歴史のように暗記をすれば成績が伸びる科目ではありません。
しっかり時間をかけて勉強しているつもりなのに成績が伸びず、物理が苦手・嫌いになってしまった人

物理が苦手だと感じている人でもわかりやすく物理を勉強する方法があるのです。
「問題を通じて公式を理解する」
この視点を持って臨めば、必ず物理は得意に出来ます!

力学を制するものは物理を制する

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力学は高校物理の中で最も重要な分野だと言われています。
その理由は大きく分けて2つ、「物理の試験ではどこの大学でも必ず出題される」ことと「他の分野を理解するのに必要になってくる」ことです。
これらについて詳しく説明します。

力学はどんな大学でも必ず出題される

2次試験、私大入試では多くの場合範囲外である原子物理を除いて、物理には力学、電磁気、波動、熱力学の4つの分野があります。
一方で物理の入試問題では3つの大問を出題する大学が多いです。
ということは、各分野から満遍なく出題されるということはなく、4分野の内1つは出題されないのです。
多くの大学では力学と電磁気が毎年出題され、年によって波動が出るか熱力学が出るかという形式をとっています。
波動や熱力学をどれだけ勉強して得意にしたとしてもあなたが受験する年にたまたま出題されなかったら水の泡ですが、力学はそういったことはありません。
つまり、力学の勉強は他の分野と比べて無駄になりにくいのです。

力学は他の分野でも使う

また、力学の考え方は電磁気学や熱力学の分野で使うことになります。
例えば電磁気学では、荷電粒子の電界や磁界中での運動を問う問題が出題されます。これは、力学における仕事やエネルギー保存則の考え方が身についていないと全く解けない問題になってしまいます。逆に言うと「重力のようなものがいくつかある斜方投射」と思って解くと力学が得意であれば難しく感じること無く解ける問題でしょう。
熱力学の分野でも、圧力が変化する中で力の釣り合いを考える問題など、力学をしっかりと理解していることが求められる問題がたくさん出題されます。

実は他の分野よりも解きやすい!?

更に私が考える力学が物理の勉強において大切な理由として、「他の分野と比べて覚える(=暗記する)ことが少なくて済む」というのが挙げられます。
後々見ていきますが、力学においては各公式が導き出される理由がシンプル、かつ公式そのものも覚えやすいです。
一方で例えば波動分野の光波の単元は様々な「暗記しておかなければいけないこと」があります。位相が1/2ずれる条件、波長の長さと色など...
こういった覚えておかなければいけず、かつ応用が効かないことというのが力学には極端に少ないです。(実戦的に言えば単振動の式の各項が表す意味などは覚えてしまうことが望まれますが、それくらいです)
力学はそれぞれの問題に対して1対1で知識を付けていく必要が無く、応用の効く公式をいくつか使いこなせればいいものなので、他の分野よりも解きやすく、得点を伸ばしやすいと私は考えています。

物理に必要なことは「公式」に詰まっている!

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ここまで見てきたとおり、「力学を制するものは物理を制する」と言っても過言ではないくらい力学は受験物理において重要な位置を占めているといえます。
では、「物理の成績を伸ばしたい!」と思うあなたにとって重要な事は「何をすれば力学を得意にすることができるか」ということになると思います。
わからないものをわからないまま闇雲に問題集を解いていても、時間が浪費されてしまうばかりです。
実は、「公式」を軸に据えて勉強を進めていくことが、最も効率よく物理を勉強する方法なのです!

「公式そのもの」と「なぜ公式が導かれるか」が互いの記憶を定着させてくれる

(この章では、見やすくするため各文字の定義を省略して表記します。慣例となっているものを使います。)
物理を勉強したことがある人なら
運動エネルギー E=1/2mv^2という式は見たことがあると思います。
見たことがあるどころか、完全に覚えてしまっているという人が多いのではないでしょうか。
この式を導くためには、質量m、速度vで動く物体に力Fを加えて減速させたらどれだけの仕事をして物体が静止するかという事を考えたはずですが、この式を覚えているあなたはそんな事をいちいち考えなくても運動エネルギーを求めることができるのです。
このように公式は使っていくうちに覚えて、当たり前のこととして使えるようになるものです。
問題を解く際に「どの場面でどの公式を使うか」ということに焦点を当てながら進めていくと、実際に問題を解くのに役立つ力がつきます。

一方で、先ほどの運動エネルギーの式にもそうでしたが、公式には必ず導出するための考え方や過程が存在します。それを正確に把握していることは、覚えにくい公式を覚える助けになったり、どの公式を使えばいいのか判断する手助けになったりします。
例えば等速円運動の加速度 a=rω^2=vω=v^2/rという公式は、中心角が微小な時においては扇型の弧の長さと内接する二等辺三角形の底辺の長さを同じと考えることで導けます。
また等速円運動の速度と角速度に関する公式を用いれば3つの方法で表現することが出来ます。
このような事を知っていると、角速度は半径v中心角ωの扇型の弧の長さだと覚えられますし、加速度の形が1つも思い出せないときに式変形で後の2つを導くことが出来ます。
このように、公式の導出を完璧にとは言わずとも把握しておくだけで、公式を使いこなすための大きな手助けになってくれるのです。

問題演習を通じて「公式そのものと、公式がどんなタイミングで使われるか」ということを、教科書・参考書を使って「公式はどのように導かれるのか」を覚えることで、お互いがお互いの記憶を深く定着させてくれます。

公式を理解するための勉強法:教科書→問題集ではなく問題集→教科書

一般に勉強をするときには教科書・参考書を読んでから問題集で問題演習をするというのが普通の流れだと思います。
しかし私は、「大学受験を見据えて力学を勉強するとき」には、まず問題集に付いている各章毎のまとめを読んですぐ問題を解いてから参考書や教科書を読んでいく方がいいと考えています。
もちろん、簡単な解説を読むだけでは公式も覚えられないでしょうし、どう使っていいかわからないと思います。なので、問題集を最初に解くときはわからない問題があったら都度まとめを参照しながら、それでもわからなかったら悩まずに答えを読むつもりでやっていきましょう。
そして公式そのものやどう使うのかということを頭に入れた上で、参考書を読んでみるのです。
「あそこで使った公式は、こういう仕組みで導出されていたのか」という気付きが得られると思います。
志望校に合格するためには問題を解けること、つまり公式が問題の中で正しく使えることが必要です。そういった考えに基づくと、問題集を中心に勉強を進めて、その理解を深めるために参考書を使うほうが良いのです。
(数学では公式の導出が出題されることがあるのでその限りではないですし、他の分野、科目では知識が問われることも多いです。あくまで力学の勉強法と考えてください。)

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単元別要チェック公式とポイント

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力学の中でも難易度が高く、また他の単元(特に電磁気)との融合問題で問われやすい2つの要チェックポイントについて細かく解説します。

仕事と力学的エネルギー

まず、「仕事と力学的エネルギー」について
運動エネルギー E=1/2mv^2
これは先程も見たとおり、ある力Fを使って運動している物体を静止するときに必要な仕事はその物体の速度と質量で決まることを示す法則です。
この考え方をある2つの速度間で適応すると
エネルギー原理 1/2mv^2+W=1/2mv'^2
という式が生まれます。
更に位置エネルギー、つまりどのような経路を通っても、その位置によって持っているエネルギーが決まる力(保存力)の持つエネルギーを2つ考えます。
重力の位置エネルギー U=mgh
弾性力の位置エネルギー U=1/2kx^2
です。
これらの和は仕事をしていない時(摩擦がない時)は一定であるというのがエネルギー保存則です。
1/2mv^2+mgh+=1/2mv'^2+mgh'
これはエネルギー原理の仕事Wが0の場合と捉えることが出来ます。

電磁気で出てくるクーロン力やローレンツ力も保存力なので、電磁気学ではこのエネルギー保存則が大活躍します。

単振動

単振動は力学の中で最後に履修するもので、難易度も高くなります。
単振動を扱う上では、先ほど見たエネルギー保存則も多用します。

「単振動は等速円運動の正射影」という考えから
単振動の変位 x=Asinωt (Aは振幅)
というのはわかりやすいと思います。
しかし、速度や加速度についても円運動の正射影という考えからこれらの公式が導かれます。
単振動の速度 v=Aωcosωt
単振動の加速度 a=-Aω^2sinωt=-ω^2x
しかしこれらを正射影という図形的思考で導くのはなかなか難しいです。
そこで、数学3まで学習している人は単振動の公式に関しては「微分」の考え方を用いましょう。
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。
つまり、位置を時間で微分すると速度、速度を時間で微分すると加速度が求められます。
翻ってx=Asinωtをtで微分してみるとAωcosωt、さらにtで微分すると-Aω^2sinωtと確かに速度、加速度が求められたことがわかります。
単振動については微分を用いると1つの公式から容易に2つの公式が導けることが判っていただけたと思います。

おすすめ参考書・問題集

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最後に、私のおすすめの参考書、問題集を紹介します。
まず参考書兼問題集のような本として『物理のエッセンス』があります。
参考書部分に簡単に目を通して問題を解く、問題を解き終わってから参考書部分を読み返すという進め方をしていると、公式が自分に定着していく感覚がわかると思います。
物理が苦手な人、あるいは初めて学習する人は『リードα 物理』や『物理 基礎問題精講』といった問題集を使うことをおすすめします。
私も高校2年生から3年生の7月まで、本格的な受験勉強を始める前の段階で時間を見つけて『リードα』を解いていました。入試問題と比べると、やはり難易度的には簡単な問題なのですが、必要な公式などは漏れ無く設計されているので基礎作りには最適です。
その一個上のレベルの問題集として『物理重要問題集』もおすすめです。
これは実際の入試問題から良問を集めた問題集になります。難易度的には簡単なもの(A問題)から旧帝大など難関大の入試にも通用するレベルのもの(B問題)まで揃っています。この問題集をやることで、『リードα』や『基礎問題精講』にはないより実戦的な公式の使い方を身に付けることが出来ます。
更にレベルの高い、難関大学を受験する人には『難問題の系統とその解き方』がオススメです。
難しい問題には難しい問題なりの公式の使い方が求められるということがこの問題集を解くとよくわかると思います。
相当にレベルが高い問題集なので、難関大学を受験したい人で「物理で差を付けたい」と思っている人向けの問題集になります。

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参考書名
物理のエッセンス 力学・波動 (河合塾シリーズ)
著者
浜島 清利
ページ
165ページ
出版社
河合出版
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うまくいくテクニックがよく載っているので、センター試験かそれを少し発展させたようなものに対してはよく効く。しかし、それ以上の問題を解くときにはしっかりとした理解が必要で、それをこの本で賄えるとは思えない。

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物理が苦手な人は、もう少し基礎のもの、優しめのものに目を通してから、エッセンスに移ることをお勧めします! 私は割と問題演習として使ってます チャート式の物理を見て、エッセンスに大事なところを書き込んで、付箋を貼ったりして使ってます。 基礎ができる人にはおススメです

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少なくともうちのクソ教師の授業よりは断然わかりやすいです。問題をやるだけじゃなくてそれに関連する文章もじっくり読むとそのあとの問題もびっくりするほどスラスラ解けます。物理は本来こんなに楽しい教科なんだと思わされると同時に自分が学校で受けている授業はなんて質が低いのだろうとがっかりします。

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参考書名
リードα物理基礎・物理
著者
数研出版株式会社
ページ
295ページ
出版社
数研出版
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同じのもの持っている、でも赤色、( ̄▽ ̄)

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参考書名
物理(物理基礎・物理)基礎問題精講 三訂版
著者
大川 保博, 宇都 史訓
ページ
272ページ
出版社
旺文社
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各分野の代表的な問題がのっていて学校の授業、塾の復習に使ってます! これだけで基本は抑えられる

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これで明治受かりますた

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物理の諸法則を毎回忘れるので辞書代わりに使ってる とてもよい

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参考書名
物理重要問題集ー物理基礎・物理 2017
著者
価格
940円
ページ
143ページ
出版社
数研出版
Btn amazon
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赤本までの橋渡し!

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よいところは問題自体の質だね。知っておくべきパターンは網羅されているよ。だからこれを完璧やっておけば、解法を組み合わせることでどんな受験問題でもスラスラとけるよ。 やったね! 悪いところはまず問題の並べ方だね。殆ど全ての問題がページをまたいでいてやりにくいことこの上ない。これとこれとこれの順序をいれかえたら見やすくなるのになあ。なんでそんなことも考えられないんだよ無能編集者! のうなしあんよだね。 解答解説も行き当たりばったりで一貫性がないよ。さすがの無能編集者もその辺は理解してるみたいで、後ろに略解をつけてるよ。「立場上解答解説つけたけど、絶対わかりにくいから略解を見てね」というメッセージだね。その証拠に重問化学は略解がないのだ。 と、いうことで解答解説は捨てるのが啓明でしょう。 以上の点に気をつけて解けばとても良い問題集だよ。 やったね!

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参考書名
難問題の系統とその解き方物理
著者
服部 嗣雄
ページ
530ページ
出版社
ニュートンプレス
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まず、演習書として強力なことは確か。これを100問ほど解いたところで迎えた夏の東大オープンで、物理が48点・偏差値79・全国11位という結果になったのはおそらくこの難系のおかげだろう。 しかし、その後2/3程度終わった段階で辞めてしまった。理由は誤植である。 誤植が非常に多いのでやってられん笑 見つけた誤植のうちいくつかをメモしておいて(メモできたのはたったの6件だったが)、問い合わせてみた。下に貼ったのはそのメールの返信であり、ニュートンプレスは全て間違いだと認めた。 しかし、メモしておくのを忘れてしまったものや私が気づかなかったもの、そして私がまだ解いてない100問ほどについてなど、誤植はもっとたくさんあるだろう。 そして中にはただの"誤植"でありさして問題なく解き進められるものもあるが、物理として深刻な間違いをしているものがいくつかあり非常に憤りを感じた。(下のメールの5件目,6件目である) さらに問い合わせに対して(最初は電話をしたのだが)非常に対応が悪いし、指摘前には、長年売ってきたので誤植はないなどとぬかす。ニュートンプレス社は不祥事も多いことも考えると、今のままではこの会社に未来はないだろう。 とにかく、問い合わせに対してニュートンプレス社の返信を以下に貼っておく。(名前は変えてある) ○○ ○○様 ニュートンプレス制作管理室 △△です。 「難問題の系統とその解き方 物理」について、誤植等のご指摘 ありがとうございました。 1件目~4件目について、先行して返答させて戴きたいと存じます。 1件目 50ページ 第1章 力学 演習問題6 下から2行目 「μ=05」とありますが「μ=0.5」ではないのでしょうか。すなわち 小数点が抜けているのではないのでしょうか。 実際に、μ=0.5として計算すると解答に合うと思います。 →ご指摘ありがとうございます。明らかに 小数点 の脱字と考えます。   (語)μ=05 → (正)μ=0.5 2件目 495ページ 第2章 波動 演習問題15の解答 最後の行 「tanβ≒λ/a(1.5-1)-2λ/a」とありますが、これは 「tanβ≒λ/a(1.5-1)=2λ/a」ではないのか。 すなわちイコールとマイナスを間違えたのではないのか。 実際にこれをイコールに直せば、全てのことが説明がつくし、(以下略) →ご指摘の通り、=が-となってしまった誤植と考えます。  (誤)tanβ≒λ/a(1.5-1)-2λ/a  (正)tanβ≒λ/a(1.5-1)=2λ/a 3件目 446ページ 第5章 原子 例題113 「考え方の基本」の上から4行目 「…があるが、多教の核反応を同時に…」とありますが、「多教」という 言葉の意味が私には分からなかったし今でも分かりません。(中略) しかし、これは「多数」と直すと説明がつくように思います。 これも誤植ではないでしょうか。 →ご指摘ありがとうございます。明らかに漢字の誤植と言えます。   (語)多教  → (正)多数 4件目 527ページ 第5章 原子 演習問題17の解答 10行目 「hμ≒E-…」とありますが、μって何だ!? ここに来て初めてμが出て 来ましたが、一体これは何なのでしょう。 νとμを間違えたのではないのでは? →2行前で hv≒(正or負) まで示し、hv が正なことを確認した上での  次の式ですので、左辺は同じく hv であるべきで、つまりvがμになった  誤植と考えます。  (誤)hμ≒ → (正)hv≒ 以上、すべてご指摘の通りと考えます。お詫びし訂正させて戴きます。 5件目、6件目については、雑誌編集部の物理系の者に照会・相談のうえ お返事したいと思いますので、少々お時間をいただきたく存じます。 以上、よろしくお願いいたします。 ○○ ○○様 ニュートンプレス制作管理室 △△です。 「難問題の系統とその解き方 物理」について、誤植等のご指摘ありがとうございました。 お待たせしてしまいましたが、5件目~6件目について、返答させて戴きます。 5件目 152ページ 第2章 波動 演習問題6 下から3行目 「x=0での波の変位の連続性の条件より、A-B=Cが成り立つ。ここで, A,B,Cは正である。」 175ページ 第2章 波動 例題45 「解説」6行目 「弦の連続性より, 時刻tの値にかかわらず, x=0でy0+y1=y2が成立する。… ∴A0+A1=A2」 この2つの記述は明らかに矛盾しているように思います。 一体これは!?もしかしてこれはどちらの状態もあり得るというのでしょうか? (中略)175ページの記述が単に間違っているのではないかと。 →ご指摘の通り,175ページ第2章 波動 例題45「解説」6行目の記述, 「y0+y1=y2」が間違っており,正しくは「y0-y1=y2」となります。 そのため, 7行目の「A0sin(2πvt)+A1sin(2πvt)=A2sin(2πvt)」は, 「A0sin(2πvt)-A1sin(2πvt)=A2sin(2πvt)」 同じく7行目の「A0+A1=A2」は,「A0-A1=A2」 9行目の「d(yo+y1)/dx」は,「d(yo-y1)/dx」 10行目の「(A0/v1)cos(2πvt) - (A1/v1)cos(2πvt)」は, 「(A0/v1)cos(2πvt) + (A1/v1)cos(2πvt)」 同じく10行目の「(A0-A1)/v2=A2/v2」は,「(A0+A1)/v2=A2/v2」 11行目の「A1=(v2-v1)A0/(v1+v2) 」は,「A1=(v1-v2)A0/(v1+v2)」 12から19行目は,v1とv2が逆になったことにより,(i)と(ii)の条件, もしくは答えをそのまま入れ替える形となります。 6件目 146ページ 第2章 波動 演習問題1 11,12行目 「変位の等しい点を連ねると…」 この変位というのは、6行目に「変位をuとすると」とあるように、変位と いうのはuのことですよね。つまりyのことですよね。すると変位が同じ点を 連ねてできる平面はどう考えてもy軸に垂直になると思うのですが、 (イ)の答えはx軸です。実際にこの平面波の示す"平面"はx軸に垂直だ思いますが、 変位の等しい点を連ねてもx軸に垂直な直線はできますが、平面はできないと 思います。上手く説明できませんが。 →ご指摘の通り,正しくは「y軸」が答えになります。  p.491 1.の(イ) (誤)(1)  (正)(2) 多数のご指摘をありがとうございました。 また、最後にお書きいただいたご意見、確かにそう思うところがありますので、 よりあるべき形になるよう、改善をはかっていきたいと存じます。 今後ともよろしくお願い申し上げます。

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生半可な気持ちで取り掛かると、必ず痛い目を見ます。気をつけてください。これをやるよりは名門をやり込んで、過去問演習に行ったほうがいい気がします。

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最後に

物理の中でも力学は特に大切なこと、そして力学の勉強は「公式」に注目して行うと良いこと。
更に参考書ではなく問題集から勉強を始めることなどを紹介しました。
これらのことを意識して取り組めば、きっと物理を得点源にすることができます。
力学を攻略して、志望校合格に一気に近づきましょう!

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この記事を書いた人
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Studyplus編集部です。あなたの勉強を後押しできるようなメディアにしていきたいという想いで運営しています。「役に立つ」と思ったら是非シェアをお願いいたします。

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