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Subjects · ⁨科目⁩

AP Physics 1 · ⁨AP物理学 1⁩

Tips · ⁨ヒント⁩

AP Physics 1は代数学ベースの力学である:運動学、力、仕事・エネルギー・出力、運動量、トルクと回転、振動および流体。微積分は不要であり、その分、概念的に難易度が高い(易しくない)。数値を代入して計算するのではなく、状況について論理的に考察する。

自由記述式問題は点数が分離される。 理由を述べよ、2つの状況を比較せよ、結果を言葉で説明せよと求める。正しい数値のみで推理がない場合、得点は極めて低い。

まず原理の名前を述べる。 「運動量が保存され、かつ水平方向の外力が働かないため……」という文が採点基準で求められている。すべての問題に対して自由体図を描く — 必要ないように思えても描くべきだ。これはこのコースにおける最も価値の高い習慣である。

以下のノートはCEDに沿って単位ごとに解説し、運動学から単振動まで、各項目に worked example を含んでいる。公開された自由記述式問題とその採点基準はライブラリにあり、実験設計問題は独自に練習すべきである。毎年出題され、数式よりも明確な手順を評価する。

  • 1

    Kinematics · ⁨運動学⁩

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    1.1

    Scalars and Vectors in One Dimension

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 1.1.A: Describe a scalar or vector quantity using magnitude and direction, as appropriate.

    • 1.1.A.1 Scalars are quantities described by magnitude only; vectors are quantities described by both magnitude and direction.
    • 1.1.A.2 Vectors can be visually modeled as arrows with appropriate direction and lengths proportional to their magnitude.
    • 1.1.A.3 Distance and speed are examples of scalar quantities, while position, displacement, velocity, and acceleration are examples of vector quantities.
      • 1.1.A.3.i Vectors are notated with an arrow above the symbol for that quantity.
        • Equation: $\vec{v} = \vec{v}_0 + \vec{a}t$
      • 1.1.A.3.ii Vector notation is not required for vector components along an axis. In one dimension, the sign of the component completely describes the direction of that component.
        • Derived equation: $v_x = v_{x0} + a_x t$

    Learning Objective 1.1.B: Describe a vector sum in one dimension.

    • 1.1.B.1 When determining a vector sum in a given one-dimensional coordinate system, opposite directions are denoted by opposite signs.
    日本語

    学習目標 1.1.A: 適切な場合、大きさおよび方向を用いてスカラーまたはベクトルの物理量を説明する。

    • 1.1.A.1 スカラーは大きさのみで記述される物理量であり、ベクトルは大きさと方向の両方で記述される物理量である。
    • 1.1.A.2 ベクトルは、適切な方向を持ち、長さが大きさに比例した矢印として視覚的にモデル化できる。
    • 1.1.A.3 距離と速さはスカラーの例であり、位置、変位、速度、加速度はベクトルの例である。
      • 1.1.A.3.i ベクトルは、その物理量の記号の上に矢印を付して表記される。
        • 数式: $\vec{v} = \vec{v}_0 + \vec{a}t$
      • 1.1.A.3.ii 軸に沿ったベクトル成分については、ベクトル表記は必要ない。一次元では、成分の符号が完全にその成分の方向を表す。
        • 導出された数式: $v_x = v_{x0} + a_x t$

    学習目標 1.1.B: 一次元におけるベクトルの和を説明する。

    • 1.1.B.1 与えられた一次元の座標系でベクトルの和を求める際、反対方向は反対の符号で表す。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Kinematics 运动学 describes how objects move, without asking why. First, two kinds of quantity:

    • A scalar 标量 has only size (magnitude 大小): distance 距离, speed, time, mass.
    • A vector 矢量 has magnitude and direction: displacement, velocity, acceleration, force.

    The difference matters. Distance is the total path length travelled – a scalar that only grows. Displacement is the straight-line change in position, with a direction. Walk $3\ \text{m}$ east then $1\ \text{m}$ back west: the distance is $4\ \text{m}$, but the displacement is only $2\ \text{m}$ east.

    In one dimension, direction is just a sign (+ or −) along a chosen axis. Choosing the positive direction first is essential – every vector's sign depends on it. A velocity of $-5\ \text{m/s}$ does not mean "slow"; it means $5\ \text{m/s}$ in the negative direction.

    日本語
    A car speedometer: speed is the magnitude of velocity — a scalar rate of motion
    A car speedometer: speed is the magnitude of velocity — a scalar rate of motion

    Kinematics 运动学 describes how objects move, without asking why. First, two kinds of quantity:

    • A scalar 标量 has only size (magnitude 大小): distance 距离, speed, time, mass.
    • A vector 矢量 has magnitude and direction: displacement, velocity, acceleration, force.

    The difference matters. Distance is the total path length travelled – a scalar that only grows. Displacement is the straight-line change in position, with a direction. Walk $3\ \text{m}$ east then $1\ \text{m}$ back west: the distance is $4\ \text{m}$, but the displacement is only $2\ \text{m}$ east.

    In one dimension, direction is just a sign (+ or −) along a chosen axis. Choosing the positive direction first is essential – every vector's sign depends on it. A velocity of $-5\ \text{m/s}$ does not mean "slow"; it means $5\ \text{m/s}$ in the negative direction.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Kinematics/ˌkɪnɪˈmætɪks/ 運動学
    scalar/ˈskeɪlə/ スカラー
    magnitude/ˈmæɡnɪtjuːd/ 大きさ
    vector/ˈvektə/ ベクトル
    distance/ˈdɪstəns/ 距離
    1.2

    Displacement, Velocity, and Acceleration

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 1.2.A: Describe a change in an object's position.

    • 1.2.A.1 When using the object model, the size, shape, and internal configuration are ignored. The object may be treated as a single point with extensive properties such as mass and charge.
    • 1.2.A.2 Displacement is the change in an object's position.
      • Equation: $\Delta x = x - x_0$

    Learning Objective 1.2.B: Describe the average velocity and acceleration of an object.

    • 1.2.B.1 Averages of velocity and acceleration are calculated considering the initial and final states of an object over an interval of time.
    • 1.2.B.2 Average velocity is the displacement of an object divided by the interval of time in which that displacement occurs.
      • Equation: $\vec{v}_{avg} = \dfrac{\Delta \vec{x}}{\Delta t}$
    • 1.2.B.3 Average acceleration is the change in velocity divided by the interval of time in which that change in velocity occurs.
      • Equation: $\vec{a}_{avg} = \dfrac{\Delta \vec{v}}{\Delta t}$

    Learning Objective 1.2.B: Describe the velocity and acceleration of an object.

    • 1.2.B.4 An object is accelerating if the magnitude and/or direction of the object's velocity are changing.
    • 1.2.B.5 Calculating average velocity or average acceleration over a very small time interval yields a value that is very close to the instantaneous velocity or instantaneous acceleration.
    日本語

    学習目標 1.2.A: 物体の位置の変化を説明する。

    • 1.2.A.1 物体モデルを使用する場合、大きさ、形状、内部構成は無視される。物体は質量や電荷などの広延的な性質を持つ一点として扱うことができる。
    • 1.2.A.2 変位とは、物体の位置の変化のことである。
      • 式: $\Delta x = x - x_0$

    学習目標 1.2.B: 物体の平均速度および平均加速度を説明する。

    • 1.2.B.1 速度および加速度の平均値は、ある時間区間における物体の初期状態と最終状態を考慮して計算される。
    • 1.2.B.2 平均速度とは、物体の変位を、その変位が生じる時間区間で割ったものである。
      • 式: $\vec{v}_{avg} = \dfrac{\Delta \vec{x}}{\Delta t}$
    • 1.2.B.3 平均加速度とは、速度の変化量を、その速度変化が生じる時間区間で割ったものである。
      • 式: $\vec{a}_{avg} = \dfrac{\Delta \vec{v}}{\Delta t}$

    学習目標 1.2.B: 物体の速度および加速度を説明する。

    • 1.2.B.4 物体の速度の大きさおよび/または方向が変化している場合、その物体は加速している。
    • 1.2.B.5 非常に短い時間区間における平均速度または平均加速度を計算すると、瞬間速度または瞬間加速度に非常に近い値が得られる。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English
    Projectile motion is two independent motions

    Three linked vectors describe motion along a line:

    • Displacement 位移 $\Delta x$ is the change in position – a vector from start to end (not the total path length, which is distance).
    • Velocity 速度 is the rate of change of position, $v=\dfrac{\Delta x}{\Delta t}$. Its sign gives direction; its magnitude is speed 速率.
    • Acceleration 加速度 is the rate of change of velocity, $a=\dfrac{\Delta v}{\Delta t}$.

    Be careful to separate average velocity 平均速度 (total displacement over total time) from instantaneous velocity 瞬时速度 (the velocity at one instant, the slope of the position–time graph at that point). They are equal only when the velocity is constant.

    An object speeds up when $v$ and $a$ have the same sign, and slows down (deceleration 减速) when they have opposite signs. Note that a negative acceleration does not always mean slowing down – a ball falling faster and faster has negative velocity and negative acceleration.

    For constant acceleration, the four kinematic equations (often called SUVAT) apply:

    $$v=v_0+at,\qquad \Delta x=v_0 t+\tfrac{1}{2}at^2,\qquad v^2=v_0^2+2a\,\Delta x,\qquad \Delta x=\tfrac{1}{2}(v_0+v)\,t.$$
    Pick the equation that contains the three quantities you know plus the one you want, so only one unknown is left. They apply only while $a$ is constant.

    Worked example. A car starts from rest and accelerates uniformly at $2.0\ \text{m/s}^2$ for $6.0\ \text{s}$. Find its final velocity and the distance it travels.

    List what you know: $v_0=0$, $a=2.0\ \text{m/s}^2$, $t=6.0\ \text{s}$.

    $$v=v_0+at=0+2.0\times 6.0=12\ \text{m/s},$$
    $$\Delta x=v_0 t+\tfrac12 at^2=0+\tfrac12\times 2.0\times 6.0^2=36\ \text{m}.$$

    Worked example (free fall). A ball is thrown straight up at $15\ \text{m/s}$. Taking $g=9.8\ \text{m/s}^2$ and up as positive, how high does it rise, and how long is it in the air before returning to the thrower's hand?

    At the highest point the velocity is momentarily zero, and $a=-g=-9.8\ \text{m/s}^2$ throughout (this is free fall 自由落体, ignoring air resistance 空气阻力):

    $$v^2=v_0^2+2a\,\Delta x \;\Rightarrow\; 0=15^2+2(-9.8)\Delta x \;\Rightarrow\; \Delta x=\frac{225}{19.6}=11.5\ \text{m}.$$
    Time to the top: $0=15-9.8\,t \Rightarrow t=1.53\ \text{s}$. By symmetry the fall takes the same time, so the total is $3.1\ \text{s}$.

    日本語
    A high-speed train: kinematics describes displacement, velocity and acceleration over time
    A high-speed train: kinematics describes displacement, velocity and acceleration over time
    Projectile motion is two independent motions

    Three linked vectors describe motion along a line:

    • Displacement 位移 $\Delta x$ is the change in position – a vector from start to end (not the total path length, which is distance).
    • Velocity 速度 is the rate of change of position, $v=\dfrac{\Delta x}{\Delta t}$. Its sign gives direction; its magnitude is speed 速率.
    • Acceleration 加速度 is the rate of change of velocity, $a=\dfrac{\Delta v}{\Delta t}$.

    Be careful to separate average velocity 平均速度 (total displacement over total time) from instantaneous velocity 瞬时速度 (the velocity at one instant, the slope of the position–time graph at that point). They are equal only when the velocity is constant.

    An object speeds up when $v$ and $a$ have the same sign, and slows down (deceleration 减速) when they have opposite signs. Note that a negative acceleration does not always mean slowing down – a ball falling faster and faster has negative velocity and negative acceleration.

    For constant acceleration, the four kinematic equations (often called SUVAT) apply:

    $$v=v_0+at,\qquad \Delta x=v_0 t+\tfrac{1}{2}at^2,\qquad v^2=v_0^2+2a\,\Delta x,\qquad \Delta x=\tfrac{1}{2}(v_0+v)\,t.$$
    Pick the equation that contains the three quantities you know plus the one you want, so only one unknown is left. They apply only while $a$ is constant.

    Worked example. A car starts from rest and accelerates uniformly at $2.0\ \text{m/s}^2$ for $6.0\ \text{s}$. Find its final velocity and the distance it travels.

    List what you know: $v_0=0$, $a=2.0\ \text{m/s}^2$, $t=6.0\ \text{s}$.

    $$v=v_0+at=0+2.0\times 6.0=12\ \text{m/s},$$
    $$\Delta x=v_0 t+\tfrac12 at^2=0+\tfrac12\times 2.0\times 6.0^2=36\ \text{m}.$$

    Worked example (free fall). A ball is thrown straight up at $15\ \text{m/s}$. Taking $g=9.8\ \text{m/s}^2$ and up as positive, how high does it rise, and how long is it in the air before returning to the thrower's hand?

    At the highest point the velocity is momentarily zero, and $a=-g=-9.8\ \text{m/s}^2$ throughout (this is free fall 自由落体, ignoring air resistance 空气阻力):

    $$v^2=v_0^2+2a\,\Delta x \;\Rightarrow\; 0=15^2+2(-9.8)\Delta x \;\Rightarrow\; \Delta x=\frac{225}{19.6}=11.5\ \text{m}.$$
    Time to the top: $0=15-9.8\,t \Rightarrow t=1.53\ \text{s}$. By symmetry the fall takes the same time, so the total is $3.1\ \text{s}$.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Displacement/dɪˈspleɪsmənt/ 置換反応
    Velocity/vəˈlɒsɪti/ 速度
    speed/spiːd/ 速さ
    Acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ 加速度
    average velocity/ˈævrɪdʒ vəˈlɒsɪti/ 平均速度
    instantaneous velocity/ˌɪnstənˈteɪnɪəs vəˈlɒsɪti/ 瞬間速度
    deceleration/dɪˌseləˈreɪʃn/ 減速
    free fall/friː fɔːl/ 自由落下
    air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ 空気抵抗によるもの
    1.3

    Representing Motion

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 1.3.A: Describe the position, velocity, and acceleration of an object using representations of that object's motion.

    • 1.3.A.1 Motion can be represented by motion diagrams, figures, graphs, equations, and narrative descriptions.
    • 1.3.A.2 For constant acceleration, three kinematic equations can be used to describe instantaneous linear motion in one dimension:
      • Equation: $v_x = v_{x0} + a_x t$
      • Equation: $x = x_0 + v_{x0}t + \dfrac{1}{2}a_x t^2$
      • Equation: $v_x^2 = v_{x0}^2 + 2a_x(x - x_0)$
      • Note: The equations above are written to indicate motion in the x-direction, but these equations can be used in any single dimension as appropriate.
    • 1.3.A.3 Near the surface of Earth, the vertical acceleration caused by the force of gravity is downward, constant, and has a measured value approximately equal to $a_g = g \approx 10 \ m/s^2$.
    • 1.3.A.4 Graphs of position, velocity, and acceleration as functions of time can be used to find the relationships between those quantities.
      • 1.3.A.4.i An object's instantaneous velocity is the rate of change of the object's position, which is equal to the slope of a line tangent to a point on a graph of the object's position as a function of time.
      • 1.3.A.4.ii An object's instantaneous acceleration is the rate of change of the object's velocity, which is equal to the slope of a line tangent to a point on a graph of the object's velocity as a function of time.
      • 1.3.A.4.iii The displacement of an object during a time interval is equal to the area under the curve of a graph of the object's velocity as a function of time (i.e., the area bounded by the function and the horizontal axis for the appropriate interval).
      • 1.3.A.4.iv The change in velocity of an object during a time interval is equal to the area under the curve of a graph of the acceleration of the object as a function of time.

    Boundary statement: AP Physics 1 does not expect students to quantitatively analyze nonuniform acceleration. However, students will be expected to be able to qualitatively analyze, sketch appropriate graphs of, and discuss situations in which acceleration is nonuniform.

    Boundary statement: For all situations in which a numerical quantity is required for $g$, the value $g \approx 10 \ m/s^2$ will be used. However, students will not be penalized for correctly using the more precise commonly accepted values of $g = 9.81 \ \text{m/s}^2$ or $g = 9.8 \ \text{m/s}^2$.

    日本語

    学習目標 1.3.A: 物体の運動の表現を用いて、物体の位置、速度、加速度を説明する。

    • 1.3.A.1 運動は、運動図、図、グラフ、数式、および物語による記述で表現できる。
    • 1.3.A.2 一定加速度の場合、一次元の瞬間的な直線運動を記述するために3つの運動方程式可以使用する:
      • 式: $v_x = v_{x0} + a_x t$
      • 式: $x = x_0 + v_{x0}t + \dfrac{1}{2}a_x t^2$
      • 式: $v_x^2 = v_{x0}^2 + 2a_x(x - x_0)$
      • 注: 上記の数式はx方向の運動を示すために書かれているが、適切であればこれらの数式は任意の一次元で使用できる。
    • 1.3.A.3 地球表面付近において、重力によって生じる垂直な加速度は下向きであり一定であり、その測定値は約 $a_g = g \approx 10 \ m/s^2$ に等しい。
    • 1.3.A.4 位置、速度、加速度を時間の関数として表したグラフを用いて、それらの物理量の間の関係を見つけることができる。
      • 1.3.A.4.i 物体の瞬間速度とは、物体の位置の変化率であり、これは時刻を関数とする物体の位置のグラフ上の点に接する直線の傾きに等しい。
      • 1.3.A.4.ii 物体の瞬間加速度とは、物体の速度の変化率であり、これは時刻を関数とする物体の速度のグラフ上の点に接する直線の傾きに等しい。
      • 1.3.A.4.iii 時間区間における物体の変位は、時刻を関数とする物体の速度のグラフの曲线下の面積に等しい(すなわち、適正な区間における関数と水平軸で囲まれた面積)。
      • 1.3.A.4.iv 時間区間における物体の速度の変化量は、時刻を関数とする物体の加速度のグラフの曲线下の面積に等しい。

    範囲外事項: AP Physics 1では、非一様加速度の定量的な解析は学生に求められない。しかし、学生には非一様加速度が生じる状況を定性的に分析し、適切なグラフを描き、議論することが求められる。

    範囲外事項: $g$ の数値が必要となるすべての状況において、値 $g \approx 10 \ m/s^2$ が使用される。ただし、より精密で一般的に受け入れられている値 $g = 9.81 \ \text{m/s}^2$ または $g = 9.8 \ \text{m/s}^2$ を正しく使用した場合について減点されることがない。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    The same motion appears as a description, a graph, a table, or an equation, and you should move between them:

    Reading a distance-time graph: flat means at rest, a straight slope means constant speed
    Reading a distance-time graph: flat means at rest, a straight slope means constant speed
    • On a position–time graph, the slope is velocity (steeper = faster; a curve = changing velocity).
    • On a velocity–time graph, the slope is acceleration, and the area under the line is displacement.

    Reading slopes and areas off graphs is a core exam skill. To get displacement from a velocity–time graph, split the area into triangles and rectangles and add them up; area below the time axis counts as negative displacement (motion the other way).

    On a velocity-time graph the slope is the acceleration and the shaded area is the displacement
    On a velocity-time graph the slope is the acceleration and the shaded area is the displacement

    Worked example. A cyclist speeds up uniformly from rest to $8.0\ \text{m/s}$ in $4.0\ \text{s}$, then holds $8.0\ \text{m/s}$ for $6.0\ \text{s}$. Find the total distance from the velocity–time graph.

    The area is a triangle followed by a rectangle:

    $$\Delta x=\underbrace{\tfrac12\times 4.0\times 8.0}_{\text{triangle}}+\underbrace{6.0\times 8.0}_{\text{rectangle}}=16+48=64\ \text{m}.$$

    Explore · ⁨探索⁩

    Explore the velocity–time graph · ⁨速度-時間グラフを探索する⁩

    Change the start velocity $u$ and the acceleration $a$. The gradient (slope) of the line is the acceleration; the area between the line and the time axis is the displacement. · ⁨初期速度 $u$ と加速度 $a$ を変更せよ。直線の傾き(勾配)は加速度であり、直線と時間軸の間の面積は変位である。⁩

    1.4

    Reference Frames and Relative Motion

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 1.4.A: Describe the reference frame of a given observer.

    • 1.4.A.1 The choice of reference frame will determine the direction and magnitude of quantities measured by an observer in that reference frame.

    Learning Objective 1.4.B: Describe the motion of objects as measured by observers in different inertial reference frames.

    • 1.4.B.1 Measurements from a given reference frame may be converted to measurements from another reference frame.
    • 1.4.B.2 The observed velocity of an object results from the combination of the object's velocity and the velocity of the observer's reference frame.
      • 1.4.B.2.i Combining the motion of an object and the motion of an observer in a given reference frame involves the addition or subtraction of vectors.
      • 1.4.B.2.ii The acceleration of any object is the same as measured from all inertial reference frames.

    Boundary statement: Unless otherwise stated, the frame of reference of any problem may be assumed to be inertial.

    Boundary statement: Adding or subtracting vectors to find relative velocities is restricted to motion along one dimension for AP Physics 1.

    日本語

    学習目標 1.4.A: 特定の観測者の基準系を説明する。

    • 1.4.A.1 参照系を選択することで、その参照系に居る観測者によって測定される物理量の方向と大きさが決定される。

    学習目標 1.4.B: 異なる慣性参照系に居る観測者によって測定された物体の運動を説明する。

    • 1.4.B.1 特定の参照系からの測定値は、他の参照系からの測定値に変換できる。
    • 1.4.B.2 物体の観測速度は、物体自身の速度と観測者の参照系の速度との合成によって生じる。
      • 1.4.B.2.i 与えられた参照系における物体の運動と観測者の運動を合成するには、ベクトルの加算または減算を行う。
      • 1.4.B.2.ii いかなる物体の加速度も、すべての慣性参照系から測定すると同一である。

    境界声明: 別段の指定がない限り、いかなる問題の参照系も慣性系であると仮定してよい。

    境界声明: AP Physics 1 において、相対速度を求めるためのベクトルの加減算は、一維運動に限定される。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    All motion is measured against a reference frame 参考系. Velocities measured in different frames differ, and you combine them by vector addition. The velocity of A relative to C is

    $$\vec{v}_{A/C}=\vec{v}_{A/B}+\vec{v}_{B/C}.$$
    A person walking on a moving train has one velocity relative to the train and another relative to the ground – this is relative motion 相对运动. A useful shortcut: the velocity of A relative to B is $\vec{v}_{A/B}=\vec{v}_A-\vec{v}_B$ (subtract B's velocity).

    A frame that is not accelerating is an inertial reference frame 惯性参考系: one in which a free object (no net force) obeys Newton's first law, staying at rest or moving at constant velocity. A frame that accelerates – a braking car – is non-inertial, where objects seem to speed up with no force acting on them.

    Worked example. A boat points straight across a river and moves at $3.0\ \text{m/s}$ relative to the water. The current flows at $4.0\ \text{m/s}$ along the river. Find the boat's speed and direction relative to the bank.

    The two velocities are perpendicular, so add them as a right triangle:

    $$v=\sqrt{3.0^2+4.0^2}=5.0\ \text{m/s},\qquad \theta=\tan^{-1}\!\frac{4.0}{3.0}=53^{\circ}\ \text{downstream from straight across.}$$

    日本語

    All motion is measured against a reference frame 参考系. Velocities measured in different frames differ, and you combine them by vector addition. The velocity of A relative to C is

    $$\vec{v}_{A/C}=\vec{v}_{A/B}+\vec{v}_{B/C}.$$
    A person walking on a moving train has one velocity relative to the train and another relative to the ground – this is relative motion 相对运动. A useful shortcut: the velocity of A relative to B is $\vec{v}_{A/B}=\vec{v}_A-\vec{v}_B$ (subtract B's velocity).

    A frame that is not accelerating is an inertial reference frame 惯性参考系: one in which a free object (no net force) obeys Newton's first law, staying at rest or moving at constant velocity. A frame that accelerates – a braking car – is non-inertial, where objects seem to speed up with no force acting on them.

    Worked example. A boat points straight across a river and moves at $3.0\ \text{m/s}$ relative to the water. The current flows at $4.0\ \text{m/s}$ along the river. Find the boat's speed and direction relative to the bank.

    The two velocities are perpendicular, so add them as a right triangle:

    $$v=\sqrt{3.0^2+4.0^2}=5.0\ \text{m/s},\qquad \theta=\tan^{-1}\!\frac{4.0}{3.0}=53^{\circ}\ \text{downstream from straight across.}$$

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    reference frame/ˈrefrəns freɪm/ 座標系
    relative motion/ˈrelətɪv ˈməʊʃn/ 相対運動
    inertial reference frame/ɪˈnɜːʃl ˈrefrəns freɪm/ 慣性系
    1.5

    Vectors and Motion in Two Dimensions

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 1.5.A: Describe the perpendicular components of a vector.

    • 1.5.A.1 Vectors can be mathematically modeled as the resultant of two perpendicular components.
    • 1.5.A.2 Vectors can be resolved into components using a chosen coordinate system.
    • 1.5.A.3 Vectors can be resolved into perpendicular components using trigonometric functions and relationships.
      • Equation: $\sin \theta = \dfrac{a}{c}$
      • Equation: $\cos \theta = \dfrac{b}{c}$
      • Equation: $\tan \theta = \dfrac{a}{b}$
      • Equation: $a^2 + b^2 = c^2$

    Learning Objective 1.5.B: Describe the motion of an object moving in two dimensions.

    • 1.5.B.1 Motion in two dimensions can be analyzed using one-dimensional kinematic relationships if the motion is separated into components.
    • 1.5.B.2 Projectile motion is a special case of two-dimensional motion that has zero acceleration in one dimension and constant, nonzero acceleration in the second dimension.
    日本語

    学習目標 1.5.A: ベクトルの直交成分を説明する。

    • 1.5.A.1 ベクトルは、数学的に2つの直交成分の合成としてモデル化できる。
    • 1.5.A.2 ベクトルは、選択した座標系を用いて成分に分解できる。
    • 1.5.A.3 ベクトルは、三角関数および関係式を用いて直交成分に分解できる。
      • 式: $\sin \theta = \dfrac{a}{c}$
      • 式: $\cos \theta = \dfrac{b}{c}$
      • 式: $\tan \theta = \dfrac{a}{b}$
      • 式: $a^2 + b^2 = c^2$

    学習目標 1.5.B: 二次元運動を行う物体の運動を説明する。

    • 1.5.B.1 運動が成分に分離できれば、二次元運動は一維運動学的関係式を用いて解析できる。
    • 1.5.B.2 投射運動とは、ある次元で加速度がゼロであり、もう一つの次元で一定かつ非ゼロの加速度を持つ二次元運動の特殊な場合である。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    In two dimensions, resolve each vector into components 分量 along perpendicular axes ($x$ and $y$), handle each axis separately, then recombine. A velocity $v$ at angle $\theta$ to the horizontal has components $v_x=v\cos\theta$ and $v_y=v\sin\theta$.

    For projectile motion 抛体运动 (an object moving under gravity alone): the horizontal and vertical motions are independent. Horizontally, velocity is constant ($a_x=0$); vertically, acceleration is $-g$ (down). The two motions share only the time. So a projectile's path (its trajectory 轨迹) is a parabola, and you solve it as two one-dimensional problems joined by $t$.

    Worked example. A ball is kicked at $20\ \text{m/s}$, $30^{\circ}$ above the horizontal. Taking $g=9.8\ \text{m/s}^2$, find the time of flight, the maximum height, and the horizontal range 射程 (assume it lands at launch height).

    Split the launch velocity into components:

    $$v_{0x}=20\cos 30^{\circ}=17.3\ \text{m/s},\qquad v_{0y}=20\sin 30^{\circ}=10\ \text{m/s}.$$
    Vertical motion sets the time. At the top $v_y=0$, so $0=10-9.8\,t \Rightarrow t_{\text{up}}=1.02\ \text{s}$, and the total flight is $2t_{\text{up}}=2.0\ \text{s}$. The maximum height is
    $$\Delta y=\frac{v_{0y}^2}{2g}=\frac{10^2}{19.6}=5.1\ \text{m}.$$
    Horizontal motion runs at constant $v_{0x}$ for the whole flight, so the range is
    $$R=v_{0x}\times t_{\text{flight}}=17.3\times 2.0=35\ \text{m}.$$

    A common trap: at the top of the flight the vertical velocity is zero, but the ball is not at rest – its horizontal velocity $v_{0x}$ never changes. The speed at the top equals $v_{0x}=17.3\ \text{m/s}$.

    日本語

    In two dimensions, resolve each vector into components 分量 along perpendicular axes ($x$ and $y$), handle each axis separately, then recombine. A velocity $v$ at angle $\theta$ to the horizontal has components $v_x=v\cos\theta$ and $v_y=v\sin\theta$.

    A velocity vector resolved into its horizontal and vertical components
    A velocity vector resolved into its horizontal and vertical components

    For projectile motion 抛体运动 (an object moving under gravity alone): the horizontal and vertical motions are independent. Horizontally, velocity is constant ($a_x=0$); vertically, acceleration is $-g$ (down). The two motions share only the time. So a projectile's path (its trajectory 轨迹) is a parabola, and you solve it as two one-dimensional problems joined by $t$.

    A projectile launched at an angle: the horizontal and vertical motions are independent
    A projectile launched at an angle: the horizontal and vertical motions are independent
    A dropped ball and a horizontally launched ball fall together – the vertical motions are identical
    A dropped ball and a horizontally launched ball fall together – the vertical motions are identical

    Worked example. A ball is kicked at $20\ \text{m/s}$, $30^{\circ}$ above the horizontal. Taking $g=9.8\ \text{m/s}^2$, find the time of flight, the maximum height, and the horizontal range 射程 (assume it lands at launch height).

    Split the launch velocity into components:

    $$v_{0x}=20\cos 30^{\circ}=17.3\ \text{m/s},\qquad v_{0y}=20\sin 30^{\circ}=10\ \text{m/s}.$$
    Vertical motion sets the time. At the top $v_y=0$, so $0=10-9.8\,t \Rightarrow t_{\text{up}}=1.02\ \text{s}$, and the total flight is $2t_{\text{up}}=2.0\ \text{s}$. The maximum height is
    $$\Delta y=\frac{v_{0y}^2}{2g}=\frac{10^2}{19.6}=5.1\ \text{m}.$$
    Horizontal motion runs at constant $v_{0x}$ for the whole flight, so the range is
    $$R=v_{0x}\times t_{\text{flight}}=17.3\times 2.0=35\ \text{m}.$$

    A common trap: at the top of the flight the vertical velocity is zero, but the ball is not at rest – its horizontal velocity $v_{0x}$ never changes. The speed at the top equals $v_{0x}=17.3\ \text{m/s}$.

    Explore · ⁨探索⁩

    Explore projectile motion · ⁨投射運動を探索する⁩

    Fire the ball, then change the angle and speed. The horizontal motion stays steady while gravity pulls it down — together they trace a parabola. Find the launch angle that gives the longest range, and try the Moon. · ⁨ボールを打ち出し、その後角度と速さを変更せよ。水平方向の運動は一定のまま、重力が下へ引く——これらが組み合わさって放物線を描く。最も長い飛距離を与える発射角度を見つけ、月でも試してみよ。⁩

    Explore · ⁨探索⁩

    Explore vectors and their components · ⁨ベクトルとその成分を探索する⁩

    Drag the vectors to change their $x$- and $y$-components. See how a single vector is built from independent horizontal and vertical parts, and how two vectors add tip-to-tail into a resultant. · ⁨ベクトルをドラッグして $x$ 成分と $y$ 成分を変更せよ。単一のベクトルが独立した水平成分と垂直成分からどのように構成されるか、そして2つのベクトルが先尾相连(tip-to-tail)によって合成ベクトル(resultant)にどう加算されるかを確認せよ。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    components/kəmˈpəʊnənts/ コンポーネント
    projectile motion/prəˈdʒektaɪl ˈməʊʃn/ 投射運動
    trajectory/trəˈdʒektəri/ 軌道
    range/reɪndʒ/ 値域
    1.5

    Exam tips

    • Choose the right kinematic equation by listing the three quantities you know plus the one you want, so only one unknown remains; the SUVAT equations apply only while acceleration is constant.
    • Fix a positive direction first — every displacement, velocity, and acceleration then carries a sign; a negative velocity means "moving the other way", not "slow".
    • Treat a projectile as two independent 1-D problems sharing only the time $t$: constant velocity horizontally, $a=-g$ vertically. At the top $v_y=0$ but $v_x$ is unchanged.
    • On a velocity–time graph the gradient is the acceleration and the area is the displacement (area below the axis is negative).
    • Distinguish distance (scalar, total path) from displacement (vector, start-to-end), and speed from velocity.
  • 2

    Force and Translational Dynamics · ⁨力と並進運動の力学⁩

    Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
    2.1

    Systems and Center of Mass

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 2.1.A: Describe the properties and interactions of a system.

    • 2.1.A.1 System properties are determined by the interactions between objects within the system.
    • 2.1.A.2 If the properties or interactions of the constituent objects within a system are not important in modeling the behavior of the macroscopic system, the system can itself be treated as a single object.
    • 2.1.A.3 Systems may allow interactions between constituent parts of the system and the environment, which may result in the transfer of energy or mass.
    • 2.1.A.4 Individual objects within a chosen system may behave differently from each other as well as from the system as a whole.
    • 2.1.A.5 The internal structure of a system affects the analysis of that system.
    • 2.1.A.6 As variables external to a system are changed, the system's substructure may change.

    Learning Objective 2.1.B: Describe the location of a system's center of mass with respect to the system's constituent parts.

    • 2.1.B.1 For systems with symmetrical mass distributions, the center of mass is located on lines of symmetry.
    • 2.1.B.2 The location of a system's center of mass along a given axis can be calculated using the equation
      • Equation: $\vec{x}_{cm} = \dfrac{\sum m_i \vec{x}_i}{\sum m_i}$
    • 2.1.B.3 A system can be modeled as a singular object that is located at the system's center of mass.

    Boundary statement: AP Physics 1 only expects students to calculate the center of mass for systems of five or fewer particles arranged in a two-dimensional configuration or for systems that are highly symmetrical.

    日本語

    学習目標 2.1.A: 系の性質および相互作用を説明する。

    • 2.1.A.1 系の性質は、系内の物体間の相互作用によって決定される。
    • 2.1.A.2 システムを構成する物体の性質や相互作用が、巨視的システムの振る舞いをモデル化する上で重要でない場合、システム自体を単一の物体として扱うことができる。
    • 2.1.A.3 システムは、システムを構成する部分と環境との間で相互作用を許容することがあり、その結果エネルギーまたは質量の移動が生じる可能性がある。
    • 2.1.A.4 選択されたシステム内の個々の物体は、互いに異なるだけでなく、システム全体としても異なる振る舞いを見せることがある。
    • 2.1.A.5 システムの内部構造は、そのシステムの分析に影響を与える。
    • 2.1.A.6 システムの外側にある変数が変化すると、システムのサブ構造も変化することがある。

    学習目標 2.1.B: システムの重心の位置を、システムを構成する部材に対して説明せよ。

    • 2.1.B.1 質量分布が対称的なシステムの場合、重心は対称軸上に位置する。
    • 2.1.B.2 システムの重心の位置を特定の軸に沿って計算するには、以下の式を用いる。
      • 式: $\vec{x}_{cm} = \dfrac{\sum m_i \vec{x}_i}{\sum m_i}$
    • 2.1.B.3 システムは、システム全体の重心に位置する単一の物体としてモデル化できる。

    境界文: AP Physics 1では、学生が2次元配置で5個以下の粒子からなるシステム、または極めて対称性が高いシステムの重心の計算のみを行うことが期待されている。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    A system 系统 is the object or group of objects you choose to analyze. A system can be treated as a single point at its center of mass 质心 – the average position of its mass. External forces change the motion of the center of mass; internal forces (between parts of the system) do not.

    This is why a wrench spinning across a table still has its center of mass move in a straight line: the spinning is internal, and only the (near-zero) external force matters for the center of mass. For two masses $m_1,m_2$ on a line at positions $x_1,x_2$, the center of mass sits at $x_{\text{cm}}=\dfrac{m_1x_1+m_2x_2}{m_1+m_2}$ – always closer to the heavier mass.

    日本語

    A system 系统 is the object or group of objects you choose to analyze. A system can be treated as a single point at its center of mass 质心 – the average position of its mass. External forces change the motion of the center of mass; internal forces (between parts of the system) do not.

    This is why a wrench spinning across a table still has its center of mass move in a straight line: the spinning is internal, and only the (near-zero) external force matters for the center of mass. For two masses $m_1,m_2$ on a line at positions $x_1,x_2$, the center of mass sits at $x_{\text{cm}}=\dfrac{m_1x_1+m_2x_2}{m_1+m_2}$ – always closer to the heavier mass.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    system/ˈsɪstəm/ 系
    center of mass/ˈsentə ɒv mæs/ 重心
    2.2

    Forces and Free-Body Diagrams

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 2.2.A: Describe a force as an interaction between two objects or systems.

    • 2.2.A.1 Forces are vector quantities that describe the interactions between objects or systems.
      • 2.2.A.1.i A force exerted on an object or system is always due to the interaction of that object with another object or system.
      • 2.2.A.1.ii An object or system cannot exert a net force on itself.
    • 2.2.A.2 Contact forces describe the interaction of an object or system touching another object or system and are macroscopic effects of interatomic electric forces.

    Learning Objective 2.2.B: Describe the forces exerted on an object or system using a free-body diagram.

    • 2.2.B.1 Free-body diagrams are useful tools for visualizing forces being exerted on a single object or system and for determining the equations that represent a physical situation.
    • 2.2.B.2 The free-body diagram of an object or system shows each of the forces exerted on the object by the environment.
    • 2.2.B.3 Forces exerted on an object or system are represented as vectors originating from the representation of the center of mass, such as a dot. A system is treated as though all of its mass is located at the center of mass.
    • 2.2.B.4 A coordinate system with one axis parallel to the direction of acceleration of the object or system simplifies the translation from free-body diagram to algebraic representation. For example, in a free-body diagram of an object on an inclined plane, it is useful to set one axis parallel to the surface of the incline.

    Boundary statement: AP Physics 1 only expects students to depict the forces exerted on objects, not the force components on free-body diagrams. On the AP Physics exams, individual forces represented on a free-body diagram must be drawn as individual straight arrows, originating on the dot and pointing in the direction of the force. Individual forces that are in the same direction must be drawn side by side, not overlapping.

    日本語

    学習目標 2.2.A: 力を、2つの物体またはシステム間の相互作用として説明せよ。

    • 2.2.A.1 力はベクトル量であり、物体間またはシステム間の相互作用を表す。
      • 2.2.A.1.i 物体またはシステムに作用する力は、常にその物体が他の物体またはシステムと相互作用することによって生じる。
      • 2.2.A.1.ii 物体またはシステムは、自分自身に合力を作用させることはできない。
    • 2.2.A.2 接触力は、物体またはシステムが他の物体またはシステムに触れることで生じる相互作用であり、原子間の電気力による巨視的な効果である。

    学習目標 2.2.B: 自由体図を用いて、物体またはシステムに作用する力を説明せよ。

    • 2.2.B.1 自由体図は、単一の物体またはシステムに作用する力を視覚化したり、物理的情況を表す方程式を決定したりするために有用なツールである。
    • 2.2.B.2 物体またはシステムの自由体図は、環境によって物体に作用する各力を示す。
    • 2.2.B.3 物体またはシステムに作用する力は、重心(例:点)からの始点を持つベクトルとして表される。システムは、すべての質量が重心に集中しているかのように扱われる。
    • 2.2.B.4 物体または系の加速度方向に平行な軸を持つ座標系は、自由体図から代数的表現への転換を簡素化します。例えば、斜面にある物体の自由体図では、一方の軸を斜面に平行に設定するのが有用です。

    境界文: AP Physics 1では、学生が自由体図に描くのは物体に作用する力のみであり、自由体図上の力の成分を描くことは求めません。AP Physics試験において、自由体図上に表される個別の力は、点から始まって力の方向へ向かう個々の直線矢印として描かなければなりません。同じ方向にある個別の力は、重ならないように横並びに描きます。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    A force 力 is a push or pull – a vector, measured in newtons (N). A free-body diagram 受力图 shows one object as a dot with arrows for every force acting on it (weight 重力, normal, tension 张力, friction, applied), each labelled and pointing the right way. Draw it before any dynamics problem; it is where most marks are won or lost.

    Two rules keep free-body diagrams honest: draw only forces acting on the chosen object (not forces it exerts on other things), and draw only real, physical forces (a rope, a surface, gravity, a hand) – never an "$ma$" arrow, which is the result of the forces, not a force itself.

    日本語
    A skydiver: free-body diagrams balance gravity and air resistance at terminal speed
    A skydiver: free-body diagrams balance gravity and air resistance at terminal speed
    A rocket launch: net force changes momentum — F_net = ma for translational dynamics
    A rocket launch: net force changes momentum — F_net = ma for translational dynamics

    A force 力 is a push or pull – a vector, measured in newtons (N). A free-body diagram 受力图 shows one object as a dot with arrows for every force acting on it (weight 重力, normal, tension 张力, friction, applied), each labelled and pointing the right way. Draw it before any dynamics problem; it is where most marks are won or lost.

    A free-body diagram shows every force acting on one object
    A free-body diagram shows every force acting on one object

    Two rules keep free-body diagrams honest: draw only forces acting on the chosen object (not forces it exerts on other things), and draw only real, physical forces (a rope, a surface, gravity, a hand) – never an "$ma$" arrow, which is the result of the forces, not a force itself.

    Explore · ⁨探索⁩

    Balance the forces on a free-body diagram · ⁨自由体図上の力のつり合いを確認する⁩

    A free-body diagram shows every force on one object as an arrow. The object accelerates only if the forces don't cancel — the net force sets $a=F/m$. · ⁨自由体図は、ある物体に働くすべての力を矢印で示す。力が相殺されなければ物体は加速し、合力が $a=F/m$ を決定する。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    force/fɔːs/ 力
    free-body diagram/friː ˈbɒdi ˈdaɪəɡræm/ 自由体図
    weight/weɪt/ 重力
    tension/ˈtenʃn/ 張力
    2.3

    Newton's Third Law

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 2.3.A: Describe the interaction of two objects using Newton's third law and a representation of paired forces exerted on each object.

    • 2.3.A.1 Newton's third law describes the interaction of two objects in terms of the paired forces that each exerts on the other.
      • Equation: $\vec{F}_{\text{A on B}} = -\vec{F}_{\text{B on A}}$
    • 2.3.A.2 Interactions between objects within a system (internal forces) do not influence the motion of a system's center of mass.
    • 2.3.A.3 Tension is the macroscopic net result of forces that segments of a string, cable, chain, or similar system exert on each other in response to an external force.
      • 2.3.A.3.i An ideal string has negligible mass and does not stretch when under tension.
      • 2.3.A.3.ii The tension in an ideal string is the same at all points within the string.
      • 2.3.A.3.iii In a string with nonnegligible mass, tension may not be the same at all points within the string.
      • 2.3.A.3.iv An ideal pulley is a pulley that has negligible mass and rotates about an axle through its center of mass with negligible friction.

    Boundary statement: AP Physics 1 only expects students to describe tension qualitatively in a string, cable, chain, or similar system with mass. For example, students might note that the tension in a hanging chain is greater toward the top of the chain.

    Boundary statement: The interaction between objects or systems at a distance is limited to gravitational forces in AP Physics 1. In AP Physics 2, gravitational, electric, and magnetic forces may be considered.

    日本語

    学習目標 2.3.A: ニュートンの第三法則および各物体に作用する対の力の表現を用いて、2つの物体間の相互作用を説明する。

    • 2.3.A.1 ニュートンの第三法則は、互いに作用し合う対の力によって2つの物体間の相互作用を記述する。
      • 式: $\vec{F}_{\text{A on B}} = -\vec{F}_{\text{B on A}}$
    • 2.3.A.2 システム内の物体間の相互作用(内部力)は、システム全体の重心の運動に影響を与えない。
    • 2.3.A.3 張力は、外部の力に対する応答として、紐、ケーブル、鎖など、類似したシステムの各セグメントが互いに作用させる力の巨視的な正味の結果である。
      • 2.3.A.3.i 理想的な紐は質量が無視できるほど小さく、張力が加わっても伸びない。
      • 2.3.A.3.ii 理想的な紐における張力は、紐内のあらゆる点で等しい。
      • 2.3.A.3.iii 無視できない質量を持つ紐の場合、張力は紐内のあらゆる点で等しくない可能性がある。
      • 2.3.A.3.iv 理想的な滑車とは、質量が無視できるほど小さく、重心を通る軸周りに無視できる摩擦で回転する滑車のことを指す。

    境界文: AP Physics 1では、質量を持つ紐、ケーブル、鎖、または類似したシステムにおける張力を定性的に説明することを学生に期待している。例えば、学生は吊り下げられた鎖の張力が鎖の上側に向かうほど大きくなることに言及するかもしれない。

    境界文: AP Physics 1における遠隔の物体やシステム間の相互作用は重力のみを制限する。AP Physics 2では、重力、静電気電力、磁力を考慮することが可能である。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Newton's third law 牛顿第三定律: if object A pushes on object B, then B pushes back on A with a force equal in size and opposite in direction. These two forces act on different objects, so they never cancel each other. Identify third-law pairs by the "A on B / B on A" wording.

    A classic trap: the weight of a book and the normal force from the table are not a third-law pair – they act on the same object (the book). The partner of the book's weight is the pull the book exerts on the Earth; the partner of the table's push is the push the book makes on the table.

    日本語

    Newton's third law 牛顿第三定律: if object A pushes on object B, then B pushes back on A with a force equal in size and opposite in direction. These two forces act on different objects, so they never cancel each other. Identify third-law pairs by the "A on B / B on A" wording.

    A Newton's third-law pair: equal and opposite forces on two different objects
    A Newton's third-law pair: equal and opposite forces on two different objects

    A classic trap: the weight of a book and the normal force from the table are not a third-law pair – they act on the same object (the book). The partner of the book's weight is the pull the book exerts on the Earth; the partner of the table's push is the push the book makes on the table.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Newton's third law/ˈnjuːtnz θɜːd lɔː/ ニュートンの第三法則
    2.4

    Newton's First Law

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 2.4.A: Describe the conditions under which a system's velocity remains constant.

    • 2.4.A.1 The net force on a system is the vector sum of all forces exerted on the system.
    • 2.4.A.2 Translational equilibrium is a configuration of forces such that the net force exerted on a system is zero.
      • Derived equation: $\sum_i \vec{F}_i = 0$
    • 2.4.A.3 Newton's first law states that if the net force exerted on a system is zero, the velocity of that system will remain constant.
    • 2.4.A.4 Forces may be balanced in one dimension but unbalanced in another. The system's velocity will change only in the direction of the unbalanced force.
    • 2.4.A.5 An inertial reference frame is one from which an observer would verify Newton's first law of motion.
    日本語

    学習目標 2.4.A: システムの速度が一定である条件を説明する。

    • 2.4.A.1 システムに作用する正味の力は、システムに作用するすべての力のベクトル和である。
    • 2.4.A.2 並進平衡とは、システムに作用する正味の力がゼロとなる力の配置のことである。
      • 導出された式: $\sum_i \vec{F}_i = 0$
    • 2.4.A.3 ニュートンの第一法則は、システムに作用する正味の力がゼロであれば、そのシステムの速度は一定であることを示している。
    • 2.4.A.4 力はある方向では釣り合っているが、別の方向では釣り合わないことがある。システムの速度は、釣り合わない力の方向にのみ変化する。
    • 2.4.A.5 慣性参照系とは、観測者がニュートンの運動の第一法則を検証できる参照系である。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Newton's first law 牛顿第一定律 (the law of inertia 惯性): an object's velocity stays constant unless a net force 合力 acts on it. So zero net force means constant velocity (including rest) – the object is in translational equilibrium 平衡. Inertia is the tendency to resist changes in motion, measured by mass.

    Worked example. A $1200\ \text{kg}$ car cruises at a steady $25\ \text{m/s}$ on a level road. What is the net force on it? Because the velocity is constant, the acceleration is zero, so by the first law the net force is zero – the forward drive force exactly balances drag and friction. "Steady speed" always means balanced forces.

    日本語

    Newton's first law 牛顿第一定律 (the law of inertia 惯性): an object's velocity stays constant unless a net force 合力 acts on it. So zero net force means constant velocity (including rest) – the object is in translational equilibrium 平衡. Inertia is the tendency to resist changes in motion, measured by mass.

    Worked example. A $1200\ \text{kg}$ car cruises at a steady $25\ \text{m/s}$ on a level road. What is the net force on it? Because the velocity is constant, the acceleration is zero, so by the first law the net force is zero – the forward drive force exactly balances drag and friction. "Steady speed" always means balanced forces.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Newton's first law/ˈnjuːtnz fɜːst lɔː/ ニュートンの第一法則
    inertia/ɪˈnɜːʃə/ 慣性
    net force/net fɔːs/ 合力
    translational equilibrium/trænˈsleɪʃənl ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 並進平衡
    2.5

    Newton's Second Law

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 2.5.A: Describe the conditions under which a system's velocity changes.

    • 2.5.A.1 Unbalanced forces are a configuration of forces such that the net force exerted on a system is not equal to zero.
    • 2.5.A.2 Newton's second law of motion states that the acceleration of a system's center of mass has a magnitude proportional to the magnitude of the net force exerted on the system and is in the same direction as that net force.
      • Equation: $\vec{a}_{\text{sys}} = \dfrac{\sum \vec{F}}{m_{\text{sys}}} = \dfrac{\vec{F}_{\text{net}}}{m_{\text{sys}}}$
    • 2.5.A.3 The velocity of a system's center of mass will only change if a nonzero net external force is exerted on that system.
    日本語

    学習目標 2.5.A: システムの速度が変化する条件を説明する。

    • 2.5.A.1 釣り合わない力は、システムに作用する正味の力がゼロと等しくない力の配置である。
    • 2.5.A.2 ニュートンの運動の第二法則は、システムの重心の加速度の大きさは、システムに作用する正味の力の大きさに比例し、その正味の力の同じ方向にあることを示している。
      • 式: $\vec{a}_{\text{sys}} = \dfrac{\sum \vec{F}}{m_{\text{sys}}} = \dfrac{\vec{F}_{\text{net}}}{m_{\text{sys}}}$
    • 2.5.A.3 システムの重心の速度が変化するのは、そのシステムにゼロではない正味の外力が作用した場合に限られる。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Newton's second law 牛顿第二定律 relates net force to acceleration:

    $$\vec{a}=\frac{\sum \vec{F}}{m},\qquad\text{i.e.}\qquad \sum\vec{F}=m\vec{a}.$$
    Apply it one axis at a time: add the force components along each axis and set the sum equal to $ma$ for that axis. Acceleration points the same way as the net force.

    Worked example. A $4.0\ \text{kg}$ box is pulled along the floor by a horizontal force of $18\ \text{N}$. Friction on the box is $6.0\ \text{N}$. Find its acceleration. Along the direction of motion the net force is $18-6.0=12\ \text{N}$, so

    $$a=\frac{\sum F}{m}=\frac{12}{4.0}=3.0\ \text{m/s}^2.$$

    Worked example (incline 斜面). A block of mass $m$ slides down a frictionless ramp tilted at angle $\theta$. Find its acceleration. Resolve gravity into components along and perpendicular to the ramp; only the along-ramp part, $mg\sin\theta$, drives the motion, so

    $$a=\frac{mg\sin\theta}{m}=g\sin\theta.$$
    The steeper the ramp, the larger $\sin\theta$ and the faster it accelerates; at $\theta=90^{\circ}$ it is free fall.

    日本語

    Newton's second law 牛顿第二定律 relates net force to acceleration:

    $$\vec{a}=\frac{\sum \vec{F}}{m},\qquad\text{i.e.}\qquad \sum\vec{F}=m\vec{a}.$$
    Apply it one axis at a time: add the force components along each axis and set the sum equal to $ma$ for that axis. Acceleration points the same way as the net force.

    Worked example. A $4.0\ \text{kg}$ box is pulled along the floor by a horizontal force of $18\ \text{N}$. Friction on the box is $6.0\ \text{N}$. Find its acceleration. Along the direction of motion the net force is $18-6.0=12\ \text{N}$, so

    $$a=\frac{\sum F}{m}=\frac{12}{4.0}=3.0\ \text{m/s}^2.$$

    Worked example (incline 斜面). A block of mass $m$ slides down a frictionless ramp tilted at angle $\theta$. Find its acceleration. Resolve gravity into components along and perpendicular to the ramp; only the along-ramp part, $mg\sin\theta$, drives the motion, so

    $$a=\frac{mg\sin\theta}{m}=g\sin\theta.$$
    The steeper the ramp, the larger $\sin\theta$ and the faster it accelerates; at $\theta=90^{\circ}$ it is free fall.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Newton's second law/ˈnjuːtnz ˈsekənd lɔː/ ニュートンの第二法則
    incline/ɪnˈklaɪn/ 斜面
    2.6

    Gravitational Force

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 2.6.A: Describe the gravitational interaction between two objects or systems with mass.

    • 2.6.A.1 Newton's law of universal gravitation describes the gravitational force between two objects or systems as directly proportional to each of their masses and inversely proportional to the square of the distance between the systems' centers of mass.
      • Equation: $\left|\vec{F}_g\right| = G\dfrac{m_1 m_2}{r^2}$
      • 2.6.A.1.i The gravitational force is attractive.
      • 2.6.A.1.ii The gravitational force is always exerted along the line connecting the centers of mass of the two interacting systems.
      • 2.6.A.1.iii The gravitational force on a system can be considered to be exerted on the system's center of mass.
    • 2.6.A.2 A field models the effects of a noncontact force exerted on an object at various positions in space.
      • 2.6.A.2.i The magnitude of the gravitational field created by a system of mass $M$ at a point in space is equal to the ratio of the gravitational force exerted by the system on a test object of mass $m$ to the mass of the test object.
        • Equation: $\left|\vec{g}\right| = \dfrac{\left|\vec{F}_g\right|}{m} = G\dfrac{M}{r^2}$
      • 2.6.A.2.ii If the gravitational force is the only force exerted on an object, the observed acceleration of the object (in m/s$^2$) is numerically equal to the magnitude of the gravitational field strength (in N/kg) at that location.
    • 2.6.A.3 The gravitational force exerted by an astronomical body on a relatively small nearby object is called weight.
      • Equation: $\text{Weight} = F_g = mg$

    Learning Objective 2.6.B: Describe situations in which the gravitational force can be considered constant.

    • 2.6.B.1 If the gravitational force between two systems' centers of mass has a negligible change as the relative position of the two systems changes, the gravitational force can be considered constant at all points between the initial and final positions of the systems.
    • 2.6.B.2 Near the surface of Earth, the strength of the gravitational field is $g \approx 10 \text{ N/kg}$

    Learning Objective 2.6.C: Describe the conditions under which the magnitude of a system's apparent weight is different from the magnitude of the gravitational force exerted on that system.

    • 2.6.C.1 The magnitude of the apparent weight of a system is the magnitude of the normal force exerted on the system.
    • 2.6.C.2 If the system is accelerating, the apparent weight of the system is not equal to the magnitude of the gravitational force exerted on the system.
    • 2.6.C.3 A system appears weightless when there are no forces exerted on the system or when the force of gravity is the only force exerted on the system.
    • 2.6.C.4 The equivalence principle states that an observer in a noninertial reference frame is unable to distinguish between an object's apparent weight and the gravitational force exerted on the object by a gravitational field.

    Learning Objective 2.6.D: Describe inertial and gravitational mass.

    • 2.6.D.1 Objects have inertial mass, or inertia, a property that determines how much an object's motion resists changes when interacting with another object.
    • 2.6.D.2 Gravitational mass is related to the force of attraction between two systems with mass.
    • 2.6.D.3 Inertial mass and gravitational mass have been experimentally verified to be equivalent.
    日本語

    学習目標 2.6.A: 質量を持つ2つの物体やシステム間の重力の相互作用を説明する。

    • 2.6.A.1 ニュートンの万有引力の法則は、2つの物体やシステム間の重力が、それぞれの質量に比例し、かつシステム間の重心間の距離の二乗に反比例することを記述する。
      • 式: $\left|\vec{F}_g\right| = G\dfrac{m_1 m_2}{r^2}$
      • 2.6.A.1.i 重力は引力的である。
      • 2.6.A.1.ii 重力は常に、2つの相互作用するシステムの重心を結ぶ直線上に作用する。
      • 2.6.A.1.iii システムに作用する重力は、システムの重心に作用するとみなすことができる。
    • 2.6.A.2 場(フィールド)は、空間の異なる位置にある物体に作用する非接触力の効果をモデル化している。
      • 2.6.A.2.i 質量 $M$ のシステムによって生じる重力場の大きさ(空間の一点において)は、そのシステムが質量 $m$ の試験物体に作用する重力と試験物体の質量との比に等しい。
        • 数式: $\left|\vec{g}\right| = \dfrac{\left|\vec{F}_g\right|}{m} = G\dfrac{M}{r^2}$
      • 2.6.A.2.ii 重力以外の力が物体に作用していない場合、物体の観測される加速度(m/s$^2$単位)の数値は、その地点での重力場の強さ(N/kg単位)の数値と等しい。
    • 2.6.A.3 天体が比較的小さい近接物体に作用する重力は、重さと呼ばれる。
      • 式: $\text{Weight} = F_g = mg$

    学習目標 2.6.B: 重力が一定とみなせる状況について説明する。

    • 2.6.B.1 2つのシステムの重心間の重力が、2つのシステムの相対位置の変化に対して無視できるほど変化しない場合、システムの初期位置から最終位置までの間のあるいも点で重力は一定とみなせる。
    • 2.6.B.2 地球表面付近における重力場の強さは $g \approx 10 \text{ N/kg}$ である。

    学習目標 2.6.C: システムの見かけの重さの大きさが、そのシステムに作用する重力の大きさとは異なる条件を説明する。

    • 2.6.C.1 システムの見かけの重さの大きさは、システムに作用する垂直抗力の大きさである。
    • 2.6.C.2 システムが加速している場合、そのシステムの見かけの重さは、システムに作用する重力の大きさと等しくない。
    • 2.6.C.3 システムに力が作用していないか、あるいは重力だけがシステムに作用している場合、システムは無重力状態に見える。
    • 2.6.C.4 等価原理とは、非慣性系に置かれた観測者は、物体の見かけの重さと重力場が物体に及ぼす重力との区別ができないというものである。

    学習目標 2.6.D: 慣性質量と重力質量を説明する。

    • 2.6.D.1 物体は慣性質量(または慣性)を持ち、これは他の物体との相互作用時にその運動が変化しようとする抵抗の程度を決める性質である。
    • 2.6.D.2 重力質量は、質量を持つ2つのシステム間の引力の大きさと関連している。
    • 2.6.D.3 慣性質量と重力質量は、実験的に等価であることが確認されている。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English
    Orbital motion (Kepler's 2nd law)

    Near a planet's surface, the gravitational force (weight) is $F_g=mg$, directed down, where $g$ is the gravitational field strength 重力场强度. More generally, Newton's law of gravitation 万有引力定律 gives the attraction between any two masses:

    $$F_g=\frac{G m_1 m_2}{r^2},$$
    directed along the line joining them, weaker as the distance $r$ grows (an inverse-square law). Doubling the separation quarters the force.

    Worked example. A $2.0\ \text{kg}$ object weighs $19.6\ \text{N}$ on Earth ($g=9.8\ \text{m/s}^2$). On the Moon $g_{\text{Moon}}=1.6\ \text{m/s}^2$. Its mass is unchanged ($2.0\ \text{kg}$), but its weight becomes $F_g=mg=2.0\times1.6=3.2\ \text{N}$. Mass measures inertia; weight is a force that depends on where you are.

    Mass actually plays two distinct roles. Inertial mass 惯性质量 sets how strongly an object resists acceleration ($F=ma$); gravitational mass 引力质量 sets how strongly it attracts other masses ($F=Gm_1m_2/r^2$). Experiments confirm the two are equal – which is exactly why every object, heavy or light, falls with the same $g$.

    日本語
    Orbital motion (Kepler's 2nd law)

    Near a planet's surface, the gravitational force (weight) is $F_g=mg$, directed down, where $g$ is the gravitational field strength 重力场强度. More generally, Newton's law of gravitation 万有引力定律 gives the attraction between any two masses:

    $$F_g=\frac{G m_1 m_2}{r^2},$$
    directed along the line joining them, weaker as the distance $r$ grows (an inverse-square law). Doubling the separation quarters the force.

    Two masses attract each other with equal, opposite, inverse-square forces along the line joining them
    Two masses attract each other with equal, opposite, inverse-square forces along the line joining them

    Worked example. A $2.0\ \text{kg}$ object weighs $19.6\ \text{N}$ on Earth ($g=9.8\ \text{m/s}^2$). On the Moon $g_{\text{Moon}}=1.6\ \text{m/s}^2$. Its mass is unchanged ($2.0\ \text{kg}$), but its weight becomes $F_g=mg=2.0\times1.6=3.2\ \text{N}$. Mass measures inertia; weight is a force that depends on where you are.

    Mass actually plays two distinct roles. Inertial mass 惯性质量 sets how strongly an object resists acceleration ($F=ma$); gravitational mass 引力质量 sets how strongly it attracts other masses ($F=Gm_1m_2/r^2$). Experiments confirm the two are equal – which is exactly why every object, heavy or light, falls with the same $g$.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ 重力場の強さ
    Newton's law of gravitation/ˈnjuːtnz lɔː ɒv ˌɡrævɪˈteɪʃn/ 万有引力の法則
    Inertial mass/ɪˈnɜːʃl mæs/ 慣性質量
    gravitational mass/ˌɡrævɪˈteɪʃənl mæs/ 重力質量
    2.7

    Kinetic and Static Friction

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 2.7.A: Describe kinetic friction between two surfaces

    • 2.7.A.1 Kinetic friction occurs when two surfaces in contact move relative to each other.
      • 2.7.A.1.i The kinetic friction force is exerted in a direction opposite to the motion of each surface relative to the other surface.
      • 2.7.A.1.ii The force of friction between two surfaces does not depend on the size of the surface area of contact.
    • 2.7.A.2 The magnitude of the kinetic friction force exerted on an object is the product of the normal force the surface exerts on the object and the coefficient of kinetic friction.
      • Equation: $\left|\vec{F}_{f,k}\right| = \left|\mu_k \vec{F}_n\right|$
      • 2.7.A.2.i The coefficient of kinetic friction depends on the material properties of the surfaces that are in contact.
      • 2.7.A.2.ii Normal force is the perpendicular component of the force exerted on an object by the surface with which it is in contact; it is directed away from the surface.

    Learning Objective 2.7.B: Describe static friction between two surfaces.

    • 2.7.B.1 Static friction may occur between the contacting surfaces of two objects that are not moving relative to each other.
    • 2.7.B.2 Static friction adopts the value and direction required to prevent an object from slipping or sliding on a surface.
      • Equation: $\left|\vec{F}_{f,s}\right| \leq \left|\mu_s \vec{F}_n\right|$
      • 2.7.B.2.i Slipping and sliding refer to situations in which two surfaces are moving relative to each other.
      • 2.7.B.2.ii There exists a maximum value for which static friction will prevent an object from slipping on a given surface.
        • Equation: $F_{f,s,\max} = \mu_s F_n$
    • 2.7.B.3 The coefficient of static friction is typically greater than the coefficient of kinetic friction for a given pair of surfaces.
    日本語

    学習目標 2.7.A: 2つの表面間の動摩擦力を説明する。

    • 2.7.A.1 接触している2つの表面が互いに相対運動をするときに生じる摩擦力を動摩擦力という。
      • 2.7.A.1.i 動摩擦力は、各表面が他方に対して動く方向とは逆向きに作用する。
      • 2.7.A.1.ii 2つの表面間の摩擦力の大きさは、接触面積の大きさには依存しない。
    • 2.7.A.2 物体に作用する動摩擦力の大きさは、表面が物体に作用する垂直抗力と動摩擦係数の積で表される。
      • 式: $\left|\vec{F}_{f,k}\right| = \left|\mu_k \vec{F}_n\right|$
      • 2.7.A.2.i 動摩擦係数は、接触している表面の材料の性質に依存する。
      • 2.7.A.2.ii 垂直抗力は、接触している表面が物体に作用する力の垂直成分であり、表面から外向きに方向を持つ。

    学習目標 2.7.B: 2つの表面間の静摩擦力を説明する。

    • 2.7.B.1 静止摩擦力は、互いに相対運動していない2つの物体の接触面間に発生することがある。
    • 2.7.B.2 静摩擦力は、物体が表面上で滑ったりずり落ちたりしないようにするために必要な値と方向を取る。
      • 式: $\left|\vec{F}_{f,s}\right| \leq \left|\mu_s \vec{F}_n\right|$
      • 2.7.B.2.i 滑りやずれとは、2つの表面が互いに相対運動をしている状況を指す。
      • 2.7.B.2.ii 特定の表面上で物体が滑らないために、静摩擦力には最大値が存在する。
        • 数式: $F_{f,s,\max} = \mu_s F_n$
    • 2.7.B.3 特定の表面の組み合わせにおいて、静摩擦係数は通常、動摩擦係数よりも大きい。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Friction 摩擦力 acts along a surface, opposing relative sliding (or the tendency to slide):

    • Kinetic friction 动摩擦 (while sliding): $f_k=\mu_k N$.
    • Static friction 静摩擦 (while not yet sliding): $f_s\le \mu_s N$ – it adjusts up to a maximum to prevent motion.

    Here $N$ is the normal force 法向力 (surface push, perpendicular to the surface) and $\mu$ is the coefficient of friction 摩擦系数.

    Worked example. A $5.0\ \text{kg}$ crate sits on a level floor with $\mu_s=0.40$. Will a horizontal push of $15\ \text{N}$ move it? On a level floor $N=mg=5.0\times9.8=49\ \text{N}$, so the largest static friction is $f_{s,\max}=\mu_s N=0.40\times49=19.6\ \text{N}$. The $15\ \text{N}$ push is smaller than $19.6\ \text{N}$, so friction rises to match it and the crate stays still.

    日本語

    Friction 摩擦力 acts along a surface, opposing relative sliding (or the tendency to slide):

    • Kinetic friction 动摩擦 (while sliding): $f_k=\mu_k N$.
    • Static friction 静摩擦 (while not yet sliding): $f_s\le \mu_s N$ – it adjusts up to a maximum to prevent motion.

    Here $N$ is the normal force 法向力 (surface push, perpendicular to the surface) and $\mu$ is the coefficient of friction 摩擦系数.

    Worked example. A $5.0\ \text{kg}$ crate sits on a level floor with $\mu_s=0.40$. Will a horizontal push of $15\ \text{N}$ move it? On a level floor $N=mg=5.0\times9.8=49\ \text{N}$, so the largest static friction is $f_{s,\max}=\mu_s N=0.40\times49=19.6\ \text{N}$. The $15\ \text{N}$ push is smaller than $19.6\ \text{N}$, so friction rises to match it and the crate stays still.

    Explore · ⁨探索⁩

    Slide a block down a slope with friction · ⁨摩擦のある斜面の上をブロックを滑らせる⁩

    Friction opposes motion up to a maximum $\mu N$. Tilt the slope until gravity's pull along it beats static friction and the block starts to slide. · ⁨摩擦力は最大 $\mu N$ まで運動に逆らう。斜面の傾斜を変えて、重力の斜面方向の成分が静止摩擦力を上回り、ブロックが動き出す点を探せ。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Friction/ˈfrɪkʃn/ 摩擦力
    Kinetic friction/kɪˈnetɪk ˈfrɪkʃn/ 動摩擦
    Static friction/ˈstætɪk ˈfrɪkʃn/ 静摩擦力
    normal force/ˈnɔːml fɔːs/ 抗力(支持力)
    coefficient of friction/ˌkəʊɪˈfɪʃənt ɒv ˈfrɪkʃn/ 摩擦係数
    2.8

    Spring Forces

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 2.8.A: Describe the force exerted on an object by an ideal spring

    • 2.8.A.1 An ideal spring has negligible mass and exerts a force that is proportional to the change in its length as measured from its relaxed length.
    • 2.8.A.2 The magnitude of the force exerted by an ideal spring on an object is given by Hooke's law:
      • Equation: $\vec{F}_s = -k\Delta\vec{x}$
    • 2.8.A.3 The force exerted on an object by a spring is always directed toward the equilibrium position of the object–spring system.
    日本語

    学習目標 2.8.A: 理想スプリングが物体に作用する力を説明する。

    • 2.8.A.1 理想スプリングは質量を無視でき、その長さが緩めた状態からの延長量に比例した力を作用させる。
    • 2.8.A.2 理想スプリングが物体に作用する力の大きさはフークの法則で与えられる:
      • 式: $\vec{F}_s = -k\Delta\vec{x}$
    • 2.8.A.3 スプリングが物体に作用する力は、常に物体-スプリング系の平衡位置に向かう。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English
    Hooke's law & the elastic limit

    An ideal spring exerts a restoring force 回复力 proportional to its stretch or compression – Hooke's law 胡克定律:

    $$F_s=-kx,$$
    where $k$ is the spring constant 弹簧常数 (stiffness) and $x$ is the displacement from the spring's natural length. The minus sign means the force points back toward equilibrium.

    Worked example. A spring with $k=200\ \text{N/m}$ hangs vertically and a $0.50\ \text{kg}$ mass is hung on it. How far does it stretch at rest? At rest the spring force balances the weight, $kx=mg$, so

    $$x=\frac{mg}{k}=\frac{0.50\times9.8}{200}=0.025\ \text{m}=2.5\ \text{cm}.$$

    日本語
    Hooke's law & the elastic limit

    An ideal spring exerts a restoring force 回复力 proportional to its stretch or compression – Hooke's law 胡克定律:

    $$F_s=-kx,$$
    where $k$ is the spring constant 弹簧常数 (stiffness) and $x$ is the displacement from the spring's natural length. The minus sign means the force points back toward equilibrium.

    Hooke's law: extension is proportional to load up to the limit of proportionality
    Hooke's law: extension is proportional to load up to the limit of proportionality

    Worked example. A spring with $k=200\ \text{N/m}$ hangs vertically and a $0.50\ \text{kg}$ mass is hung on it. How far does it stretch at rest? At rest the spring force balances the weight, $kx=mg$, so

    $$x=\frac{mg}{k}=\frac{0.50\times9.8}{200}=0.025\ \text{m}=2.5\ \text{cm}.$$

    Explore · ⁨探索⁩

    Stretch a spring (Hooke's law) · ⁨バネを伸ばす(フックの法則)⁩

    A spring's force is proportional to its extension, $F=kx$ (Hooke's law). Pull harder and the extension grows in step — until the spring's limit. · ⁨バネの力は伸びに比例し、$F=kx$ (フックの法則)。強く引っ張ると伸びも按比例に増加する——バネの限度に達するまで。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    restoring force/rɪˈstɔːrɪŋ fɔːs/ 復元力
    Hooke's law/hʊks lɔː/ フックの法則
    spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ バネ定数
    2.9

    Circular Motion

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 2.9.A: Describe the motion of an object traveling in a circular path.

    • 2.9.A.1 Centripetal acceleration is the component of an object's acceleration directed toward the center of the object's circular path.
      • 2.9.A.1.i The magnitude of centripetal acceleration for an object moving in a circular path is the ratio of the object's tangential speed squared to the radius of the circular path.
        • Equation: $a_c = \dfrac{v^2}{r}$
      • 2.9.A.1.ii Centripetal acceleration is directed toward the center of an object's circular path.
    • 2.9.A.2 Centripetal acceleration can result from a single force, more than one force, or components of forces exerted on an object in circular motion.
      • 2.9.A.2.i At the top of a vertical, circular loop, an object requires a minimum speed to maintain circular motion. At this point, and with this minimum speed, the gravitational force is the only force that causes the centripetal acceleration.
        • Equation: $v = \sqrt{gr}$
      • 2.9.A.2.ii Components of the static friction force and the normal force can contribute to the net force producing centripetal acceleration of an object traveling in a circle on a banked surface.
      • 2.9.A.2.iii A component of tension contributes to the net force producing centripetal acceleration experienced by a conical pendulum.
    • 2.9.A.3 Tangential acceleration is the rate at which an object's speed changes and is directed tangent to the object's circular path.
    • 2.9.A.4 The net acceleration of an object moving in a circle is the vector sum of the centripetal acceleration and tangential acceleration.
    • 2.9.A.5 The revolution of an object traveling in a circular path at a constant speed (uniform circular motion) can be described using period and frequency.
      • 2.9.A.5.i The time to complete one full circular path, one full rotation, or a full cycle of oscillatory motion is defined as period, $T$.
      • 2.9.A.5.ii The rate at which an object is completing revolutions is defined as frequency, $f$.
        • Equation: $T = \dfrac{1}{f}$
      • 2.9.A.5.iii For an object traveling at a constant speed in a circular path, the period is given by the derived equation
        • Equation: $T = \dfrac{2\pi r}{v}$

    Learning Objective 2.9.B: Describe circular orbits using Kepler's third law.

    • 2.9.B.1 For a satellite in circular orbit around a central body, the satellite's centripetal acceleration is caused only by gravitational attraction. The period and radius of the circular orbit are related to the mass of the central body.
      • Equation: $T^2 = \dfrac{4\pi^2}{GM} R^3$

    Boundary statement: AP Physics 1 only expects students to quantitatively analyze banked curves in which no friction is required to maintain uniform circular motion. Analysis of situations in which friction is required on a banked curve is limited to qualitative descriptions.

    Boundary statement: AP Physics 1 does not expect students to know Kepler's first or second laws of planetary motion.

    日本語

    学習目標 2.9.A: 円軌道上を移動する物体の運動を説明する。

    • 2.9.A.1 向心加速度とは、物体の加速度のうち、円軌道の中心に向かう成分である。
      • 2.9.A.1.i 円軌道を進む物体の遠心加速度の大きさは、物体の接線速度の二乗を円軌道の半径で割った比です。
        • 数式: $a_c = \dfrac{v^2}{r}$
      • 2.9.A.1.ii 向心加速度は、物体の円軌道の中心に向かう。
    • 2.9.A.2 向心加速度は、単一の力、複数の力、あるいは円運動中の物体に作用する力の成分によって生じることがある。
      • 2.9.A.2.i 垂直な円ループの最上部において、物体が円運動を維持するためには最小速度が必要である。この地点かつこの最小速度において、重力だけが向心加速度を生じる唯一の力となる。
        • 数式: $v = \sqrt{gr}$
      • 2.9.A.2.ii 傾斜面の上を円運動する物体の向心加速度を生じる合力には、静摩擦力の成分と垂直抗力の成分が寄与することがある。
      • 2.9.A.2.iii 錘振り(コニカルペンデュラム)が受ける向心加速度を生じる合力には、張力の成分が寄与する。
    • 2.9.A.3 接線加速度とは、物体の速度が変わる速さであり、物体の円軌道に沿って接線方向に向かう。
    • 2.9.A.4 円運動をする物体の合力加速度は、向心加速度と接線加速度のベクトル和である。
    • 2.9.A.5 一定の速さで円軌道を動く物体(等速円運動)の回転は、周期と周波数を用いて記述できる。
      • 2.9.A.5.i 一周期分の円軌道、すなわち完全回転や振動運動の全サイクルを完了するために要する時間は「周期」と定義され、$T$です。
      • 2.9.A.5.ii 単位時間あたりの回転数を完成させる速さを周波数 $f$ と定義する。
        • 数式: $T = \dfrac{1}{f}$
      • 2.9.A.5.iii 一定の速さで円軌道を動く物体について、周期は導出された式で与えられる
        • 数式: $T = \dfrac{2\pi r}{v}$

    学習目標 2.9.B: ケプラーの第三法則を用いて円軌道を説明する。

    • 2.9.B.1 中心天体の回りを円軌道で公転する衛星について、卫星の向心加速度は重力の引力のみによって生じる。円軌道の周期と半径は、中心天体の質量と関係している。
      • 式: $T^2 = \dfrac{4\pi^2}{GM} R^3$

    境界文: AP Physics 1では、学生が定量的に解析するのは摩擦なしで等速円運動を維持できる傾斜曲線のみである。傾斜曲線上で摩擦が必要な状況の解析は、定性的な説明に限定されている。

    範囲の声明: AP Physics 1では、学生がケプラーの惑星運動の第一法則または第二法則を知っていることを期待しない。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English
    Uniform circular motion

    An object moving in a circle at constant speed still accelerates, because its velocity direction keeps changing. This centripetal acceleration 向心加速度 points toward the center:

    $$a_c=\frac{v^2}{r}.$$
    It is produced by a net inward (centripetal) force 向心力 $F_c=\dfrac{mv^2}{r}$ – supplied by whatever real force points inward (tension, gravity, friction, normal). The time for one full revolution is the period 周期 $T$, and the number of revolutions per second is the frequency 频率 $f$; they are reciprocals, $f = 1/T$, and the same definitions describe any rotation or oscillation.There is no separate outward force; "centrifugal" is only an apparent effect.

    Worked example. A $0.30\ \text{kg}$ ball on a string is whirled in a horizontal circle of radius $0.80\ \text{m}$ at $4.0\ \text{m/s}$. Find the tension in the string. The tension supplies the whole centripetal force:

    $$T=\frac{mv^2}{r}=\frac{0.30\times4.0^2}{0.80}=6.0\ \text{N}.$$
    If the string can take at most $6.0\ \text{N}$, this is the fastest the ball can go at that radius – spin any faster and the string breaks.

    日本語
    Uniform circular motion

    An object moving in a circle at constant speed still accelerates, because its velocity direction keeps changing. This centripetal acceleration 向心加速度 points toward the center:

    $$a_c=\frac{v^2}{r}.$$
    It is produced by a net inward (centripetal) force 向心力 $F_c=\dfrac{mv^2}{r}$ – supplied by whatever real force points inward (tension, gravity, friction, normal). The time for one full revolution is the period 周期 $T$, and the number of revolutions per second is the frequency 频率 $f$; they are reciprocals, $f = 1/T$, and the same definitions describe any rotation or oscillation.There is no separate outward force; "centrifugal" is only an apparent effect.

    The velocity points along the tangent; the centripetal force and acceleration point to the centre
    The velocity points along the tangent; the centripetal force and acceleration point to the centre

    Worked example. A $0.30\ \text{kg}$ ball on a string is whirled in a horizontal circle of radius $0.80\ \text{m}$ at $4.0\ \text{m/s}$. Find the tension in the string. The tension supplies the whole centripetal force:

    $$T=\frac{mv^2}{r}=\frac{0.30\times4.0^2}{0.80}=6.0\ \text{N}.$$
    If the string can take at most $6.0\ \text{N}$, this is the fastest the ball can go at that radius – spin any faster and the string breaks.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    centripetal acceleration/senˈtrɪpɪtl əkˌseləˈreɪʃn/ 向心加速度
    net inward (centripetal) force/net ˈɪnwəd fɔːs/ 内向合力(遠心力)
    period/ˈpɪərɪəd/ 周期の変化率である
    frequency/ˈfriːkwənsi/ 振動数
    2.9

    Exam tips

    • Always draw a free-body diagram first: only real forces on the chosen object (weight, normal, tension, friction, applied) — never an "$ma$" arrow.
    • Apply $\sum F = ma$ one axis at a time; on an incline resolve gravity into $mg\sin\theta$ (along) and $mg\cos\theta$ (perpendicular).
    • A Newton's third-law pair acts on two different objects — a book's weight and the table's normal force are not a pair (both act on the book).
    • Static friction adjusts up to $\mu_s N$ (use it to test whether motion starts); once sliding, use kinetic friction $f_k=\mu_k N$.
    • Circular motion needs a net inward (centripetal) force $mv^2/r$ supplied by a real force — there is no outward "centrifugal" force.
  • 3

    Work, Energy, and Power · ⁨仕事、エネルギー、および電力⁩

    Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
    3.1

    Translational Kinetic Energy

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 3.1.A: Describe the translational kinetic energy of an object in terms of the object's mass and velocity.

    • 3.1.A.1 An object's translational kinetic energy is given by the equation
      • Equation: $K = \dfrac{1}{2}mv^2$
    • 3.1.A.2 Translational kinetic energy is a scalar quantity.
    • 3.1.A.3 Different observers may measure different values of the translational kinetic energy of an object, depending on the observer's frame of reference.
    日本語

    学習目標 3.1.A: 物体の質量および速度を用いて、物体の並進運動エネルギーを説明せよ。

    • 3.1.A.1 物体の並進運動エネルギーは次の式で与えられる。
      • 式: $K = \dfrac{1}{2}mv^2$
    • 3.1.A.2 並進運動エネルギーはスカラー量である。
    • 3.1.A.3 観測者の参照系により異なり、異なる観測者が同一の物体の並進運動エネルギーの値を測定することがある。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Energy 能量 is the capacity to do work, measured in joules 焦耳 (J). A moving object has kinetic energy 动能:

    $$K=\tfrac{1}{2}mv^2.$$
    It depends on the square of the speed, so doubling the speed quadruples the kinetic energy. Kinetic energy is a scalar and is never negative.

    Worked example. A $1500\ \text{kg}$ car travels at $20\ \text{m/s}$. Its kinetic energy is $K=\tfrac12\times1500\times20^2=3.0\times10^{5}\ \text{J}=300\ \text{kJ}$. If it speeds up to $40\ \text{m/s}$ (double), the kinetic energy becomes $4\times$ larger, $1200\ \text{kJ}$ – which is why stopping distance grows so fast with speed.

    日本語

    Energy 能量 is the capacity to do work, measured in joules 焦耳 (J). A moving object has kinetic energy 动能:

    $$K=\tfrac{1}{2}mv^2.$$
    It depends on the square of the speed, so doubling the speed quadruples the kinetic energy. Kinetic energy is a scalar and is never negative.

    Worked example. A $1500\ \text{kg}$ car travels at $20\ \text{m/s}$. Its kinetic energy is $K=\tfrac12\times1500\times20^2=3.0\times10^{5}\ \text{J}=300\ \text{kJ}$. If it speeds up to $40\ \text{m/s}$ (double), the kinetic energy becomes $4\times$ larger, $1200\ \text{kJ}$ – which is why stopping distance grows so fast with speed.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Energy/ˈenədʒi/ エネルギー
    joules/dʒuːlz/ ジュール
    kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 運動エネルギー
    3.2

    Work

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 3.2.A: Describe the work done on an object or system by a given force or collection of forces.

    • 3.2.A.1 Work is the amount of energy transferred into or out of a system by a force exerted on that system over a distance.
      • 3.2.A.1.i The work done by a conservative force exerted on a system is path-independent and only depends on the initial and final configurations of that system.
      • 3.2.A.1.ii The work done by a conservative force on a system—or the change in the potential energy of the system—will be zero if the system returns to its initial configuration.
      • 3.2.A.1.iii Potential energies are associated only with conservative forces.
      • 3.2.A.1.iv The work done by a nonconservative force is path-dependent.
      • 3.2.A.1.v Examples of nonconservative forces are friction and air resistance.
    • 3.2.A.2 Work is a scalar quantity that may be positive, negative, or zero.
    • 3.2.A.3 The amount of work done on a system by a constant force is related to the components of that force and the displacement of the point at which that force is exerted.
      • 3.2.A.3.i Only the component of the force exerted on a system that is parallel to the displacement of the point of application of the force will change the system's total energy.
        • Equation: $W = F_{\parallel}d = Fd\cos\theta$
      • 3.2.A.3.ii The component of the force exerted on a system perpendicular to the direction of the displacement of the system's center of mass can change the direction of the system's motion without changing the system's kinetic energy.
    • 3.2.A.4 The work-energy theorem states that the change in an object's kinetic energy is equal to the sum of the work (net work) being done by all forces exerted on the object.
      • Equation: $\Delta K = \sum_{i} W_i = \sum_{i} F_{\parallel,i}\,d$
      • 3.2.A.4.i An external force may change the configuration of a system. The component of the external force parallel to the displacement times the displacement of the point of application of the force gives the change in kinetic energy of the system.
      • 3.2.A.4.ii If the system's center of mass and the point of application of the force move the same distance when a force is exerted on a system, then the system may be modeled as an object, and only the system's kinetic energy can change.
      • 3.2.A.4.iii The energy dissipated by friction is typically equated to the force of friction times the length of the path over which the force is exerted
        • Equation: $\Delta E_{\text{mech}} = F_f\,d\cos\theta$
    • 3.2.A.5 Work is equal to the area under the curve of a graph of $F_{\parallel}$ as a function of displacement.

    Boundary statement: AP Physics 1 only expects students to analyze the transfer of mechanical energy (as defined in Unit 3, Topic 4: Conservation of Energy), although students should be aware that mechanical energy may be dissipated in the form of thermal energy or sound. In AP Physics 2, students will also study how thermal energy can be transferred between systems through heating or cooling.

    日本語

    学習目標 3.2.A: 特定の力または力の集合によって物体や系になされた仕事を説明せよ。

    • 3.2.A.1 仕事とは、その系に作用する力がその系に対して距離分行うことによる、系への流入あるいは流出するエネルギーの量である。
      • 3.2.A.1.i 系に作用する保存力の仕事は経路に依存せず、その系の初期状態と最終状態のみで決まる。
      • 3.2.A.1.ii 保存力が系になす仕事、あるいは系のポテンシャルエネルギーの変化は、系が初期状態に戻れば零となる。
      • 3.2.A.1.iii ポテンシャルエネルギーは保存力とのみ関連する。
      • 3.2.A.1.iv 非保存力の仕事は経路に依存する。
      • 3.2.A.1.v 非保存力の例として、摩擦および空気抵抗がある。
    • 3.2.A.2 仕事は正、負、または零になり得るスカラー量である。
    • 3.2.A.3 一定の力によって系になされた仕事の量は、その力の成分およびその力が作用する点の変位に関係する。
      • 3.2.A.3.i 系に作用する力の中で、変位の方向と平行な成分のみが系の総エネルギーを変化させる。
        • 数式: $W = F_{\parallel}d = Fd\cos\theta$
      • 3.2.A.3.ii 系の重心の変位方向に垂直な系の中心に作用する力の成分は、系の運動エネルギーを変化させずに運動方向を変えることができる。
    • 3.2.A.4 仕事-エネルギーの定理は、物体の運動エネルギーの変化は物体に作用するすべての力によってなされる仕事(合力の仕事)の総和に等しいと述べる。
      • 式: $\Delta K = \sum_{i} W_i = \sum_{i} F_{\parallel,i}\,d$
      • 3.2.A.4.i 外力は系の配置を変化させることがある。外力の変位方向の平行成分と変位の積は、系の運動エネルギーの変化を与える。
      • 3.2.A.4.ii 系の重心と力の作用点が、系に力が作用した際に同じだけ移動する場合、その系は物体としてモデル化でき、系の運動エネルギーのみが変化しうる。
      • 3.2.A.4.iii 摩擦によって散逸するエネルギーは通常、摩擦力と力が作用する経路の長さの積に等しいとみなされる。
        • 数式: $\Delta E_{\text{mech}} = F_f\,d\cos\theta$
    • 3.2.A.5 仕事は、$F_{\parallel}$を変位に対してプロットしたグラフの曲線下の面積に等しい。

    範囲の声明: AP Physics 1では、学生が第3単元第4トピック「エネルギー保存」で定義された機械的エネルギーの移転のみを解析することを期待している。ただし、学生には機械的エネルギーが熱エネルギーや音として散逸しうることも知っておくべきである。AP Physics 2では、学生はさらに、熱エネルギーが加熱または冷却によって系間で移転する仕組みも学ぶ。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Work 功 is energy transferred by a force acting over a displacement:

    $$W=F\,d\cos\theta,$$
    where $\theta$ is the angle between the force and the displacement. Work is positive when the force has a component along the motion (adds energy), negative when it opposes the motion (removes energy), and zero when the force is perpendicular. On a force–position graph, work is the area under the curve. The work–energy theorem 动能定理 states that the net work equals the change in kinetic energy: $W_{\text{net}}=\Delta K$.

    Worked example. A $2.0\ \text{kg}$ block moving at $3.0\ \text{m/s}$ on a frictionless floor is pushed by a $5.0\ \text{N}$ force over $4.0\ \text{m}$ in the direction of motion. Find its final speed. The net work is $W=Fd=5.0\times4.0=20\ \text{J}$, and by the work–energy theorem $W=\tfrac12 m(v^2-v_0^2)$:

    $$20=\tfrac12\times2.0\times(v^2-3.0^2)\;\Rightarrow\;v^2=29\;\Rightarrow\;v=5.4\ \text{m/s}.$$

    日本語

    Work 功 is energy transferred by a force acting over a displacement:

    $$W=F\,d\cos\theta,$$
    where $\theta$ is the angle between the force and the displacement. Work is positive when the force has a component along the motion (adds energy), negative when it opposes the motion (removes energy), and zero when the force is perpendicular. On a force–position graph, work is the area under the curve. The work–energy theorem 动能定理 states that the net work equals the change in kinetic energy: $W_{\text{net}}=\Delta K$.

    Only the force component along the displacement does work
    Only the force component along the displacement does work

    Worked example. A $2.0\ \text{kg}$ block moving at $3.0\ \text{m/s}$ on a frictionless floor is pushed by a $5.0\ \text{N}$ force over $4.0\ \text{m}$ in the direction of motion. Find its final speed. The net work is $W=Fd=5.0\times4.0=20\ \text{J}$, and by the work–energy theorem $W=\tfrac12 m(v^2-v_0^2)$:

    $$20=\tfrac12\times2.0\times(v^2-3.0^2)\;\Rightarrow\;v^2=29\;\Rightarrow\;v=5.4\ \text{m/s}.$$

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Work/wɜːk/ 仕事
    work–energy theorem/wɜːk ˈenədʒi ˈθɪərəm/ 仕事-エネルギーの定理
    3.3

    Potential Energy

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 3.3.A: Describe the potential energy of a system.

    • 3.3.A.1 A system composed of two or more objects has potential energy if the objects within that system only interact with each other through conservative forces.
    • 3.3.A.2 Potential energy is a scalar quantity associated with the position of objects within a system.
    • 3.3.A.3 The definition of zero potential energy for a given system is a decision made by the observer considering the situation to simplify or otherwise assist in analysis.
    • 3.3.A.4 The potential energy of common physical systems can be described using the physical properties of that system.
      • 3.3.A.4.i The elastic potential energy of an ideal spring is given by the following equation, where $\Delta x$ is the distance the spring has been stretched or compressed from its equilibrium length.
        • Equation: $U_s = \dfrac{1}{2}k(\Delta x)^2$
      • 3.3.A.4.ii The general form for the gravitational potential energy of a system consisting of two approximately spherical distributions of mass (e.g., moons, planets or stars) is given by the equation
        • Equation: $U_g = -G\dfrac{m_1 m_2}{r}$
      • 3.3.A.4.iii Because the gravitational field near the surface of a planet is nearly constant, the change in gravitational potential energy in a system consisting of an object with mass $m$ and a planet with gravitational field of magnitude $g$ when the object is near the surface of the planet may be approximated by the equation
        • Equation: $\Delta U_g = mg\Delta y$
    • 3.3.A.5 The total potential energy of a system containing more than two objects is the sum of the potential energy of each pair of objects within the system.
    日本語

    学習目標 3.3.A: 系のポテンシャルエネルギーを説明せよ。

    • 3.3.A.1 2つ以上の物体からなる系において、その系の物体同士が保存力のみで相互作用する場合、その系はポテンシャルエネルギーを持つ。
    • 3.3.A.2 ポテンシャルエネルギーは、系の内の物体の位置に関連するスカラー量である。
    • 3.3.A.3 特定の系に対するポテンシャルエネルギーのゼロ点の定義は、状況を簡素化したり分析を支援するために観測者によって決定される。
    • 3.3.A.4 一般的な物理系のポテンシャルエネルギーは、その系の物理的特性を用いて記述できる。
      • 3.3.A.4.i 理想ばねの弾性ポテンシャルエネルギーは次の式で与えられ、ここで$\Delta x$はばねが平衡位置からの伸びまたは縮みの距離である。
        • 数式: $U_s = \dfrac{1}{2}k(\Delta x)^2$
      • 3.3.A.4.ii ほぼ球形な質量分布(例えば衛星、惑星、または恒星)からなる系の重力ポテンシャルエネルギーの一般形は次の式で与えられる。
        • 数式: $U_g = -G\dfrac{m_1 m_2}{r}$
      • 3.3.A.4.iii 惑星表面付近の重力場はほぼ一定であるため、質量$m$の物体と重力場の大きさが$g$の惑星からなる系において、物体が惑星表面付近にある場合の重力ポテンシャルエネルギーの変化は、次の式で近似できる。
        • 数式: $\Delta U_g = mg\Delta y$
    • 3.3.A.5 2つ以上の物体を含む系の全ポテンシャルエネルギーは、系内の各物体の対ごとのポテンシャルエネルギーの総和である。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Potential energy 势能 is stored energy that depends on position or configuration:

    • Gravitational potential energy 重力势能 near the surface: $U_g=mgh$ (height $h$ above a reference level).
    • Elastic potential energy 弹性势能 in a spring: $U_s=\tfrac{1}{2}kx^2$.

    Potential energy is defined only for conservative forces 保守力 (gravity, springs), for which the stored energy depends on position, not path. Only changes in potential energy matter, so you may put the zero level wherever is convenient.

    The $U_g=mgh$ form only holds near a surface where $g$ is roughly constant. The general form, for two spherical masses a distance $r$ apart, is

    $$U_g=-\frac{G m_1 m_2}{r}.$$
    It is negative and defined to be zero at infinite separation, so gravitational PE rises toward zero as the masses move apart. $mgh$ is simply its near-surface approximation. (This is the form you need for satellites and escape speed.)

    日本語

    Potential energy 势能 is stored energy that depends on position or configuration:

    • Gravitational potential energy 重力势能 near the surface: $U_g=mgh$ (height $h$ above a reference level).
    • Elastic potential energy 弹性势能 in a spring: $U_s=\tfrac{1}{2}kx^2$.

    Potential energy is defined only for conservative forces 保守力 (gravity, springs), for which the stored energy depends on position, not path. Only changes in potential energy matter, so you may put the zero level wherever is convenient.

    The $U_g=mgh$ form only holds near a surface where $g$ is roughly constant. The general form, for two spherical masses a distance $r$ apart, is

    $$U_g=-\frac{G m_1 m_2}{r}.$$
    It is negative and defined to be zero at infinite separation, so gravitational PE rises toward zero as the masses move apart. $mgh$ is simply its near-surface approximation. (This is the form you need for satellites and escape speed.)

    Explore · ⁨探索⁩

    Store elastic potential energy in a spring · ⁨バネに弾性位置エネルギーを蓄える⁩

    Stretching a spring stores elastic potential energy $\tfrac12 kx^2$ — the area under the force-extension line. Release it and that energy becomes kinetic. · ⁨スプリングを伸ばすと弾性ポテンシャルエネルギー $\tfrac12 kx^2$ — 力-伸長曲線下面的積 — が蓄えられます。解放するとそのエネルギーは運動エネルギーに変化します。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Potential energy/pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 位置エネルギー
    Gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 重力ポテンシャルエネルギー
    Elastic potential energy/ɪˈlæstɪk pəˈtenʃl ˈenədʒi/ 弾性ポテンシャルエネルギー
    conservative forces/kənˈsɜːvətɪv ˈfɔːsɪz/ 保存力
    3.4

    Conservation of Energy

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 3.4.A: Describe the energies present in a system.

    • 3.4.A.1 A system composed of only a single object can only have kinetic energy.
    • 3.4.A.2 A system that contains objects that interact via conservative forces or that can change its shape reversibly may have both kinetic and potential energies.

    Learning Objective 3.4.B: Describe the behavior of a system using conservation of mechanical energy principles.

    • 3.4.B.1 Mechanical energy is the sum of a system's kinetic and potential energies.
    • 3.4.B.2 Any change to a type of energy within a system must be balanced by an equivalent change of other types of energies within the system or by a transfer of energy between the system and its surroundings.
    • 3.4.B.3 A system may be selected so that the total energy of that system is constant.
    • 3.4.B.4 If the total energy of a system changes, that change will be equivalent to the energy transferred into or out of the system.

    Learning Objective 3.4.C: Describe how the selection of a system determines whether the energy of that system changes.

    • 3.4.C.1 Energy is conserved in all interactions.
    • 3.4.C.2 If the work done on a selected system is zero and there are no nonconservative interactions within the system, the total mechanical energy of the system is constant.
    • 3.4.C.3 If the work done on a selected system is nonzero, energy is transferred between the system and the environment.

    Boundary statement: AP Physics 1 expects students to know that mechanical energy can be dissipated as thermal energy or sound by nonconservative forces.

    日本語

    学習目標 3.4.A: 系に含まれるエネルギーを説明せよ。

    • 3.4.A.1 単一の物体のみからなる系は、運動エネルギーのみを持つことができる。
    • 3.4.A.2 保存力によって相互作用する物体を含む系、または形状を可逆的に変化させうる系は、運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの両方を持つことがある。

    学習目標 3.4.B: 機械的エネルギー保存の原理を用いて、系の挙動を説明せよ。

    • 3.4.B.1 力学的エネルギーは、系の運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの和である。
    • 3.4.B.2 系内のある種的能量の変化に対しては、その変化分が等しい他の種的能量の変化によって相殺されるか、または系と環境との間でエネルギーが移動する必要がある。
    • 3.4.B.3 系の全エネルギーが一定となるような系を選択することができる。
    • 3.4.B.4 系の全エネルギーに変化が生じた場合、その変化量は系へ入ったエネルギーまたは系から出たエネルギーに等しい。

    学習目標 3.4.C: 系を選択することが、その系のエネルギーを変化させるかどうかを決定する方法を説明せよ。

    • 3.4.C.1 相互作用においてエネルギーは常に保存される。
    • 3.4.C.2 選択した系に対する仕事量がゼロであり、かつ系内に非保存的相互作用が存在しない場合、系の全力学的エネルギーは一定である。
    • 3.4.C.3 選択した系に対する仕事量がゼロでない場合、系と環境の間でエネルギーが移動する。

    境界文: AP Physics 1では、学生は非保存的な力によって力学的エネルギーが熱エネルギーや音として散逸することを理解していることが期待されている。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English
    Energy conservation: KE ⇄ PE

    The total mechanical energy 机械能 is $E=K+U$. When only conservative forces do work, mechanical energy is conserved 守恒:

    $$K_1+U_1=K_2+U_2.$$
    When friction or other non-conservative forces act, they transfer mechanical energy to thermal energy 热能; then the general statement is that total energy (including thermal) is conserved. Energy bar charts are a good way to track where the energy goes.

    Worked example. A ball is released from rest at the top of a frictionless ramp $5.0\ \text{m}$ high. Find its speed at the bottom. All the gravitational potential energy becomes kinetic energy:

    $$mgh=\tfrac12 mv^2\;\Rightarrow\;v=\sqrt{2gh}=\sqrt{2\times9.8\times5.0}=9.9\ \text{m/s}.$$
    The mass cancels, so every object reaches the same speed – exactly the free-fall result, now got from energy. If instead $30\ \text{J}$ were lost to friction, you would subtract it: $mgh-30=\tfrac12 mv^2$.

    日本語
    Energy conservation: KE ⇄ PE
    A roller coaster with tall loops of green and red track against the sky
    A roller coaster trades energy back and forth: it is highest (most potential energy) at the top and fastest (most kinetic energy) at the bottom

    The total mechanical energy 机械能 is $E=K+U$. When only conservative forces do work, mechanical energy is conserved 守恒:

    $$K_1+U_1=K_2+U_2.$$
    When friction or other non-conservative forces act, they transfer mechanical energy to thermal energy 热能; then the general statement is that total energy (including thermal) is conserved. Energy bar charts are a good way to track where the energy goes.

    A swinging pendulum trades gravitational potential energy for kinetic energy and back
    A swinging pendulum trades gravitational potential energy for kinetic energy and back

    Worked example. A ball is released from rest at the top of a frictionless ramp $5.0\ \text{m}$ high. Find its speed at the bottom. All the gravitational potential energy becomes kinetic energy:

    $$mgh=\tfrac12 mv^2\;\Rightarrow\;v=\sqrt{2gh}=\sqrt{2\times9.8\times5.0}=9.9\ \text{m/s}.$$
    The mass cancels, so every object reaches the same speed – exactly the free-fall result, now got from energy. If instead $30\ \text{J}$ were lost to friction, you would subtract it: $mgh-30=\tfrac12 mv^2$.

    Explore · ⁨探索⁩

    Watch energy convert as an object falls · ⁨物体が落下する際のエネルギー変換を観察する⁩

    With no friction, mechanical energy is conserved: as an object falls, gravitational potential energy turns into kinetic energy while the total stays fixed. · ⁨摩擦がない場合、力学的エネルギーは保存される: 物体が落下する際、重力の位置エネルギーは運動エネルギーに変換され、合計は一定に保たれる。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    total mechanical energy/ˈtəʊtl mɪˈkænɪkl ˈenədʒi/ 全機械的エネルギー
    conserved/kənˈsɜːvd/ 保存されている
    thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ 熱エネルギーに変換する
    3.5

    Power

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 3.5.A: Describe the transfer of energy into, out of, or within a system in terms of power.

    • 3.5.A.1 Power is the rate at which energy changes with respect to time, either by transfer into or out of a system or by conversion from one type to another within a system.
    • 3.5.A.2 Average power is the amount of energy being transferred or converted, divided by the time it took for that transfer or conversion to occur.
      • Equation: $P_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}$
    • 3.5.A.3 Because work is the change in energy of an object or system due to a force, average power is the total work done, divided by the time during which that work was done.
      • Equation: $P_{\text{avg}} = \dfrac{W}{\Delta t}$
    • 3.5.A.4 The instantaneous power delivered to an object by the component of a constant force parallel to the object's velocity can be described with the derived equation.
      • Equation: $P_{\text{inst}} = F_{\parallel}v = Fv\cos\theta$
    日本語

    学習目標 3.5.A: パワーを用いて、系へのエネルギーの流入、流出、あるいは系内での移動を説明せよ。

    • 3.5.A.1 パワーとは、系へのエネルギーの流入・流出、あるいは系内でのエネルギーの変換に伴う時間あたりのエネルギーの変化率である。
    • 3.5.A.2 平均パワーとは、移動または変換されたエネルギーの量を、その移動または変換に要した時間で割った値である。
      • 式: $P_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}$
    • 3.5.A.3 力は物体や系のエネルギーの変化量であるため、平均パワーは行われた総仕事を、その仕事が行われた時間で割った値である。
      • 式: $P_{\text{avg}} = \dfrac{W}{\Delta t}$
    • 3.5.A.4 一定の力が物体の速度成分に平行な方向に作用する場合、その物体への瞬時パワーは導出された式で表すことができる。
      • 式: $P_{\text{inst}} = F_{\parallel}v = Fv\cos\theta$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Power 功率 is the rate of doing work or transferring energy, measured in watts 瓦特 (W):

    $$P=\frac{W}{\Delta t}=\frac{\Delta E}{\Delta t},\qquad\text{and instantaneously}\qquad P=Fv.$$
    So the same job done faster requires more power. On an energy–time graph, power is the slope.

    Worked example. A motor lifts a $50\ \text{kg}$ load at a steady $2.0\ \text{m/s}$. Because it moves at constant speed, the lifting force equals the weight, so

    $$P=Fv=mgv=50\times9.8\times2.0=980\ \text{W}.$$

    Real machines waste some energy, so we quote efficiency 效率 – useful output power divided by total input power. If this motor draws $1400\ \text{W}$ of electrical power to deliver $980\ \text{W}$ of useful lifting, its efficiency is $980/1400=0.70$, or $70\%$; the other $30\%$ becomes heat and sound.

    日本語

    Power 功率 is the rate of doing work or transferring energy, measured in watts 瓦特 (W):

    $$P=\frac{W}{\Delta t}=\frac{\Delta E}{\Delta t},\qquad\text{and instantaneously}\qquad P=Fv.$$
    So the same job done faster requires more power. On an energy–time graph, power is the slope.

    Power is the slope of the work-time graph: the same work in less time means more power
    Power is the slope of the work-time graph: the same work in less time means more power

    Worked example. A motor lifts a $50\ \text{kg}$ load at a steady $2.0\ \text{m/s}$. Because it moves at constant speed, the lifting force equals the weight, so

    $$P=Fv=mgv=50\times9.8\times2.0=980\ \text{W}.$$

    Real machines waste some energy, so we quote efficiency 效率 – useful output power divided by total input power. If this motor draws $1400\ \text{W}$ of electrical power to deliver $980\ \text{W}$ of useful lifting, its efficiency is $980/1400=0.70$, or $70\%$; the other $30\%$ becomes heat and sound.

    A waterfall: power is how quickly energy is transferred — the same drop in less time is more power
    A waterfall: power is how quickly energy is transferred — the same drop in less time is more power
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Power/ˈpaʊə/ power
    watts/wɒts/ ワット
    efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ 効率
    3.5

    Exam tips

    • Use $W=Fd\cos\theta$: work is zero when the force is perpendicular to the motion, and negative when it opposes it.
    • Reach for the work–energy theorem ($W_{\text{net}}=\Delta K$) or energy conservation ($K_1+U_1=K_2+U_2$) instead of forces whenever the path is complicated.
    • When friction acts, mechanical energy is not conserved — subtract the energy lost to heat.
    • Remember $K\propto v^2$: doubling the speed quadruples the kinetic energy (and the stopping distance).
    • Use $P=Fv$ for power at a steady speed; at constant velocity the net force is zero but the power is not.
  • 4

    Linear Momentum · ⁨線形運動量⁩

    Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
    4.1

    Linear Momentum · ⁨直線運動量⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 4.1.A: Describe the linear momentum of an object or system.

    • 4.1.A.1 Linear momentum is defined by the equation $\vec{p} = m\vec{v}$.
      • Equation: $\vec{p} = m\vec{v}$
    • 4.1.A.2 Momentum is a vector quantity and has the same direction as the velocity.
    • 4.1.A.3 Momentum can be used to analyze collisions and explosions.
      • 4.1.A.3.i A collision is a model for an interaction where the forces exerted between the involved objects in the system are much larger than the net external force exerted on those objects during the interaction.
      • 4.1.A.3.ii As only the initial and final states of a collision are analyzed, the object model may be used to analyze collisions.
      • 4.1.A.3.iii An explosion is a model for an interaction in which forces internal to the system move objects within that system apart.

    Boundary statement: Unless otherwise stated, the general term "momentum" will refer specifically to linear momentum.

    日本語

    学習目標 4.1.A: 物体や系の線形運動量を説明せよ。

    • 4.1.A.1 線形運動量は方程式 $\vec{p} = m\vec{v}$ で定義される。
      • 式: $\vec{p} = m\vec{v}$
    • 4.1.A.2 運動量はベクトル量であり、速度と同じ方向を持つ。
    • 4.1.A.3 衝突や爆発の解析には運動量を使用できる。
      • 4.1.A.3.i 衝突とは、相互作用中に系内の対象物間に働く力が、その対象物に働く正味の外力よりもはるかに大きい相互作用のモデルである。
      • 4.1.A.3.ii 衝突の初期状態と最終状態のみを解析するため、質点モデルを用いて衝突を解析することができる。
      • 4.1.A.3.iii 爆発とは、系内部の力が系内の対象物を互いに離すように動かす相互作用のモデルである。

    境界文: 特記しない限り、一般的な用語「運動量」は「線形運動量」を指す。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Linear momentum 动量 is mass times velocity – a vector pointing the same way as the velocity:

    $$\vec{p}=m\vec{v}.$$
    It measures "how hard it is to stop" a moving object. A heavy slow truck and a light fast ball can have the same momentum. Its unit is $\text{kg m/s}$, the same as $\text{N s}$.

    日本語

    直線運動量は質量に速度を掛けたものであり、速度と同じ方向を向くベクトルである:

    $$\vec{p}=m\vec{v}.$$
    これは「動いている物体を止めるのがどれだけ難しいか」を表す指標である。重くて遅いトラックと軽くて速いボールは、同じ運動量を持つことができる。その単位は $\text{kg m/s}$ であり、これは $\text{N s}$ と同じである。

    4.2

    Change in Momentum and Impulse · ⁨運動量の変化とインパルス⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 4.2.A: Describe the impulse delivered to an object or system.

    • 4.2.A.1 The rate of change of momentum is equal to the net external force exerted on an object or system.
      • Equation: $\vec{F}_{\text{net}} = \dfrac{\Delta \vec{p}}{\Delta t}$
    • 4.2.A.2 Impulse is defined as the product of the average force exerted on a system and the time interval during which that force is exerted on the system.
      • Equation: $\vec{J} = \vec{F}_{\text{avg}} \Delta t$
    • 4.2.A.3 Impulse is a vector quantity and has the same direction as the net force exerted on the system.
    • 4.2.A.4 The impulse delivered to a system by a net external force is equal to the area under the curve of a graph of the net external force exerted on the system as a function of time.
    • 4.2.A.5 The net external force exerted on a system is equal to the slope of a graph of the momentum of the system as a function of time.

    Learning Objective 4.2.B: Describe the relationship between the impulse exerted on an object or a system and the change in momentum of the object or system.

    • 4.2.B.1 Change in momentum is the difference between a system's final momentum and its initial momentum.
      • Equation: $\Delta \vec{p} = \vec{p} - \vec{p}_0$
    • 4.2.B.2 The impulse–momentum theorem relates the impulse exerted on a system and the system's change in momentum.
      • Equation: $\vec{J} = \vec{F}_{\text{avg}} \Delta t = \Delta \vec{p}$
    • 4.2.B.3 Newton's second law of motion is a direct result of the impulse–momentum theorem applied to systems with constant mass.
      • Equation: $\vec{F}_{\text{net}} = \dfrac{\Delta \vec{p}}{\Delta t} = m\dfrac{\Delta \vec{v}}{\Delta t} = m\vec{a}$

    Boundary statement: AP Physics 1 does not require students to quantitatively analyze systems in which the mass of the system changes with respect to time.

    日本語

    学習目標 4.2.A: 物体や系に与えられたインパルスを説明せよ。

    • 4.2.A.1 運動量の時間変化率は、物体や系に働く正味の外力に等しい。
      • 式: $\vec{F}_{\text{net}} = \dfrac{\Delta \vec{p}}{\Delta t}$
    • 4.2.A.2 インパルスとは、系に働く平均力とその力が系に作用する時間の区間の積として定義される。
      • 式: $\vec{J} = \vec{F}_{\text{avg}} \Delta t$
    • 4.2.A.3 インパルスはベクトル量であり、系に働く正味の力と同じ方向を持つ。
    • 4.2.A.4 正味の外力による系へのインパルスは、正味の外力を横軸、時間を縦軸としたグラフの曲线下の面積に等しい。
    • 4.2.A.5 系に働く正味の外力は、運動量を横軸、時間を縦軸としたグラフの傾きに等しい。

    学習目標 4.2.B: 物体や系に与えられたインパルスと、その物体や系の運動量の変化との関係を説明せよ。

    • 4.2.B.1 運動量の変化とは、系の最終運動量から初期運動量を引いた差である。
      • 式: $\Delta \vec{p} = \vec{p} - \vec{p}_0$
    • 4.2.B.2 インパルス-運動量定理は、系に与えられたインパルスと系の変化運動量の関係を示す。
      • 式: $\vec{J} = \vec{F}_{\text{avg}} \Delta t = \Delta \vec{p}$
    • 4.2.B.3 ニュートンの第二法則は、インパルス-運動量定理を質量が一定の系に適用した結果である。
      • 式: $\vec{F}_{\text{net}} = \dfrac{\Delta \vec{p}}{\Delta t} = m\dfrac{\Delta \vec{v}}{\Delta t} = m\vec{a}$

    境界文: AP Physics 1では、質量が時間とともに変化する系に関する定量的な解析は学生に求められない。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    A net force acting over time changes momentum. The impulse 冲量 delivered is

    $$\vec{J}=\vec{F}\,\Delta t=\Delta\vec{p}.$$
    This is the impulse–momentum theorem: impulse equals the change in momentum. On a force–time graph, impulse is the area under the curve. It explains why airbags and follow-through help – spreading the same momentum change over a longer time reduces the force.

    Worked example. A $0.15\ \text{kg}$ ball hits a wall at $20\ \text{m/s}$ and bounces straight back at $15\ \text{m/s}$. The contact lasts $0.020\ \text{s}$. Find the average force on the ball. Take the rebound direction as positive, so $u=-20\ \text{m/s}$ and $v=+15\ \text{m/s}$:

    $$\Delta p=m(v-u)=0.15\big(15-(-20)\big)=5.25\ \text{kg m/s},\qquad F=\frac{\Delta p}{\Delta t}=\frac{5.25}{0.020}=260\ \text{N}.$$
    The sign work matters: forgetting that the velocity reverses is the most common mistake here.

    日本語

    時間にわたって作用する合力は運動量を変化させる。与えられるインパルスは

    $$\vec{J}=\vec{F}\,\Delta t=\Delta\vec{p}.$$
    これが インパルス-運動量定理 である:インパルスは運動量の増分に等しい。力-時間グラフにおいて、インパルスは曲線以下の面積である。エアバッグやフォロースルーが有効な理由もこれによって説明できる—同じ運動量の変化をより長い時間に分散させれば、力を小さくできる。

    インパルスは力-時間曲線以下の面積であり、平均力と接触時間の積に等しい
    インパルスは力-時間曲線の下の面積であり、平均力と接触時間の積に等しい

    ** worked example.** $0.15\ \text{kg}$ のボールが $20\ \text{m/s}$ の速度で壁に衝突し、真逆方向に $15\ \text{m/s}$ の速度で跳ね返る。接触時間は $0.020\ \text{s}$ である。ボールにかかる平均力を求めよ。跳ね返りの方向を正とするので、$u=-20\ \text{m/s}$ および $v=+15\ \text{m/s}$ :

    $$\Delta p=m(v-u)=0.15\big(15-(-20)\big)=5.25\ \text{kg m/s},\qquad F=\frac{\Delta p}{\Delta t}=\frac{5.25}{0.020}=260\ \text{N}.$$
    符号の扱いが重要である:速度が反転することを忘れるのが、ここで最もよく見られるミスである。

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Linear momentum/ˈlɪnɪə məʊˈmentəm/ 直線運動量
    impulse/ˈɪmpʌls/ lv ra
    conserved/kənˈsɜːvd/ 保存されている
    collisions/kəˈlɪʒnz/ 衝突
    center-of-mass velocity/ˈsentə ɒv mæs vəˈlɒsɪti/ 重心速度
    elastic collision/ɪˈlæstɪk kəˈlɪʒn/ 弾性衝突
    inelastic collision/ɪnɪˈlæstɪk kəˈlɪʒn/ 非弾性衝突
    recoil/rɪˈkɔɪl/ 後座
    4.3

    Conservation of Linear Momentum · ⁨直線運動量の保存⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 4.3.A: Describe the behavior of a system using conservation of linear momentum.

    • 4.3.A.1 A collection of objects with individual momenta can be described as one system with one center-of-mass velocity.
      • 4.3.A.1.i For a collection of objects, the velocity of a system's center of mass can be calculated using the equation $\vec{v}_{\text{cm}} = \dfrac{\sum \vec{p}_i}{\sum m_i} = \dfrac{\sum m_i \vec{v}_i}{\sum m_i}$.
      • 4.3.A.1.ii The velocity of a system's center of mass is constant in the absence of a net external force.
    • 4.3.A.2 The total momentum of a system is the sum of the momenta of the system's constituent parts.
    • 4.3.A.3 In the absence of net external forces, any change to the momentum of an object within a system must be balanced by an equivalent and opposite change of momentum elsewhere within the system. Any change to the momentum of a system is due to a transfer of momentum between the system and its surroundings.
      • 4.3.A.3.i The impulse exerted by one object on a second object is equal and opposite to the impulse exerted by the second object on the first. This is a direct result of Newton's third law.
      • 4.3.A.3.ii A system may be selected so that the total momentum of that system is constant.
      • 4.3.A.3.iii If the total momentum of a system changes, that change will be equivalent to the impulse exerted on the system.
        • Equation: $\vec{J} = \Delta \vec{p}$
    • 4.3.A.4 Correct application of conservation of momentum can be used to determine the velocity of a system immediately before and immediately after collisions or explosions.

    Boundary statement: AP Physics 1 includes a quantitative and qualitative treatment of conservation of momentum in one dimension and a semiquantitative treatment of conservation of momentum in two dimensions. Exam questions involving solution of simultaneous equations are not included in AP Physics 1, but the AP Physics 1 Exam may include questions that assess whether students can set up the equations properly and reason about how changing a given mass, speed, or angle would affect other quantities. AP Physics 2 includes a full treatment of conservation of momentum in two dimensions for problems that include one unknown final velocity.

    Learning Objective 4.3.B: Describe how the selection of a system determines whether the momentum of that system changes.

    • 4.3.B.1 Momentum is conserved in all interactions.
    • 4.3.B.2 If the net external force on the selected system is zero, the total momentum of the system is constant.
    • 4.3.B.3 If the net external force on the selected system is nonzero, momentum is transferred between the system and the environment.
    日本語

    学習目標 4.3.A: 線形運動量の保存則を用いて、系の挙動を説明せよ。

    • 4.3.A.1 個別の運動量を持つ複数の対象物の集合体は、一つの系として、一つの重心速度で記述できる。
      • 4.3.A.1.i 複数の対象物の集合体について、系の重心の速度は方程式 $\vec{v}_{\text{cm}} = \dfrac{\sum \vec{p}_i}{\sum m_i} = \dfrac{\sum m_i \vec{v}_i}{\sum m_i}$ を用いて計算できる。
      • 4.3.A.1.ii 正味の外力が存在しない場合、系の重心の速度は一定である。
    • 4.3.A.2 系の全運動量は、系を構成する各部分の運動量の和である。
    • 4.3.A.3 正味の外力が存在しない場合、系内の物体の運動量に変化が生じれば、それは系内の他箇所で等しく逆の運動量の変化によって相殺される。系の運動量の変化は、系と環境との間での運動量の移動によるものである。
      • 4.3.A.3.i 第一の物体が第二の物体に与えるインパルスは、第二の物体が第一の物体に与えるインパルスと大きさが等しく向きが逆向きである。これはニュートンの第三法則の直接的な結果である。
      • 4.3.A.3.ii 系の全運動量が一定となるような系を選択できる。
      • 4.3.A.3.iii 系の全運動量に変化が生じた場合、その変化量は系に作用した沖合と等しい。
        • 数式: $\vec{J} = \Delta \vec{p}$
    • 4.3.A.4 運動量の保存則の適切な適用により、衝突や爆発の直前および直後の系の速度を求めることができる。

    境界声明: AP Physics 1では、一次元における運動量の保存則について定量的かつ定性的な扱いを行い、二次元における運動量の保存則については半定量的な扱いを行う。連立方程式を解くことを要求する試験問題はAP Physics 1には含まれないが、AP Physics 1の試験では、学生が方程式を適切に設定でき、与えられた質量、速さ、または角度の変更がいかに他の物理量に影響するかについて論理思考ができるかを評価する問題が含まれる可能性がある。AP Physics 2では、最終的な未知の速度が1つである問題を対象に、二次元における運動量の保存則を完全に取り扱う。

    学習目標 4.3.B: 系の選択が、その系の運動量の変化の有無を決定する方法を説明する。

    • 4.3.B.1 運動量はあらゆる相互作用において保存される。
    • 4.3.B.2 選択した系に働く合力がゼロの場合、系の全運動量は一定である。
    • 4.3.B.3 選択した系に働く合力がゼロでない場合、運動量は系と環境の間でやり取りされる。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    If the net external force on a system is zero, its total momentum is conserved 守恒:

    $$\sum \vec{p}_{\text{before}}=\sum \vec{p}_{\text{after}}.$$
    Internal forces (like the push between two colliding carts) come in third-law pairs and cancel, so they cannot change the total momentum. This is the key tool for collisions 碰撞 and explosions – apply it separately in the $x$ and $y$ directions.

    Worked example (recoil 反冲). A $60\ \text{kg}$ skater, initially at rest on frictionless ice, throws a $2.0\ \text{kg}$ ball at $8.0\ \text{m/s}$. Find her recoil speed. The total momentum starts at zero and stays zero:

    $$0=(60)v+(2.0)(8.0)\;\Rightarrow\;v=-\frac{16}{60}=-0.27\ \text{m/s},$$
    so she moves at $0.27\ \text{m/s}$ in the opposite direction to the ball – the principle behind rockets and guns.

    A whole collection of objects can be described by a single center-of-mass velocity 质心速度:

    $$\vec{v}_{\text{cm}}=\frac{\sum m_i\vec{v}_i}{\sum m_i}=\frac{\vec{p}_{\text{total}}}{M_{\text{total}}}.$$
    Since total momentum is conserved when no net external force acts, $\vec{v}_{\text{cm}}$ then stays constant – a $v_{\text{cm}}$-versus-time graph is flat unless an outside force acts. An internal collision or explosion never changes it, however violently the parts fly apart.

    日本語

    系に作用する合力(外合力)がゼロであれば、その全運動量は保存される:

    $$\sum \vec{p}_{\text{before}}=\sum \vec{p}_{\text{after}}.$$
    内部力(衝突する2つのカート間の押し合いなど)は第三法則の対の形をとって互いに打ち消し合うため、全運動量を変えることはできない。これは 衝突 や爆発における重要なツールである。$x$ 方向と $y$ 方向に分けてそれぞれ適用する。

    正面衝突:衝突前の全運動量は衝突後の全運動量に等しい
    正面衝突:衝突前の全運動量は衝突後の全運動量に等しい

    ** worked example (反動).** $60\ \text{kg}$ のスケート選手が、摩擦のない氷上で静止状態から $2.0\ \text{kg}$ のボールを $8.0\ \text{m/s}$ の速度で投げた。彼女の反動速度を求める。全運動量は当初ゼロであり、その後もゼロのまま維持される:

    $$0=(60)v+(2.0)(8.0)\;\Rightarrow\;v=-\frac{16}{60}=-0.27\ \text{m/s},$$
    したがって、彼女は $0.27\ \text{m/s}$ の速度でボールとは逆向きに動く—ロケットや銃の原理である。

    多数の物体の集合体は、単一の重心速度によって記述できる:

    $$\vec{v}_{\text{cm}}=\frac{\sum m_i\vec{v}_i}{\sum m_i}=\frac{\vec{p}_{\text{total}}}{M_{\text{total}}}.$$
    外合力が働かない限り全運動量は保存されるため、$\vec{v}_{\text{cm}}$ は一定を保つ—外力が働かない限り、$v_{\text{cm}}$ -時間グラフは水平(平坦)となる。内部衝突や爆発では、部品が激しく飛び散っても、これを変化させることはない。

    Explore · ⁨探索⁩

    Collide two carts and conserve momentum · ⁨2台の cart を衝突させて運動量を保存する⁩

    In any collision the total momentum $\sum mv$ before equals the total after. Set the masses and speeds and check the momentum bookkeeping. · ⁨いかなる衝突でも、衝突前の総運動量 $\sum mv$ は衝突後のそれと等しい。質量と速度を設定して、運動量の計算を確認せよ。⁩

    4.4

    Elastic and Inelastic Collisions · ⁨弾性衝突と非弾性衝突⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 4.4.A: Describe whether an interaction between objects is elastic or inelastic.

    • 4.4.A.1 An elastic collision between objects is one in which the initial kinetic energy of the system is equal to the final kinetic energy of the system.
    • 4.4.A.2 In an elastic collision, the final kinetic energies of each of the objects within the system may be different from their initial kinetic energies.
    • 4.4.A.3 An inelastic collision between objects is one in which the total kinetic energy of the system decreases.
    • 4.4.A.4 In an inelastic collision, some of the initial kinetic energy is not restored to kinetic energy but is transformed by nonconservative forces into other forms of energy.
    • 4.4.A.5 In a perfectly inelastic collision, the objects stick together and move with the same velocity after the collision.
    日本語

    学習目標 4.4.A: 物体間の相互作用が弾性か非弾性かを説明する。

    • 4.4.A.1 弾性衝突とは、系の初期運動エネルギーが最終運動エネルギーと等しい衝突のことである。
    • 4.4.A.2 弾性衝突においては、系内の各物体の最終運動エネルギーは、初期運動エネルギーと異なることがある。
    • 4.4.A.3 非弾性衝突とは、系の全運動エネルギーが減少する衝突のことである。
    • 4.4.A.4 非弾性衝突では、初期運動エネルギーの一部が運動エネルギーとして戻されず、保存力以外の力によって他の形のエネルギーに変換される。
    • 4.4.A.5 完全に非弾性衝突では、衝突後に物体同士がくっついて同じ速度で動く。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English
    Conservation of momentum in a collision

    Momentum is conserved in every collision (with no external force). Kinetic energy is not:

    • In an elastic collision 弹性碰撞, kinetic energy is also conserved (objects bounce apart cleanly).
    • In an inelastic collision 非弹性碰撞, some kinetic energy becomes heat or deformation. In a perfectly inelastic collision the objects stick together and move with one common velocity afterward.

    Strategy: always write momentum conservation; add energy conservation only if the collision is stated to be elastic. One elastic fact worth memorising: in a 1D elastic collision between equal masses, the two objects simply swap velocities (a moving ball striking an identical stationary one stops dead, and the target flies off at the incoming speed).

    Worked example. A $1000\ \text{kg}$ car moving at $20\ \text{m/s}$ runs into a stationary $1500\ \text{kg}$ car and they lock together. Find their common speed, and the kinetic energy lost. Momentum conservation gives

    $$1000\times20=(1000+1500)\,v\;\Rightarrow\;v=\frac{20000}{2500}=8.0\ \text{m/s}.$$
    Kinetic energy before is $\tfrac12(1000)(20^2)=2.0\times10^{5}\ \text{J}$; after is $\tfrac12(2500)(8.0^2)=8.0\times10^{4}\ \text{J}$. So $1.2\times10^{5}\ \text{J}$ (about $60\%$) is lost to crumpling and heat – momentum is still conserved, but kinetic energy is not.

    日本語
    衝突における運動量の保存

    運動量は、外部力がない限りすべての衝突において保存される。しかし、運動エネルギーは保存されない:

    斜め衝突:2つの直交軸に沿って分解された図
    斜め衝突、2つの直交軸に分解した形
    • 弾性衝突では、運動エネルギーも保存される(物体がきれいに跳ね返る)。
    • 非弾性衝突では、一部の運動エネルギーが熱や変形に変換される。完全に非弾性衝突では、物体がくっついて一体的に動き続ける。

    戦略: 常に運動量保存則を記述する。衝突が弾性であると明言されている場合にのみ、エネルギー保存則を追加する。覚えるべき弾性衝突の重要な事実の1つ:1Dの弾性衝突において質量が等しい場合、2つの物体は単に速度を交換する(動いているボールが同じ静止したボールに衝突すると止まり、ターゲットは入射速度で飛び出す)。

    計算例。 $1000\ \text{kg}$の質量を持つ車が速度$20\ \text{m/s}$で走行中、静止している$1500\ \text{kg}$の質量を持つ車に衝突し、両車は一体となった。共通の速度と失われた運動エネルギーを求めよ。運動量保存則より

    $$1000\times20=(1000+1500)\,v\;\Rightarrow\;v=\frac{20000}{2500}=8.0\ \text{m/s}.$$
    衝突前の運動エネルギーは$\tfrac12(1000)(20^2)=2.0\times10^{5}\ \text{J}$、後には$\tfrac12(2500)(8.0^2)=8.0\times10^{4}\ \text{J}$となる。したがって、約$1.2\times10^{5}\ \text{J}$($60\%$について)がへこみや熱として散逸した——運動量は依然として保存されているが、運動エネルギーは保存されていない。

    ニュートンの揺り玉:5つのスチールボールが一直線に吊るされた様子
    ニュートンの揺り玉は、ほぼ弾性衝突において一列のボールを通じて運動量と運動エネルギーが伝わる様子を示す
    Explore · ⁨探索⁩

    Compare elastic and inelastic collisions · ⁨弾性衝突と非弾性衝突を比較する⁩

    Momentum is always conserved, but kinetic energy is only conserved in an elastic collision. In an inelastic one the carts stick and some energy becomes heat. · ⁨運動量は常に保存されるが、運動エネルギー は 弾性衝突 のみで保存される。非弾性衝突 では cart がくっつき、一部のエネルギーが熱となる。⁩

    4.4

    Exam tips · ⁨試験対策⁩

    English
    • Momentum is a vector — assign $+$/$-$ signs before adding; a ball that rebounds reverses its velocity, giving a large $\Delta p$.
    • Momentum is conserved in every collision (no external force); kinetic energy is conserved only if the collision is stated to be elastic.
    • In a perfectly inelastic collision the objects stick and move with one common velocity.
    • Impulse $=F\,\Delta t=\Delta p$ = the area under a force–time graph; spreading a collision over a longer time reduces the force (airbags, bending knees).
    • For recoil/explosions, set the total momentum equal before and after (often zero before).
    日本語
    • 運動量はベクトル量である——加算前に$+$/$-$の符号を割り当てる;跳ね返るボールは速度の向きが変わるため、大きな$\Delta p$が生じる。
    • 運動量はあらゆる衝突において保存される(外力がない場合);運動エネルギーは衝突が弾性であると明記されている場合にのみ保存される。
    • 完全に非弾性衝突では物体がくっついて一つの共通速度で動く。
    • 沖動$=F\,\Delta t=\Delta p$ = 力-時間グラフの下の面積;衝突をより長い時間に分散させると力が小さくなる(エアバッグ、膝を曲げる)。
    • 反動/爆発については、衝突前後の全運動量を等しいとする(通常は衝突前がゼロ)。
  • 5

    Torque and Rotational Dynamics · ⁨トルクと回転運動の力学⁩

    Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
    5.1

    Rotational Kinematics

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 5.1.A: Describe the rotation of a system with respect to time using angular displacement, angular velocity, and angular acceleration.

    • 5.1.A.1 Angular displacement is the measurement of the angle, in radians, through which a point on a rigid system rotates about a specified axis.
      • Equation: $\Delta\theta = \theta - \theta_0$
      • 5.1.A.1.i A rigid system is one that holds its shape but in which different points on the system move in different directions during rotation. A rigid system cannot be modeled as an object.
      • 5.1.A.1.ii One direction of angular displacement about an axis of rotation—clockwise or counterclockwise—is typically indicated as mathematically positive, with the other direction becoming mathematically negative.
      • 5.1.A.1.iii If the rotation of a system about an axis may be well described using the motion of the system's center of mass, the system may be treated as a single object. For example, the rotation of Earth about its axis may be considered negligible when considering the revolution of Earth about the center of mass of the Earth–Sun system.
    • 5.1.A.2 Average angular velocity is the average rate at which angular position changes with respect to time.
      • Equation: $\omega_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta\theta}{\Delta t}$
    • 5.1.A.3 Average angular acceleration is the average rate at which the angular velocity changes with respect to time.
      • Equation: $\alpha_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta\omega}{\Delta t}$
    • 5.1.A.4 Angular displacement, angular velocity, and angular acceleration around one axis are analogous to linear displacement, velocity, and acceleration in one dimension and demonstrate the same mathematical relationships.
      • 5.1.A.4.i For constant angular acceleration, the mathematical relationships between angular displacement, angular velocity, and angular acceleration can be described with the following equations:
        • Equation: $\omega = \omega_0 + \alpha t$
        • Equation: $\theta = \theta_0 + \omega_0 t + \dfrac{1}{2}\alpha t^2$
        • Equation: $\omega^2 = \omega_0^2 + 2\alpha(\theta - \theta_0)$
      • 5.1.A.4.ii Graphs of angular displacement, angular velocity, and angular acceleration as functions of time can be used to find the relationships between those quantities.

    Boundary statement: Descriptions of the directions of rotation for a point or object are limited to clockwise and counterclockwise with respect to a given axis of rotation.

    日本語

    学習目標 5.1.A: 角変位、角速度、角加速度を用いて、時間の経過に伴う系の回転を説明する。

    • 5.1.A.1 角変位とは、剛体系上の一点が特定の軸に対して回転する際の角度(ラジアン単位)の測定値である。
      • 式: $\Delta\theta = \theta - \theta_0$
      • 5.1.A.1.i 剛体系とは、形状を保ちつつも、回転中に系内の異なる点が異なる方向に動く系である。剛体系は単一の物体としてモデル化することはできない。
      • 5.1.A.1.ii 回転軸回りの角変位の一方の向き(時計回りまたは反時計回り)は通常数学的に正の符号で示され、もう一方の向きは数学的に負の符号となる。
      • 5.1.A.1.iii 系が軸周りに回転する様子が、その重心の運動を用いて十分に記述できる場合、系は単一の物体として扱える。例えば、地球-太陽系の重心周りの公転を考える際、地球の自転による運動は無視できるほど小さい。
    • 5.1.A.2 平均角速度とは、角位置が時間とともに変化する平均の割合である。
      • 式: $\omega_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta\theta}{\Delta t}$
    • 5.1.A.3 平均角加速度とは、角速度が時間とともに変化する平均の割合である。
      • 式: $\alpha_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta\omega}{\Delta t}$
    • 5.1.A.4 ある軸周りの角変位、角速度、角加速度は、一次元の線形変位、速度、加速度に対応するものであり、同様の数学的関係を示す。
      • 5.1.A.4.i 角加速度が一定の場合、角変位、角速度、角加速度の間の数学的関係は次の式で表される:
        • 数式: $\omega = \omega_0 + \alpha t$
        • 数式: $\theta = \theta_0 + \omega_0 t + \dfrac{1}{2}\alpha t^2$
        • 数式: $\omega^2 = \omega_0^2 + 2\alpha(\theta - \theta_0)$
      • 5.1.A.4.ii 角変位、角速度、角加速度を時間の関数としてプロットしたグラフを用いることで、これらの物理量の間の関係を求めることができる。

    境界声明: 点や物体の回転方向の説明は、特定の回転軸に対する時計回りと反時計回りに限定される。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Rotation is described by angular quantities that mirror the linear ones:

    • angular displacement 角位移 $\theta$ (in radians 弧度),
    • angular velocity 角速度 $\omega=\dfrac{\Delta\theta}{\Delta t}$,
    • angular acceleration 角加速度 $\alpha=\dfrac{\Delta\omega}{\Delta t}$.

    For constant $\alpha$, the rotational kinematic equations have the same form as the linear ones, with $\theta,\omega,\alpha$ replacing $x,v,a$: $\omega=\omega_0+\alpha t$, $\theta=\omega_0 t+\tfrac12\alpha t^2$, and $\omega^2=\omega_0^2+2\alpha\theta$.

    Worked example. A wheel starts from rest and speeds up uniformly to $30\ \text{rad/s}$ in $6.0\ \text{s}$. Find its angular acceleration and the total angle turned:

    $$\alpha=\frac{\Delta\omega}{\Delta t}=\frac{30}{6.0}=5.0\ \text{rad/s}^2,\qquad \theta=\tfrac12\alpha t^2=\tfrac12\times5.0\times6.0^2=90\ \text{rad}.$$

    日本語
    A crash-test collision: large forces and torques produce rapid changes in linear and angular motion
    A crash-test collision: large forces and torques produce rapid changes in linear and angular motion
    A spring under load: Hooke's law links force and extension — useful context for energy in rotating systems
    A spring under load: Hooke's law links force and extension — useful context for energy in rotating systems

    Rotation is described by angular quantities that mirror the linear ones:

    One radian is the angle whose arc length equals the radius
    One radian is the angle whose arc length equals the radius
    • angular displacement 角位移 $\theta$ (in radians 弧度),
    • angular velocity 角速度 $\omega=\dfrac{\Delta\theta}{\Delta t}$,
    • angular acceleration 角加速度 $\alpha=\dfrac{\Delta\omega}{\Delta t}$.

    For constant $\alpha$, the rotational kinematic equations have the same form as the linear ones, with $\theta,\omega,\alpha$ replacing $x,v,a$: $\omega=\omega_0+\alpha t$, $\theta=\omega_0 t+\tfrac12\alpha t^2$, and $\omega^2=\omega_0^2+2\alpha\theta$.

    Worked example. A wheel starts from rest and speeds up uniformly to $30\ \text{rad/s}$ in $6.0\ \text{s}$. Find its angular acceleration and the total angle turned:

    $$\alpha=\frac{\Delta\omega}{\Delta t}=\frac{30}{6.0}=5.0\ \text{rad/s}^2,\qquad \theta=\tfrac12\alpha t^2=\tfrac12\times5.0\times6.0^2=90\ \text{rad}.$$

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    angular displacement/ˈæŋɡjʊlə dɪˈspleɪsmənt/ 角変位の変化率である
    radians/ˈreɪdɪənz/ ラジアン
    angular velocity/ˈæŋɡjʊlə vəˈlɒsɪti/ 角速度の変化率である
    angular acceleration/ˈæŋɡjʊlə əkˌseləˈreɪʃn/ 角加速度
    5.2

    Connecting Linear and Rotational Motion

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    Learning ObjectiveEssential Knowledge

    5.2.A
    Describe the linear motion of a point on a rotating rigid system that corresponds to the rotational motion of that point, and vice versa.

    • 5.2.A.1 For a point at a distance $r$ from a fixed axis of rotation, the linear distance $s$ traveled by the point as the system rotates through an angle $\Delta\theta$ is given by the equation $\Delta s = r\Delta\theta$.
    • 5.2.A.2 Derived relationships of linear velocity and of the tangential component of acceleration to their respective angular quantities are given by the following equations:
      • Equation: $s = r\theta$
      • Equation: $v = r\omega$
      • Equation: $a_T = r\alpha$
    • 5.2.A.3 For a rigid system, all points within that system have the same angular velocity and angular acceleration.

    Boundary statement: Descriptions of the directions of rotation for a point or object are limited to clockwise and counterclockwise with respect to a given axis of rotation.

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    A point at radius $r$ from the axis has linear quantities tied to the angular ones:

    $$s=r\theta,\qquad v=r\omega,\qquad a_t=r\alpha.$$
    Points farther from the axis move faster. This link lets you switch between "how fast the wheel spins" and "how fast a point on its rim moves."

    As the radius turns through an angle, a point moves along an arc at speed v
    As the radius turns through an angle, a point moves along an arc at speed v

    Worked example. A bicycle wheel of radius $0.35\ \text{m}$ spins at $12\ \text{rad/s}$. A point on the rim (and so the bike) moves at $v=r\omega=0.35\times12=4.2\ \text{m/s}$. A point halfway to the axis moves at half that speed.

    5.3

    Torque

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 5.3.A: Identify the torques exerted on a rigid system.

    • 5.3.A.1 Torque results only from the force component perpendicular to the position vector from the axis of rotation to the point of application of the force.
    • 5.3.A.2 The lever arm is the perpendicular distance from the axis of rotation to the line of action of the exerted force.

    Learning Objective 5.3.B: Describe the torques exerted on a rigid system.

    • 5.3.B.1 Torques can be described using force diagrams.
      • 5.3.B.1.i Force diagrams are similar to free-body diagrams and are used to analyze the torques exerted on a rigid system.
      • 5.3.B.1.ii Similar to free-body diagrams, force diagrams represent the relative magnitude and direction of the forces exerted on a rigid system. Force diagrams also depict the location at which those forces are exerted relative to the axis of rotation.
    • 5.3.B.2 The magnitude of the torque exerted on a rigid system by a force is described by the following equation, where $\theta$ is the angle between the force vector and the position vector from the axis of rotation to the point of application of the force.
      • Equation: $\tau = rF_{\perp} = rF\sin\theta$

    Boundary statement: While AP Physics 1 expects students to mathematically manipulate the magnitude of torque using vector conventions, the direction of torque is beyond the scope of the course.

    日本語

    学習目標 5.3.A: 剛体系に働くトルクを特定する。

    • 5.3.A.1 トルクは、回転軸から力の作用点へ向かう位置ベクトルに垂直な力成分のみによって生じる。
    • 5.3.A.2 レバーアームとは、回転軸から力の作用線への垂直距離である。

    学習目標 5.3.B: 剛体系に作用するトルクを説明する。

    • 5.3.B.1 トルクは力図を用いて説明できる。
      • 5.3.B.1.i 力図は自由体図と類似しており、剛体系に作用するトルクの分析に用いられる。
      • 5.3.B.1.ii 自由体図と同様に、力図は剛体系に作用する力の相対的な大きさや方向を表す。また、力図には、回転軸に対する力が作用する位置も描かれる。
    • 5.3.B.2 剛体系に作用するトルクの大きさは、以下の式で表される。ここで $\theta$ は、力ベクトルと回転軸から力の作用点への位置ベクトルのなす角である。
      • 式: $\tau = rF_{\perp} = rF\sin\theta$

    境界文: AP Physics 1では、学生がベクトル規則を用いてトルクの大きさを数学的に操作することが期待されるが、トルクの方向については課程の範囲外である。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English
    The principle of moments (torque)

    Torque 力矩 is the rotational effect of a force – how effectively it turns an object about an axis:

    $$\tau=r F\sin\theta = F\cdot r_\perp,$$
    where $r_\perp$ is the moment arm 力臂 (the perpendicular distance from the axis to the force's line of action). A force applied farther out, or more perpendicular, produces more torque. Torque has a sign (clockwise vs counterclockwise).

    Worked example. You push with $20\ \text{N}$ at the end of a $0.30\ \text{m}$ wrench. Perpendicular to the wrench the torque is $\tau=rF=0.30\times20=6.0\ \text{N m}$. If you push at $60^{\circ}$ to the wrench instead, only the perpendicular part counts: $\tau=rF\sin 60^{\circ}=0.30\times20\times0.87=5.2\ \text{N m}$ – which is why you push at a right angle for the most turning effect.

    日本語
    The principle of moments (torque)

    Torque 力矩 is the rotational effect of a force – how effectively it turns an object about an axis:

    $$\tau=r F\sin\theta = F\cdot r_\perp,$$
    where $r_\perp$ is the moment arm 力臂 (the perpendicular distance from the axis to the force's line of action). A force applied farther out, or more perpendicular, produces more torque. Torque has a sign (clockwise vs counterclockwise).

    The moment of a force depends on the perpendicular distance from the pivot
    The moment of a force depends on the perpendicular distance from the pivot

    Worked example. You push with $20\ \text{N}$ at the end of a $0.30\ \text{m}$ wrench. Perpendicular to the wrench the torque is $\tau=rF=0.30\times20=6.0\ \text{N m}$. If you push at $60^{\circ}$ to the wrench instead, only the perpendicular part counts: $\tau=rF\sin 60^{\circ}=0.30\times20\times0.87=5.2\ \text{N m}$ – which is why you push at a right angle for the most turning effect.

    Explore · ⁨探索⁩

    Balance torques on a beam · ⁨ビーム上のモーメントを釣り合わせる⁩

    Torque is force times perpendicular distance, $\tau=Fd$. The beam is in rotational equilibrium when the torques on each side are equal. · ⁨モーメント は力に垂直距離を掛けたもの、$\tau=Fd$。両側のモーメントが等しいとき、ビームは 回転平衡状態 にある。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Torque/tɔːk/ トルク
    moment arm/ˈməʊmənt ɑːm/ モーメントアーム
    5.4

    Rotational Inertia

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 5.4.A: Describe the rotational inertia of a rigid system relative to a given axis of rotation.

    • 5.4.A.1 Rotational inertia measures a rigid system's resistance to changes in rotation and is related to the mass of the system and the distribution of that mass relative to the axis of rotation.
    • 5.4.A.2 The rotational inertia of an object rotating a perpendicular distance $r$ from an axis is described by the equation
      • Equation: $I = mr^2$
    • 5.4.A.3 The total rotational inertia of a collection of objects about an axis is the sum of the rotational inertias of each object about that axis:
      • Equation: $I_{\text{tot}} = \sum I_i = \sum m_i r_i^2$

    Learning Objective 5.4.B: Describe the rotational inertia of a rigid system rotating about an axis that does not pass through the system's center of mass.

    • 5.4.B.1 A rigid system's rotational inertia in a given plane is at a minimum when the rotational axis passes through the system's center of mass.
    • 5.4.B.2 The parallel axis theorem uses the following equation to relate the rotational inertia of a rigid system about any axis that is parallel to an axis through its center of mass:
      • Equation: $I' = I_{\text{cm}} + Md^2$

    Boundary statement: AP Physics 1 only expects students to calculate the rotational inertia for systems of five or fewer objects arranged in a two-dimensional configuration.

    Boundary statement: Students do not need to know the rotational inertia of extended rigid systems, as these will be provided within the exam. Students should have a qualitative understanding of the factors that affect rotational inertia; for example, how rotational inertia is greater when mass is farther from the axis of rotation, which is why a hoop has more rotational inertia than a solid disk of the same mass and radius.

    日本語

    学習目標 5.4.A: 指定された回転軸に対して、剛体系の回転慣性を説明する。

    • 5.4.A.1 回転慣性は、剛体系の回転の変化に対する抵抗力を表し、その系の質量およびその質量の回転軸に対する分布に関連している。
    • 5.4.A.2 軸から垂直距離 $r$ で回転する物体の回転慣性は、以下の式で表される。
      • 式: $I = mr^2$
    • 5.4.A.3 軸に関する一連の物体の全回転慣性は、各物体のその軸に関する回転慣性の和である。
      • 式: $I_{\text{tot}} = \sum I_i = \sum m_i r_i^2$

    学習目標 5.4.B: 重心を通らない軸について回転する剛体系の回転慣性を説明する。

    • 5.4.B.1 剛体系の特定の平面における回転慣性は、回転軸が重心を通る場合に最小となる。
    • 5.4.B.2 平行軸の定理は、重心を通る軸に平行な任意の軸に関する剛体系の回転慣性を関連付けるために、以下の式を用いる。
      • 式: $I' = I_{\text{cm}} + Md^2$

    境界文: AP Physics 1では、学生が2次元配置にある5個以下の物体からなる系についてのみ回転慣性を計算することが期待される。

    境界文: 学生は延長された剛体系の回転慣性を知る必要はない。これらは試験内で提供されるためである。学生は、回転慣性に影響を与える要因について定性的な理解を持つべきである。例えば、質量が回転軸から遠いほど回転慣性は大きくなるため、同じ質量と半径を持つ輪は実心円盤よりも回転慣性が大きい。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Rotational inertia 转动惯量 (moment of inertia) $I$ measures how hard it is to change an object's rotation – the rotational version of mass. It depends on both the mass and how far that mass sits from the axis: mass spread farther out gives a larger $I$. For a point mass, $I=mr^2$; for extended bodies, standard formulas are provided (a hoop is $mR^2$, a solid disk $\tfrac12 mR^2$). This is why a figure skater spins faster when she pulls her arms in – she reduces $I$.

    日本語

    Rotational inertia 转动惯量 (moment of inertia) $I$ measures how hard it is to change an object's rotation – the rotational version of mass. It depends on both the mass and how far that mass sits from the axis: mass spread farther out gives a larger $I$. For a point mass, $I=mr^2$; for extended bodies, standard formulas are provided (a hoop is $mR^2$, a solid disk $\tfrac12 mR^2$). This is why a figure skater spins faster when she pulls her arms in – she reduces $I$.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Rotational inertia/rəʊˈteɪʃənl ɪˈnɜːʃə/ 回転慣性
    5.5

    Rotational Equilibrium

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 5.5.A: Describe the conditions under which a system's angular velocity remains constant.

    • 5.5.A.1 A system may exhibit rotational equilibrium (constant angular velocity) without being in translational equilibrium, and vice versa.
      • 5.5.A.1.i Free-body and force diagrams describe the nature of the forces and torques exerted on an object or rigid system.
      • 5.5.A.1.ii Rotational equilibrium is a configuration of torques such that the net torque exerted on the system is zero.
        • Equation: $\sum \tau_i = 0$
      • 5.5.A.1.iii The rotational analog of Newton's first law is that a system will have a constant angular velocity only if the net torque exerted on the system is zero.
    • 5.5.A.2 A rotational corollary to Newton's second law states that if the torques exerted on a rigid system are not balanced, the system's angular velocity must be changing.

    Boundary statement: AP Physics 1 does not expect students to simultaneously analyze rotation in multiple planes.

    日本語

    学習目標 5.5.A: 系の角速度が一定に保たれる条件を説明する。

    • 5.5.A.1 系は並進平衡にない場合でも回転平衡(一定の角速度)を示すことができ、逆にその逆も成り立つ。
      • 5.5.A.1.i 自由体図および力図は、物体または剛体系に作用する力とトルクの性質を説明する。
      • 5.5.A.1.ii 回転平衡とは、系に作用する正味トルクがゼロとなるトルクの配置のことである。
        • 数式: $\sum \tau_i = 0$
      • 5.5.A.1.iii ニュートンの第一法則の回転における対応は、系に作用する正味トルクがゼロである場合にのみ、系は一定の角速度を維持することである。
    • 5.5.A.2 ニュートンの第二法則の回転における補題は、剛体系に作用するトルクが釣り合わない場合、その系の角速度は変化しなければならないというものである。

    境界文: AP Physics 1では、学生が複数の平面での回転を同時に解析することを期待しない。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    An object is in rotational equilibrium 转动平衡 when the net torque is zero, so its angular velocity stays constant. For a balanced (static) object, both the net force and the net torque are zero. Choosing the axis at an unknown force's location removes it from the torque equation – a useful trick for beam and ladder problems.

    Worked example. A $30\ \text{kg}$ child sits $2.0\ \text{m}$ from the pivot of a seesaw. Where must a $40\ \text{kg}$ child sit on the other side to balance it? Set the clockwise torque equal to the anticlockwise torque (the $g$'s cancel):

    $$30\times2.0=40\times d\;\Rightarrow\;d=\frac{60}{40}=1.5\ \text{m}.$$
    The heavier child sits closer to the pivot – less distance, same torque.

    日本語

    An object is in rotational equilibrium 转动平衡 when the net torque is zero, so its angular velocity stays constant. For a balanced (static) object, both the net force and the net torque are zero. Choosing the axis at an unknown force's location removes it from the torque equation – a useful trick for beam and ladder problems.

    At balance the clockwise and anticlockwise moments about the pivot are equal
    At balance the clockwise and anticlockwise moments about the pivot are equal

    Worked example. A $30\ \text{kg}$ child sits $2.0\ \text{m}$ from the pivot of a seesaw. Where must a $40\ \text{kg}$ child sit on the other side to balance it? Set the clockwise torque equal to the anticlockwise torque (the $g$'s cancel):

    $$30\times2.0=40\times d\;\Rightarrow\;d=\frac{60}{40}=1.5\ \text{m}.$$
    The heavier child sits closer to the pivot – less distance, same torque.

    Explore · ⁨探索⁩

    Find the balance point · ⁨釣り合う点を見つける⁩

    For rotational equilibrium the total clockwise torque equals the total anticlockwise torque. Move the forces and distances until the beam balances. · ⁨回転平衡状態 では、時計回りの総モーメントが反時計回りの総モーメントに等しい。力が釣り合うまで、力や距離を移動させろ。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    rotational equilibrium/rəʊˈteɪʃənl ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 回転平衡
    5.6

    Newton's Second Law in Rotational Form

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 5.6.A: Describe the conditions under which a system's angular velocity changes.

    • 5.6.A.1 Angular velocity changes when the net torque exerted on the object or system is not equal to zero.
    • 5.6.A.2 The rate at which the angular velocity of a rigid system changes is directly proportional to the net torque exerted on the rigid system and is in the same direction. The angular acceleration of the rigid system is inversely proportional to the rotational inertia of the rigid system.
      • Equation: $\alpha_{\text{sys}} = \dfrac{\sum \tau}{I_{\text{sys}}} = \dfrac{\tau_{\text{net}}}{I_{\text{sys}}}$
    • 5.6.A.3 To fully describe a rotating rigid system, linear and rotational analyses may need to be performed independently.
    日本語

    学習目標 5.6.A: 系の角速度が変化する条件を説明する。

    • 5.6.A.1 物体または系に作用する正味トルクがゼロでない場合、角速度は変化する。
    • 5.6.A.2 剛体系の角速度の変化率は、剛体系に作用する正味トルクに比例し、その正味トルクと同じ方向を持つ。剛体系の角加速度は、剛体系の回転慣性に反比例する。
      • 式: $\alpha_{\text{sys}} = \dfrac{\sum \tau}{I_{\text{sys}}} = \dfrac{\tau_{\text{net}}}{I_{\text{sys}}}$
    • 5.6.A.3 回転する剛体系を完全に記述するには、線形解析と回転解析を独立に行う必要がある場合がある。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    Net torque produces angular acceleration, in direct analogy with $F=ma$:

    $$\sum\tau = I\alpha.$$
    So a larger net torque, or a smaller rotational inertia, gives a larger angular acceleration. Solve rotation problems just like translation problems, with $\tau\leftrightarrow F$, $I\leftrightarrow m$, and $\alpha\leftrightarrow a$.

    Worked example. A net torque of $12\ \text{N m}$ acts on a wheel with rotational inertia $I=3.0\ \text{kg m}^2$. Its angular acceleration is $\alpha=\tau/I=12/3.0=4.0\ \text{rad/s}^2$ – the exact rotational twin of $a=F/m$.

    5.6

    Exam tips

    • Torque $\tau=Fr_\perp$ uses the perpendicular distance from the pivot; a force through the pivot gives zero torque.
    • For balance, set clockwise torque = anticlockwise torque; choosing the pivot at an unknown force removes it from the equation.
    • Use the rotational analogues: $\tau\leftrightarrow F$, $I\leftrightarrow m$, $\alpha\leftrightarrow a$, so $\sum\tau=I\alpha$ mirrors $\sum F=ma$.
    • Rotational inertia depends on how far the mass sits from the axis, not just its amount — a hoop resists spinning more than a disc of equal mass.
    • Convert angles to radians and link linear to angular with $v=r\omega$, $a_t=r\alpha$.
  • 6

    Energy and Momentum of Rotating Systems · ⁨回転系エネルギーと運動量⁩

    Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
    6.1

    Rotational Kinetic Energy · ⁨回転運動エネルギー⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 6.1.A: Describe the rotational kinetic energy of a rigid system in terms of the rotational inertia and angular velocity of that rigid system.

    • 6.1.A.1 The rotational kinetic energy of an object or rigid system is related to the rotational inertia and angular velocity of the rigid system and is given by the equation $K = \frac{1}{2} I \omega^2$.
      • 6.1.A.1.i The rotational inertia of an object about a fixed axis can be used to show that the rotational kinetic energy of that object is equivalent to its translational kinetic energy, which is its total kinetic energy.
      • 6.1.A.1.ii The total kinetic energy of a rigid system is the sum of its rotational kinetic energy due to its rotation about its center of mass and the translational kinetic energy due to the linear motion of its center of mass.
    • 6.1.A.2 A rigid system can have rotational kinetic energy while its center of mass is at rest due to the individual points within the rigid system having linear speed and, therefore, kinetic energy.
    • 6.1.A.3 Rotational kinetic energy is a scalar quantity.
    日本語

    学習目標 6.1.A: 回転慣性と角速度を用いて、剛体系の回転運動エネルギーを説明する。

    • 6.1.A.1 物体または剛体系の回転運動エネルギーは、剛体系の回転慣性と角速度に関連しており、以下の式で与えられる $K = \frac{1}{2} I \omega^2$。
      • 6.1.A.1.i 固定軸に関する物体の回転慣性を用いることで、その物体の回転運動エネルギーが並進運動エネルギー(=全運動エネルギー)に等しいことを示せる。
      • 6.1.A.1.ii 剛体系の全運動エネルギーは、重心周りの回転による回転運動エネルギーと、重心の直線運動による並進運動エネルギーの和である。
    • 6.1.A.2 剛体系は重心が静止していても、内部の各点が線速度を持ち、したがって運動エネルギーを持つため、回転運動エネルギーを持つことができる。
    • 6.1.A.3 回転運動エネルギーはスカラー量である。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    A spinning object has rotational kinetic energy 转动动能, the rotational twin of $\tfrac12 mv^2$:

    $$K_{\text{rot}}=\tfrac{1}{2}I\omega^2.$$
    An object that both moves and spins (like a rolling ball) has both translational and rotational kinetic energy, and its total is $K=\tfrac12 mv^2+\tfrac12 I\omega^2$.

    日本語

    回転している物体には回転運動エネルギーがあり、これは$\tfrac12 mv^2$の回転版です:

    $$K_{\text{rot}}=\tfrac{1}{2}I\omega^2.$$
    移動しながら回転する物体(転がる球など)は、並進運動エネルギーと回転運動エネルギーの両方を持ちます。その合計は$K=\tfrac12 mv^2+\tfrac12 I\omega^2$です。

    6.2

    Torque and Work · ⁨トルクと仕事⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 6.2.A: Describe the work done on a rigid system by a given torque or collection of torques.

    • 6.2.A.1 A torque can transfer energy into or out of an object or rigid system if the torque is exerted over an angular displacement.
    • 6.2.A.2 The amount of work done on a rigid system by a torque is related to the magnitude of that torque and the angular displacement through which the rigid system rotates during the interval in which that torque is exerted.
      • Equation: $W = \tau \Delta\theta$
    • 6.2.A.3 Work done on a rigid system by a given torque can be found from the area under the curve of a graph of torque as a function of angular position.
    日本語

    学習目標 6.2.A: 与えられたトルクまたはトルクの集合が剛体系に対して行う仕事について説明する。

    • 6.2.A.1 トルクが角変位にわたって加わる場合、そのトルクは物体や剛体系へエネルギーを伝達したり取り出したりすることができる。
    • 6.2.A.2 剛体系に対するトルクによる仕事量は、そのトルクの大きさおよび、そのトルクが加わる期間中に剛体系が回転する角変位と関連している。
      • 式: $W = \tau \Delta\theta$
    • 6.2.A.3 与えられたトルクによる剛体系の仕事は、角位置を横軸とするトルクのグラフの曲線下面積から求めることができる。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    A torque acting through an angular displacement does work, changing rotational kinetic energy:

    $$W=\tau\,\Delta\theta,\qquad P=\tau\omega.$$
    This is the rotational form of $W=Fd$ and $P=Fv$, and it extends the work–energy theorem to rotation.

    Worked example. A motor applies a steady torque of $8.0\ \text{N m}$ to a flywheel while it turns through $10\ \text{rad}$. The work done is $W=\tau\,\Delta\theta=8.0\times10=80\ \text{J}$, and if the flywheel started from rest this all becomes rotational kinetic energy.

    日本語

    角変位に対して作用するトルクは仕事を行ない、回転運動エネルギーを変化させます:

    $$W=\tau\,\Delta\theta,\qquad P=\tau\omega.$$
    これは$W=Fd$および$P=Fv$の回転形であり、仕事-エネルギーの定理を回転運動に拡張したものです。

    計算例。 モーターがフライホイールに$8.0\ \text{N m}$の一定のトルクを加えながら$10\ \text{rad}$だけ回転させます。行なわれた仕事は$W=\tau\,\Delta\theta=8.0\times10=80\ \text{J}$であり、フライホイールが静止状態から始まった場合、この全エネルギーが回転運動エネルギーになります。

    Explore · ⁨探索⁩

    Balance torques on a seesaw · ⁨こけびの上でのモーメントを釣り合わせる⁩

    Torque is force times perpendicular distance, $\tau = Fd$. The beam balances when the torques on each side are equal — move the forces and distances to find the balance point. · ⁨モーメント は力に垂直距離を掛けたもの、$\tau = Fd$。両側のモーメントが等しくなればビームは釣り合い、力を動かして釣り合い点を見つけろ。⁩

    6.3

    Angular Momentum and Angular Impulse · ⁨角運動量と角インパルス⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 6.3.A: Describe the angular momentum of an object or rigid system.

    • 6.3.A.1 The magnitude of the angular momentum of a rigid system about a specific axis can be described with the equation $L = I\omega$.
    • 6.3.A.2 The magnitude of the angular momentum of an object about a given point is $L = rmv \sin\theta$.
      • 6.3.A.2.i The selection of the axis about which an object is considered to rotate influences the determination of the angular momentum of that object.
      • 6.3.A.2.ii The measured angular momentum of an object traveling in a straight line depends on the distance between the reference point and the object, the mass of the object, the speed of the object, and the angle between the radial distance and the velocity of the object.

    Learning Objective 6.3.B: Describe the angular impulse delivered to an object or rigid system by a torque.

    • 6.3.B.1 Angular impulse is defined as the product of the torque exerted on an object or rigid system and the time interval during which the torque is exerted.
      • Equation: $\text{angular impulse} = \tau \Delta t$
    • 6.3.B.2 Angular impulse has the same direction as the torque exerted on the object or system.
    • 6.3.B.3 The angular impulse delivered to an object or rigid system by a torque can be found from the area under the curve of a graph of the torque as a function of time.

    Learning Objective 6.3.C: Relate the change in angular momentum of an object or rigid system to the angular impulse given to that object or rigid system.

    • 6.3.C.1 The magnitude of the change in angular momentum can be described by comparing the magnitudes of the final and initial angular momenta of the object or rigid system: $\Delta L = L - L_0$
    • 6.3.C.2 A rotational form of the impulse–momentum theorem relates the angular impulse delivered to an object or rigid system and the change in angular momentum of that object or rigid system.
      • 6.3.C.2.i The angular impulse exerted on an object or rigid system is equal to the change in angular momentum of that object or rigid system.
        • Equation: $\Delta L = \tau \Delta t$
      • 6.3.C.2.ii The rotational form of the impulse–momentum theorem is a direct result of the rotational form of Newton's second law of motion for cases in which rotational inertia is constant: $\tau_{\text{net}} = \dfrac{\Delta L}{\Delta t} = I \dfrac{\Delta\omega}{\Delta t} = I\alpha$
    • 6.3.C.3 The net torque exerted on an object is equal to the slope of the graph of the angular momentum of an object as a function of time.
    • 6.3.C.4 The angular impulse delivered to an object is equal to the area under the curve of a graph of the net external torque exerted on an object as a function of time.

    Boundary statement: While AP Physics 1 expects that students can mathematically manipulate the magnitude of angular momentum using one-dimensional vector conventions, the direction of angular momentum and angular impulse is beyond the scope of the course.

    日本語

    学習目標 6.3.A: 物体や剛体系の角運動量について説明する。

    • 6.3.A.1 特定の軸に関する剛体系の角運動量の大きさは、式 $L = I\omega$ で記述できる。
    • 6.3.A.2 特定の点に関するある物体の角運動量の大きさは$L = rmv \sin\theta$である。
      • 6.3.A.2.i 物体が回転すると見なす軸の選択は、その物体の角運動量の決定に影響を与える。
      • 6.3.A.2.ii 直進運動をする物体の測定された角運動量は、参照点と物体との距離、物体の質量、物体の速さ、および半径ベクトルと物体の速度とのなす角に依存する。

    学習目標 6.3.B: トルクによって物体や剛体系に与えられる角インパルスについて説明する。

    • 6.3.B.1 角インパルスとは、物体や剛体系に加わるトルクと、そのトルクが加わる時間区間の積として定義される。
      • 式: $\text{angular impulse} = \tau \Delta t$
    • 6.3.B.2 角インパルスの方向は、物体や系上加わるトルクの方向と同じである。
    • 6.3.B.3 トルクによって物体や剛体系に与えられる角インパルスは、時間を横軸とするトルクのグラフの曲線下面積から求めることができる。

    学習目標 6.3.C: 物体や剛体系の角運動量の変化と、それらの物体や剛体系に与えられた角インパルスの関係を説明する。

    • 6.3.C.1 角運動量の変化の大きさは、物体や剛体系の最終角運動量と初期角運動量の大きさを比較して記述できる:$\Delta L = L - L_0$
    • 6.3.C.2 インパルス・モーメント定理の回転形は、物体や剛体系に与えられた角インパルスと、それらの物体や剛体系の角運動量の変化を関連づける。
      • 6.3.C.2.i 物体や剛体系に加えられた角インパルスは、それらの物体や剛体系の角運動量の変化に等しい。
        • 数式: $\Delta L = \tau \Delta t$
      • 6.3.C.2.ii 回転慣性が一定の場合におけるニュートンの第二法則の回転形の直接的な結果として、インパルス・モーメント定理の回転形が成立する:$\tau_{\text{net}} = \dfrac{\Delta L}{\Delta t} = I \dfrac{\Delta\omega}{\Delta t} = I\alpha$
    • 6.3.C.3 物体に加えられた正味トルクは、時間を横軸とする物体の角運動量のグラフの傾きに等しい。
    • 6.3.C.4 物体に与えられた角インパルスは、時間を横軸とする物体に加えられた正味外トルクのグラフの曲線下面積に等しい。

    境界声明: AP Physics 1では、学生が一次元ベクトルの慣例を用いて角運動量の大きさを数学的に操作できると期待されるが、角運動量および角インパルスの方向については、本課程の範囲を超えている。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Angular momentum 角动量 is the rotational version of linear momentum:

    $$L=I\omega.$$
    A net torque acting over time delivers an angular impulse 角冲量 that changes it: $\tau\,\Delta t=\Delta L$ – the rotational impulse–momentum theorem.

    日本語

    角運動量は、線運動量の回転版です:

    $$L=I\omega.$$
    時間を通じて作用する正味トルクは角インパルスを与え、角運動量を変化させます:$\tau\,\Delta t=\Delta L$ — これは角インパルス-角運動量の定理です。

    6.4

    Conservation of Angular Momentum · ⁨角運動量の保存⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 6.4.A: Describe the behavior of a system using conservation of angular momentum.

    • 6.4.A.1 The total angular momentum of a system about a rotational axis is the sum of the angular momenta of the system's constituent parts about that axis.
    • 6.4.A.2 Any change to a system's angular momentum must be due to an interaction between the system and its surroundings.
      • 6.4.A.2.i The angular impulse exerted by one object or system on a second object or system is equal and opposite to the angular impulse exerted by the second object or system on the first. This is a direct result of Newton's third law.
      • 6.4.A.2.ii A system may be selected so that the total angular momentum of that system is constant.
      • 6.4.A.2.iii The angular speed of a nonrigid system may change without the angular momentum of the system changing if the system changes shape by moving mass closer to or further from the rotational axis.
      • 6.4.A.2.iv If the total angular momentum of a system changes, that change will be equivalent to the angular impulse exerted on the system.

    Learning Objective 6.4.B: Describe how the selection of a system determines whether the angular momentum of that system changes.

    • 6.4.B.1 Angular momentum is conserved in all interactions.
    • 6.4.B.2 If the net external torque exerted on a selected object or rigid system is zero, the total angular momentum of that system is constant.
    • 6.4.B.3 If the net external torque exerted on a selected object or rigid system is nonzero, angular momentum is transferred between the system and the environment.
    日本語

    学習目標 6.4.A: 角運動量の保存則を用いて系の挙動について説明する。

    • 6.4.A.1 回転軸に関する系の全角運動量は、その軸に関する系を構成する各部分の角運動量の和である。
    • 6.4.A.2 系の角運動量の変化は、必ず系と環境との相互作用に起因する。
      • 6.4.A.2.i 第一の物体または系が第二の物体または系に加えたり受けたりした角インパルスは、第二の物体または系が第一の物体または系に加えたり受けたりした角インパルスと等しく逆向きである。これはニュートンの第三法則の直接的な結果である。
      • 6.4.A.2.ii 系の全角運動量が一定となるように系を選択することが可能である。
      • 6.4.A.2.iii 非剛体系の角速度は、質量を回転軸に近い位置から遠い位置へ、あるいはその逆へ動かして形状を変えることで変化しうるが、このとき系の角運動量は変化しない。
      • 6.4.A.2.iv 系の全角運動量に変化が生じた場合、その変化は系に加えられた角インパルスに等しい。

    学習目標 6.4.B: 系の選択が、その系の角運動量の変化の有無をどう決定するかについて説明する。

    • 6.4.B.1 角運動量はすべての相互作用において保存される。
    • 6.4.B.2 選択された物体や剛体系に加えられた正味外トルクがゼロであれば、その系の全角運動量は一定である。
    • 6.4.B.3 選択された物体や剛体系に加えられた正味外トルクがゼロでない場合、角運動量は系と環境の間で移動する。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    If the net external torque on a system is zero, its total angular momentum is conserved 守恒:

    $$I_1\omega_1=I_2\omega_2.$$
    So if $I$ decreases, $\omega$ increases to keep $L$ constant – this is why a spinning skater speeds up when pulling their arms in. It applies to collisions and explosions of rotating systems too.

    Worked example. A skater spins at $2.0\ \text{rev/s}$ with rotational inertia $I_1=4.0\ \text{kg m}^2$. She pulls her arms in, dropping her rotational inertia to $I_2=1.6\ \text{kg m}^2$. With no external torque, angular momentum is conserved:

    $$\omega_2=\frac{I_1}{I_2}\,\omega_1=\frac{4.0}{1.6}\times2.0=5.0\ \text{rev/s}.$$
    Her kinetic energy actually rises – the extra energy comes from the work her muscles do pulling her arms in against the outward pull.

    日本語

    システムに働く正味の外部トルクがゼロの場合、その全角運動量は保存されます:

    $$I_1\omega_1=I_2\omega_2.$$
    したがって、$I$ が減少すると、$\omega$ は増加して $L$ を一定に保ちます。これが、スケート選手が腕を引き寄せて回転を速める理由です。回転系の衝突や爆発にも適用されます。

    計算例。 スケーターが$2.0\ \text{rev/s}$で回転しており、回転慣性は$I_1=4.0\ \text{kg m}^2$です。彼女が腕を引き寄せると、回転慣性は$I_2=1.6\ \text{kg m}^2$まで低下します。外部トルクがないため、角運動量は保存されます:

    $$\omega_2=\frac{I_1}{I_2}\,\omega_1=\frac{4.0}{1.6}\times2.0=5.0\ \text{rev/s}.$$
    彼女の運動エネルギーは実際には増加します。追加されたエネルギーは、腕を引き寄せる際に筋肉が行なった仕事(外向きの張りに対して)から来ています。

    内側への質量引き寄せによりIが低下し、L = Iωを保存するためにωが上昇
    内側への質量引き寄せによりIが低下し、L = Iωを保存するためにωが上昇
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    rotational kinetic energy/rəʊˈteɪʃənl kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ 回転運動エネルギー
    Angular momentum/ˈæŋɡjʊlə məʊˈmentəm/ 角運動量
    angular impulse/ˈæŋɡjʊlə ˈɪmpʌls/ 角冲動
    conserved/kənˈsɜːvd/ 保存されている
    6.5

    Rolling · ⁨転がり⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 6.5.A: Describe the kinetic energy of a system that has translational and rotational motion.

    • 6.5.A.1 The total kinetic energy of a system is the sum of the system's translational and rotational kinetic energies.
      • Equation: $K_{\text{tot}} = K_{\text{trans}} + K_{\text{rot}}$

    Learning Objective 6.5.B: Describe the motion of a system that is rolling without slipping.

    • 6.5.B.1 While rolling without slipping, the translational motion of a system's center of mass is related to the rotational motion of the system itself with the equations:
      • Equation: $\Delta x_{\text{cm}} = r\Delta\theta$
      • Equation: $v_{\text{cm}} = r\omega$
      • Equation: $a_{\text{cm}} = r\alpha$
    • 6.5.B.2 For ideal cases, rolling without slipping implies that the frictional force does not dissipate any energy from the rolling system.

    Learning Objective 6.5.C: Describe the motion of a system that is rolling while slipping.

    • 6.5.C.1 When slipping, the motion of a system's center of mass and the system's rotational motion cannot be directly related.
    • 6.5.C.2 When a rotating system is slipping relative to another surface, the point of application of the force of kinetic friction exerted on the system moves with respect to the surface, so the force of kinetic friction will dissipate energy from the system.

    Boundary statement: Rolling friction is beyond the scope of AP Physics 1.

    Boundary statement: The precise mathematical relationships between linear and angular quantities while a rigid body is rolling while slipping are beyond the scope of AP Physics 1 and 2, and students will not be expected to model those relationships quantitatively. However, students are expected to qualitatively explain the changes to linear and angular quantities while a rigid body is rolling while slipping.

    日本語

    学習目標 6.5.A: 並進運動と回転運動の両方を持つ系の運動エネルギーについて説明する。

    • 6.5.A.1 系の全運動エネルギーは、系の並進運動エネルギーと回転運動エネルギーの和である。
      • 式: $K_{\text{tot}} = K_{\text{trans}} + K_{\text{rot}}$

    学習目標 6.5.B: 滑りなく転がる系の運動について説明する。

    • 6.5.B.1 滑りなく転動する際、系の重心の並進運動は、系自体の回転運動と以下の式によって関係付けられる:
      • 式: $\Delta x_{\text{cm}} = r\Delta\theta$
      • 式: $v_{\text{cm}} = r\omega$
      • 式: $a_{\text{cm}} = r\alpha$
    • 6.5.B.2 理想caseでは、滑りなく転動することは、摩擦力が転動系からエネルギーを散逸させないことを意味する。

    学習目標 6.5.C: 滑りながら転動する系の運動を説明せよ。

    • 6.5.C.1 滑りが生じている場合、系の重心の運動と系の回転運動は直接関連づけられない。
    • 6.5.C.2 回転している系が別の表面に対して滑り发生时、系に作用する動摩擦の力の作用点は表面に対して移動するため、動摩擦力は系からエネルギーを散逸させる。

    境界声明: 転動摩擦はAP Physics 1のカリキュラム範囲外である。

    境界声明: 剛体が滑りながら転動する際の線量と角量の間の正確な数学的関係はAP Physics 1および2のカリキュラム範囲外であり、学生はこれらの関係を定量的にモデル化することが期待されない。しかし、剛体が滑りながら転動する際の線量および角量の変化について、定性的に説明することが期待される。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Rolling without slipping 纯滚动 links the translational and rotational motions: the contact point is momentarily at rest, so

    $$v=r\omega \qquad\text{and}\qquad a=r\alpha.$$
    A rolling object's energy splits between translation and rotation, so on an incline it accelerates more slowly than a frictionless sliding object – some energy goes into spin.

    Worked example. For a solid disk ($I=\tfrac12 mR^2$) that rolls without slipping, what fraction of its kinetic energy is rotational? Using $v=R\omega$, the rotational part is $\tfrac12 I\omega^2=\tfrac12(\tfrac12 mR^2)\omega^2=\tfrac14 mv^2$, while the translational part is $\tfrac12 mv^2$. So the total is $\tfrac34 mv^2$ and the rotational share is $\tfrac{1/4}{3/4}=\tfrac13$. A hoop, with its mass farther out, stores half its energy in spin and rolls down a ramp even more slowly.

    日本語

    すべりなく転がることは、並進運動と回転運動を結びつけます。接触点は瞬間的に静止しているため、

    $$v=r\omega \qquad\text{and}\qquad a=r\alpha.$$
    転がる物体のエネルギーは並進と回転に分配されるため、摩擦のない滑り落ちる物体よりも傾斜面上での加速度が遅くなります。一部のエネルギーが回転に使われるからです。

    計算例。 すべりなく転がる実心円板($I=\tfrac12 mR^2$)について、運動エネルギーの何分の一が回転部分か? $v=R\omega$を用いると、回転部分は$\tfrac12 I\omega^2=\tfrac12(\tfrac12 mR^2)\omega^2=\tfrac14 mv^2$、並進部分は$\tfrac12 mv^2$となる。したがって全エネルギーは$\tfrac34 mv^2$であり、回転の割合は$\tfrac{1/4}{3/4}=\tfrac13$である。質量が外側に分布する輪(ホープ)は、エネルギーの半分を回転に蓄えるため、斜面を下る際さらに遅くなる。

    すべりなく転がる際は接触点が静止しているため、v = rω
    すべりなく転がる際は接触点が静止しているため、v = rω
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Rolling without slipping/ˈrəʊlɪŋ wɪˈðaʊt ˈslɪpɪŋ/ 滑りなしの転がり
    satellite/ˈsætəlaɪt/ 衛星
    6.6

    Motion of Orbiting Satellites · ⁨軌道にある衛星の運動⁩

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 6.6.A: Describe the motions of a system consisting of two objects interacting only via gravitational forces.

    • 6.6.A.1 In a system consisting only of a massive central object and an orbiting satellite with mass that is negligible in comparison to the central object's mass, the motion of the central object itself is negligible.
    • 6.6.A.2 The motion of satellites in orbits is constrained by conservation laws.
      • 6.6.A.2.i In circular orbits, the system's total mechanical energy, the system's gravitational potential energy, and the satellite's angular momentum and kinetic energy are constant.
      • 6.6.A.2.ii In elliptical orbits, the system's total mechanical energy and the satellite's angular momentum are constant, but the system's gravitational potential energy and the satellite's kinetic energy can each change.
      • 6.6.A.2.iii The gravitational potential energy of a system consisting of a satellite and a massive central object is defined to be zero when the satellite is an infinite distance from the central object.
        • Equation: $U_g = -G\dfrac{m_1 m_2}{r}$
    • 6.6.A.3 The escape velocity of a satellite is the satellite's velocity such that the mechanical energy of the satellite–central-object system is equal to zero.
      • 6.6.A.3.i When the only force exerted on a satellite is gravity from a central object, a satellite that reaches escape velocity will move away from the central body until its speed reaches zero at an infinite distance from the central body.
      • 6.6.A.3.ii The escape velocity of a satellite from a central body of mass $M$ can be derived using conservation of energy laws.
        • Equation (derived): $v_{\text{esc}} = \sqrt{\dfrac{2GM}{r}}$
    日本語

    学習目標 6.6.A: 重力のみによって相互作用する2つの物体からなる系の運動を説明せよ。

    • 6.6.A.1 質量が中心物体に対して無視できるほど小さい卫星のみの系において、中心物体自身の運動は無視できる程度である。
    • 6.6.A.2 軌道における衛星の運動は保存則によって制約される。
      • 6.6.A.2.i 円軌道では、系の全機械的エネルギー、系の重力ポテンシャルエネルギー、衛星の角運動量および運動エネルギーは一定である。
      • 6.6.A.2.ii 楕円軌道では、系の全機械的エネルギーと衛星の角運動量は一定であるが、系の重力ポテンシャルエネルギーと衛星の運動エネルギーはそれぞれ変化しうる。
      • 6.6.A.2.iii 衛星と大質量中心物体からなる系の重力ポテンシャルエネルギーは、衛星が中心物体から無限遠にあるときゼロと定義される。
        • 数式: $U_g = -G\dfrac{m_1 m_2}{r}$
    • 6.6.A.3 衛星の脱出速度とは、衛星-中心物体系の機械的エネルギーがゼロとなる衛星の速度のことである。
      • 6.6.A.3.i 衛星に働く力が中心物体からの重力のみである場合、脱出速度に達した衛星は中心天体から離れ、中心天体から無限遠で速度がゼロになるまで移動する。
      • 6.6.A.3.ii 質量$M$の中心天体からの衛星の脱出速度は、エネルギー保存則を用いて導出できる。
        • 式(導出): $v_{\text{esc}} = \sqrt{\dfrac{2GM}{r}}$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English
    Orbital motion (Kepler's 2nd law)

    A satellite 卫星 in orbit is in free fall: gravity provides the exact centripetal force needed to curve its path into an orbit. Setting gravity equal to the centripetal requirement,

    $$\frac{GMm}{r^2}=\frac{mv^2}{r}\ \Rightarrow\ v=\sqrt{\frac{GM}{r}}.$$
    So a larger orbit means a slower speed. For a circular orbit, angular momentum and mechanical energy are both constant; for an elliptical orbit, angular momentum is conserved (no torque about the planet) while speed varies – fastest when closest.

    Worked example. Find the speed of a satellite in a low orbit just above the Earth, radius $r=6.4\times10^{6}\ \text{m}$, with $GM=4.0\times10^{14}\ \text{m}^3/\text{s}^2$:

    $$v=\sqrt{\frac{GM}{r}}=\sqrt{\frac{4.0\times10^{14}}{6.4\times10^{6}}}=\sqrt{6.25\times10^{7}}\approx 7.9\times10^{3}\ \text{m/s},$$
    about $7.9\ \text{km/s}$ – and notice that the satellite's mass cancels, so all low orbits share this speed.

    Escape velocity 逃逸速度 is the launch speed that just lets an object leave for good: its total mechanical energy is exactly zero, so it slows to zero speed only at infinite distance. Setting $\tfrac12 mv^2 - \dfrac{GMm}{r}=0$ (using the general gravitational PE $U_g=-GMm/r$) and solving for $v$,

    $$v_{\text{esc}}=\sqrt{\frac{2GM}{r}}.$$
    It is $\sqrt2$ times the circular-orbit speed at the same radius, and (like orbital speed) does not depend on the escaping object's mass.

    日本語
    軌道運動(ケプラーの第2法則)

    軌道にある卫星は自由落下状态にあります:重力が軌道に曲げるために必要な正確な向心力を提供しています。重力を向心力の必要量と等しく置くことで、

    $$\frac{GMm}{r^2}=\frac{mv^2}{r}\ \Rightarrow\ v=\sqrt{\frac{GM}{r}}.$$
    したがって、より大きな軌道ほど速度は遅くなります。円軌道の場合は、角運動量と機械的エネルギーの両方が一定です。楕円軌道の場合は、惑星に対するトルクがないため角運動量は保存されますが、速度は変化し、最も近接点では最速となります。

    重力が卫星を轨道に留める向心力を提供
    重力が卫星を轨道に留める向心力を提供

    計算例。 地球直上の低軌道にある卫星の速度を求めよ。半径は$r=6.4\times10^{6}\ \text{m}$、$GM=4.0\times10^{14}\ \text{m}^3/\text{s}^2$とする:

    $$v=\sqrt{\frac{GM}{r}}=\sqrt{\frac{4.0\times10^{14}}{6.4\times10^{6}}}=\sqrt{6.25\times10^{7}}\approx 7.9\times10^{3}\ \text{m/s},$$
    約$7.9\ \text{km/s}$ — 注意到卫星の質量が相殺され、すべての低軌道がこの速度を持つことに留意せよ。

    国际空间站绕地球运行的照片
    国际空间站:重力のみによって轨道に留められた真实的卫星

    ** escape velocity** は、物体が完全に脱出できるための最小の射出速度である。全機械的エネルギーがちょうどゼロであるため、無限遠で速度がゼロになるまで減速する。$\tfrac12 mv^2 - \dfrac{GMm}{r}=0$を置く(一般重力ポテンシャルエネルギー$U_g=-GMm/r$を使用)ことで$v$を求める。

    $$v_{\text{esc}}=\sqrt{\frac{2GM}{r}}.$$
    これは同じ半径での円軌道速度の$\sqrt2$倍であり、(軌道速度と同様に)脱出する物体の質量には依存しない。

    Explore · ⁨探索⁩

    Compare orbits at different radii · ⁨異なる半径での軌道を比較する⁩

    A satellite is in free fall, its gravity supplying the centripetal force. A larger orbit means a slower speed and a longer period — Kepler's third law. · ⁨衛星は 自由落下 にあり、重力が向心力を供給している。大きな軌道ほど速度は遅く、周期も長い — ケプラーの第三法則。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Escape velocity/eˈskeɪp vəˈlɒsɪti/ 脱出速度
    6.6

    Exam tips · ⁨試験対策⁩

    English
    • Conserve angular momentum $L=I\omega$ when no external torque acts: a smaller $I$ (arms pulled in) gives a larger $\omega$.
    • A rolling object splits its energy between $\tfrac12 mv^2$ and $\tfrac12 I\omega^2$, linked by $v=r\omega$ — so it accelerates down a ramp more slowly than a sliding one.
    • For a circular orbit set gravity equal to the centripetal requirement: $v=\sqrt{GM/r}$, so a larger orbit is slower and the satellite's mass cancels.
    • Pulling in raises the spin and the kinetic energy — the extra energy comes from the work done pulling inward; $L$ is unchanged.
    • Watch which rotational quantity is conserved: $L$ (no torque) versus energy (no friction) are different conditions.
    日本語
    • 外部トルクが働かないとき角運動量$L=I\omega$を保存する:腕を引き寄せた結果$I$が小さくなると、$\omega$が大きくなる。
    • 転がる物体は$\tfrac12 mv^2$と$\tfrac12 I\omega^2$の間でエネルギーを分配し、$v=r\omega$で結ばれている—したがって滑り落ちる物体よりも斜面を下る際の加速度が遅い。
    • 円軌道では重力を向心力の必要量と等しくする:$v=\sqrt{GM/r}$、したがって大きな軌道ほど遅く、卫星の質量は相殺される。
    • 引き寄せると回転が加速し運動エネルギーも増加する—追加されたエネルギーは内側へ引く際に行なわれた仕事から来ており、$L$は不変である。
    • どの回転量が保存されるかに注意する:$L$(トルクなし)とエネルギー(摩擦なし)は異なる条件である。
  • 7

    Oscillations · ⁨振動⁩

    Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
    7.1

    Defining Simple Harmonic Motion

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 7.1.A: Describe simple harmonic motion.

    • 7.1.A.1 Simple harmonic motion is a special case of periodic motion.
    • 7.1.A.2 SHM results when the magnitude of the restoring force exerted on an object is proportional to that object's displacement from its equilibrium position.
      • Equation: $ma_x = -k\Delta x$
      • 7.1.A.2.i A restoring force is a force that is exerted in a direction opposite to the object's displacement from an equilibrium position.
      • 7.1.A.2.ii An equilibrium position is a location at which the net force exerted on an object or system is zero.
      • 7.1.A.2.iii The motion of a pendulum with a small angular displacement can be modeled as simple harmonic motion because the restoring torque is proportional to the angular displacement.
    日本語

    学習目標 7.1.A: 単純調和運動を説明せよ。

    • 7.1.A.1 単純調和運動は周期運動の特別なケースである。
    • 7.1.A.2 物体に作用する復元力の大きさが、その物体の平衡位置からの変位に比例する場合、SHMが生じる。
      • 式: $ma_x = -k\Delta x$
      • 7.1.A.2.i 復元力とは、物体の平衡位置からの変位の方向と逆向きに作用する力のことである。
      • 7.1.A.2.ii 平衡位置とは、物体または系に作用する合力がゼロとなる位置である。
      • 7.1.A.2.iii 微小角変位を持つ単振り子の運動は、復元モーメントが角変位に比例するため、単純調和運動としてモデル化できる。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English
    Simple harmonic motion

    Simple harmonic motion 简谐运动 (SHM) is a back-and-forth oscillation 振动 caused by a restoring force 回复力 that is proportional to the displacement from equilibrium and always points back toward it: $F=-kx$. A mass on a spring and (for small angles) a pendulum are the standard examples. Because the force grows with displacement, the motion is smooth and repeating, tracing a sine curve in time.

    The test for SHM is exactly this: acceleration proportional to displacement and opposite in direction, $a=-\dfrac{k}{m}x$. A pendulum only obeys it for small swings, where $\sin\theta\approx\theta$; large swings are not quite SHM.

    日本語
    Simple harmonic motion

    Simple harmonic motion 简谐运动 (SHM) is a back-and-forth oscillation 振动 caused by a restoring force 回复力 that is proportional to the displacement from equilibrium and always points back toward it: $F=-kx$. A mass on a spring and (for small angles) a pendulum are the standard examples. Because the force grows with displacement, the motion is smooth and repeating, tracing a sine curve in time.

    In SHM the acceleration always points back towards equilibrium, opposite the displacement
    In SHM the acceleration always points back towards equilibrium, opposite the displacement

    The test for SHM is exactly this: acceleration proportional to displacement and opposite in direction, $a=-\dfrac{k}{m}x$. A pendulum only obeys it for small swings, where $\sin\theta\approx\theta$; large swings are not quite SHM.

    A spring under load: Hooke's law F = −kx is the restoring force that produces SHM
    A spring under load: Hooke's law F = −kx is the restoring force that produces SHM
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Simple harmonic motion/ˈsɪmpl hɑːˈmɒnɪk ˈməʊʃn/ 単振動
    oscillation/ˌɒsɪˈleɪʃn/ 振動
    restoring force/rɪˈstɔːrɪŋ fɔːs/ 復元力
    7.2

    Frequency and Period of SHM

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 7.2.A: Describe the frequency and period of an object exhibiting SHM.

    • 7.2.A.1 The period of SHM is related to the frequency $f$ of the object's motion by the following equation:
      • Equation: $T = \dfrac{1}{f}$
      • 7.2.A.1.i The period of an object–ideal-spring oscillator is given by the equation $T_s = 2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}$.
      • 7.2.A.1.ii The period of a simple pendulum displaced by a small angle is given by the equation $T_p = 2\pi\sqrt{\dfrac{\ell}{g}}$.
    日本語

    学習目標 7.2.A: SHMを示す物体の振動数と周期を説明せよ。

    • 7.2.A.1 SHMの周期は、物体の運動の振動数$f$と以下の式で関係付けられる:
      • 式: $T = \dfrac{1}{f}$
      • 7.2.A.1.i 物体-理想ばね振動系の周期は、以下の式で与えられる:$T_s = 2\pi\sqrt{\dfrac{m}{k}}$。
      • 7.2.A.1.ii 微小角度で変位した単振り子の周期は、以下の式で与えられる:$T_p = 2\pi\sqrt{\dfrac{\ell}{g}}$。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English
    • The period 周期 $T$ is the time for one full cycle.
    • The frequency 频率 $f=\dfrac{1}{T}$ is cycles per second (hertz).

    For SHM these depend only on the system, not on the amplitude:

    $$T_{\text{spring}}=2\pi\sqrt{\frac{m}{k}},\qquad T_{\text{pendulum}}=2\pi\sqrt{\frac{L}{g}}.$$
    So a stiffer spring or smaller mass oscillates faster; a longer pendulum swings slower.

    Worked example. A $0.25\ \text{kg}$ mass hangs on a spring of stiffness $k=100\ \text{N/m}$. Its period is

    $$T=2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}=2\pi\sqrt{\frac{0.25}{100}}=0.31\ \text{s},\qquad f=\frac{1}{T}=3.2\ \text{Hz}.$$

    Worked example. A pendulum clock ticks with a period of exactly $2.0\ \text{s}$. How long is it? Rearranging $T=2\pi\sqrt{L/g}$,

    $$L=g\left(\frac{T}{2\pi}\right)^2=9.8\times\left(\frac{2.0}{2\pi}\right)^2=0.99\ \text{m}.$$
    Notice the amplitude never entered – a wide or narrow swing keeps the same time, which is what makes pendulums good clocks.

    日本語
    • The period 周期 $T$ is the time for one full cycle.
    • The frequency 频率 $f=\dfrac{1}{T}$ is cycles per second (hertz).

    For SHM these depend only on the system, not on the amplitude:

    $$T_{\text{spring}}=2\pi\sqrt{\frac{m}{k}},\qquad T_{\text{pendulum}}=2\pi\sqrt{\frac{L}{g}}.$$
    So a stiffer spring or smaller mass oscillates faster; a longer pendulum swings slower.

    Worked example. A $0.25\ \text{kg}$ mass hangs on a spring of stiffness $k=100\ \text{N/m}$. Its period is

    $$T=2\pi\sqrt{\frac{m}{k}}=2\pi\sqrt{\frac{0.25}{100}}=0.31\ \text{s},\qquad f=\frac{1}{T}=3.2\ \text{Hz}.$$

    Worked example. A pendulum clock ticks with a period of exactly $2.0\ \text{s}$. How long is it? Rearranging $T=2\pi\sqrt{L/g}$,

    $$L=g\left(\frac{T}{2\pi}\right)^2=9.8\times\left(\frac{2.0}{2\pi}\right)^2=0.99\ \text{m}.$$
    Notice the amplitude never entered – a wide or narrow swing keeps the same time, which is what makes pendulums good clocks.

    A set of tuning forks of different sizes
    Tuning forks: a longer, heavier fork vibrates more slowly, giving a lower frequency
    Explore · ⁨探索⁩

    Time a pendulum's swing · ⁨振り子の周期を計測する⁩

    A pendulum's period depends on its length and gravity, not its mass or (small) amplitude: $T=2\pi\sqrt{L/g}$. Lengthen it and each swing takes longer. · ⁨振り子の 周期 は長さや重力加速度に依存し、質量や(小さな)振幅には依存しない:$T=2\pi\sqrt{L/g}$。長くすると各振り子の時間も長くなる。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    period/ˈpɪərɪəd/ 周期の変化率である
    frequency/ˈfriːkwənsi/ 振動数
    7.3

    Representing and Analyzing SHM

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 7.3.A: Describe the displacement, velocity, and acceleration of an object exhibiting SHM.

    • 7.3.A.1 For an object exhibiting SHM, the displacement of that object measured from its equilibrium position can be represented by the equations $x = A\cos(2\pi ft)$ or $x = A\sin(2\pi ft)$.
      • 7.3.A.1.i Minima, maxima, and zeros of displacement, velocity, and acceleration are features of harmonic motion.
      • 7.3.A.1.ii Recognizing the positions or times at which the displacement, velocity, and acceleration for SHM have extrema or zeros can help in qualitatively describing the behavior of the motion.
    • 7.3.A.2 Changing the amplitude of a system exhibiting SHM will not change the period of that system.
    • 7.3.A.3 Properties of SHM can be determined and analyzed using graphical representations.
    日本語

    学習目標 7.3.A: SHMを示す物体の変位、速度、加速度を説明せよ。

    • 7.3.A.1 SHMを示す物体の変位は、平衡位置からの距離として以下の式$x = A\cos(2\pi ft)$または$x = A\sin(2\pi ft)$で表せる。
      • 7.3.A.1.i 変位、速度、加速度の極小値、極大値、およびゼロ点は、調和運動の特徴である。
      • 7.3.A.1.ii SHMの変位、速度、加速度が極値またはゼロをとる位置や時刻を認識することは、運動の挙動を定性的に説明する手助けとなる。
    • 7.3.A.2 SHMを示す系の振幅を変更しても、その系の周期は変わらない。
    • 7.3.A.3 SHMの特性は、グラフ表現を用いて決定・解析できる。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    The displacement varies sinusoidally: $x(t)=A\cos(\omega t)$ (or sine), where $A$ is the amplitude 振幅 (maximum displacement) and $\omega=2\pi f$ is the angular frequency 角频率. Reading the motion:

    • At the extremes ($x=\pm A$): displacement and restoring force are maximum, so acceleration is maximum, but velocity is zero.
    • At equilibrium 平衡 ($x=0$): force and acceleration are zero, but speed is maximum.

    Velocity and acceleration are also sinusoidal, shifted in phase 相位 from the displacement – velocity leads displacement by a quarter cycle, and acceleration is exactly opposite to displacement.

    Read the figure as a story: where $x$ is largest (the turning point), $v$ has just fallen to zero and $a$ is at its most negative, hauling the mass back; a quarter-cycle later the mass races through the middle at top speed with zero acceleration.

    日本語

    The displacement varies sinusoidally: $x(t)=A\cos(\omega t)$ (or sine), where $A$ is the amplitude 振幅 (maximum displacement) and $\omega=2\pi f$ is the angular frequency 角频率. Reading the motion:

    Displacement varies sinusoidally with time in simple harmonic motion
    Displacement varies sinusoidally with time in simple harmonic motion
    • At the extremes ($x=\pm A$): displacement and restoring force are maximum, so acceleration is maximum, but velocity is zero.
    • At equilibrium 平衡 ($x=0$): force and acceleration are zero, but speed is maximum.

    Velocity and acceleration are also sinusoidal, shifted in phase 相位 from the displacement – velocity leads displacement by a quarter cycle, and acceleration is exactly opposite to displacement.

    Displacement, velocity, and acceleration in SHM, each a quarter-cycle apart
    Displacement, velocity, and acceleration in SHM, each a quarter-cycle apart

    Read the figure as a story: where $x$ is largest (the turning point), $v$ has just fallen to zero and $a$ is at its most negative, hauling the mass back; a quarter-cycle later the mass races through the middle at top speed with zero acceleration.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ 振幅
    angular frequency/ˈæŋɡjʊlə ˈfriːkwənsi/ 角周波数
    phase/feɪz/ 位相
    equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 平衡
    7.4

    Energy of Simple Harmonic Oscillators

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 7.4.A: Describe the mechanical energy of a system exhibiting SHM.

    • 7.4.A.1 The total energy of a system exhibiting SHM is the sum of the system's kinetic and potential energies.
      • Equation: $E_{\text{total}} = U + K$
    • 7.4.A.2 Conservation of energy indicates that the total energy of a system exhibiting SHM is constant.
    • 7.4.A.3 The kinetic energy of a system exhibiting SHM is at a maximum when the system's potential energy is at a minimum.
    • 7.4.A.4 The potential energy of a system exhibiting SHM is at a maximum when the system's kinetic energy is at a minimum.
      • 7.4.A.4.i The minimum kinetic energy of a system exhibiting SHM is zero.
      • 7.4.A.4.ii Changing the amplitude of a system exhibiting SHM will change the maximum potential energy of the system and, therefore, the total energy of the system.
      • Relevant equation for a spring–object system: $E_{\text{total}} = \dfrac{1}{2}kA^2$
    日本語

    学習目標 7.4.A: SHMを示す系の機械的エネルギーを説明せよ。

    • 7.4.A.1 SHMを示す系の全エネルギーは、系の運動エネルギーとポテンシャルエネルギーの和である。
      • 式: $E_{\text{total}} = U + K$
    • 7.4.A.2 エネルギー保存則は、SHMを示す系の全エネルギーが一定であることを示唆する。
    • 7.4.A.3 SHMを示す系の運動エネルギーは、系のポテンシャルエネルギーが最小のときに最大となる。
    • 7.4.A.4 SHMを示す系のポテンシャルエネルギーは、系の運動エネルギーが最小となる時に最大となる。
      • 7.4.A.4.i SHMを示す系の最小運動エネルギーはゼロである。
      • 7.4.A.4.ii SHMを示す系の振幅を変化させると、系の最大ポテンシャルエネルギーおよびしたがって系の全エネルギーも変化する。
      • スプリング-物体系に関する関連式: $E_{\text{total}} = \dfrac{1}{2}kA^2$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    Energy conservation: KE ⇄ PE

    Energy sloshes between kinetic and potential while the total stays constant (no friction):

    $$E=\tfrac{1}{2}kA^2 = \tfrac{1}{2}kx^2+\tfrac{1}{2}mv^2.$$
    At the extremes it is all potential; at equilibrium it is all kinetic (maximum speed). Because $E\propto A^2$, doubling the amplitude quadruples the energy.

    Kinetic and potential energy swap over a cycle while the total energy stays constant
    Kinetic and potential energy swap over a cycle while the total energy stays constant

    Worked example. A $0.50\ \text{kg}$ mass on a spring of stiffness $k=200\ \text{N/m}$ oscillates with amplitude $A=0.10\ \text{m}$. Find its maximum speed. All the energy is kinetic at the equilibrium point, so $\tfrac12 kA^2=\tfrac12 mv_{\max}^2$:

    $$v_{\max}=A\sqrt{\frac{k}{m}}=0.10\times\sqrt{\frac{200}{0.50}}=0.10\times20=2.0\ \text{m/s}.$$
    The energy method is faster than tracking the sine functions when you only need the greatest speed.

    Explore · ⁨探索⁩

    Trade kinetic and potential energy in SHM · ⁨SHM で運動エネルギーとポテンシャルエネルギーを交換する⁩

    In simple harmonic motion, energy sloshes between kinetic (fastest at the centre) and potential (greatest at the extremes) while the total stays constant. · ⁨単振動 において、運動エネルギー(中心で最大)とポテンシャルエネルギー(端で最大)の間でエネルギーが往復し、総量は一定である。⁩

    7.4

    Exam tips

    • Test for SHM: the acceleration must be proportional to the displacement and directed back toward the middle ($a=-\tfrac{k}{m}x$).
    • The period does not depend on amplitude — use $T=2\pi\sqrt{m/k}$ (spring) or $T=2\pi\sqrt{L/g}$ (pendulum, small angles).
    • Speed is maximum at the middle (all kinetic) and zero at the extremes (all potential); acceleration is largest at the extremes.
    • Use energy ($\tfrac12 kA^2 = \tfrac12 kx^2 + \tfrac12 mv^2$) to find the maximum speed quickly: $v_{\max}=A\sqrt{k/m}$.
    • Total energy $\propto A^2$, so doubling the amplitude quadruples the energy.
  • 8

    Fluids · ⁨流体⁩

    Watch lesson · ⁨レッスンを視聴⁩
    8.1

    Internal Structure and Density

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 8.1.A: Describe the properties of a fluid.

    • 8.1.A.1 Distinguishing properties of solids, liquids, and gases stem from the varying interactions between atoms and molecules.
    • 8.1.A.2 A fluid is a substance that has no fixed shape.
    • 8.1.A.3 Fluids can be characterized by their density. Density is defined as a ratio of mass to volume.
      • Equation: $\rho = \dfrac{m}{V}$
    • 8.1.A.4 An ideal fluid is incompressible and has no viscosity.
    日本語

    学習目標 8.1.A: 流体の性質を記述する。

    • 8.1.A.1 固体、液体、気体の区別される性質は、原子や分子間の相互作用の違いに由来する。
    • 8.1.A.2 流体とは、固定された形状を持たない物質である。
    • 8.1.A.3 流体は密度によって特徴づけられる。密度とは質量と体積の比として定義される。
      • 式: $\rho = \dfrac{m}{V}$
    • 8.1.A.4 理想流体は圧縮不可能であり、粘性を持たない。

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    The differences between solids, liquids, and gases come from how strongly their particles interact. A fluid 流体 (liquid or gas) has no fixed shape – it flows because its particles move past one another. Density 密度 is mass per unit volume:

    $$\rho=\frac{m}{V}.$$
    It depends on the substance and its state. An object sinks or floats depending on how its density compares with the surrounding fluid's – less dense floats, more dense sinks. An ideal fluid 理想流体 is incompressible 不可压缩 (constant density, whatever the pressure) and has no viscosity 黏度 (internal friction) – the model AP uses throughout.

    日本語

    The differences between solids, liquids, and gases come from how strongly their particles interact. A fluid 流体 (liquid or gas) has no fixed shape – it flows because its particles move past one another. Density 密度 is mass per unit volume:

    $$\rho=\frac{m}{V}.$$
    It depends on the substance and its state. An object sinks or floats depending on how its density compares with the surrounding fluid's – less dense floats, more dense sinks. An ideal fluid 理想流体 is incompressible 不可压缩 (constant density, whatever the pressure) and has no viscosity 黏度 (internal friction) – the model AP uses throughout.

    Explore · ⁨探索⁩

    Float or sink by density · ⁨密度によって浮上か沈下かを決める⁩

    An object floats if it is less dense than the fluid. Change the density and watch it ride higher or sink, displacing its own weight of fluid. · ⁨物体が流体より 密度が小さい 場合、浮上する。密度を変えると、より高く乗ったり沈んだりして、自身の重量分の流体を排気する様子がわかる。⁩

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    fluid/ˈfluːɪd/ 流体として扱う
    Density/ˈdensɪti/ 密度
    ideal fluid/aɪˈdɪəl ˈfluːɪd/ 理想流体
    incompressible/ˌɪnkəmˈpresəbl/ 圧縮不可能な
    viscosity/vɪˈskɒsɪti/ 粘性
    8.2

    Pressure

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 8.2.A: Describe the pressure exerted on a surface by a given force.

    • 8.2.A.1 Pressure is defined as the magnitude of the perpendicular force component exerted per unit area over a given surface area, as described by the equation
      • Equation: $P = \dfrac{F_\perp}{A}$
    • 8.2.A.2 Pressure is a scalar quantity.
    • 8.2.A.3 The volume and density of a given amount of an incompressible fluid is constant regardless of the pressure exerted on that fluid.

    Learning Objective 8.2.B: Describe the pressure exerted by a fluid.

    • 8.2.B.1 The pressure exerted by a fluid is the result of the entirety of the interactions between the fluid's constituent particles and the surface with which those particles interact.
    • 8.2.B.2 The absolute pressure of a fluid at a given point is equal to the sum of a reference pressure $P_0$, such as the atmospheric pressure $P_{\text{atm}}$, and the gauge pressure $P_{\text{gauge}}$.
      • Equation: $P = P_0 + \rho g h$
    • 8.2.B.3 The gauge pressure of a vertical column of fluid is described by the equation
      • Equation: $P_{\text{gauge}} = \rho g h$
    日本語

    学習目標 8.2.A: 与えられた力が表面に及ぼす圧力を記述する。

    • 8.2.A.1 圧力は、ある表面積に対して単位面積あたりに作用する垂直方向の力の成分の大きさとして定義され、以下の式で表される。
      • 式: $P = \dfrac{F_\perp}{A}$
    • 8.2.A.2 圧力はスカラー量である。
    • 8.2.A.3 圧縮不可能な流体のある一定量の体積と密度は、その流体に作用する圧力に関わらず一定である。

    学習目標 8.2.B: 流体が及ぼす圧力を記述する。

    • 8.2.B.1 流体が及ぼす圧力は、流体を構成する粒子とそれらが相互作用する表面との間の相互作用の総和の結果である。
    • 8.2.B.2 流体のある一点における絶対圧力は、基準圧力 $P_0$(例:大気圧 $P_{\text{atm}}$)とゲージ圧 $P_{\text{gauge}}$ の和に等しい。
      • 式: $P = P_0 + \rho g h$
    • 8.2.B.3 垂直な流体柱のゲージ圧は、以下の式で記述される。
      • 式: $P_{\text{gauge}} = \rho g h$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    Pressure 压强 is the perpendicular force per unit area, a scalar 标量 measured in pascals (Pa):

    $$P=\frac{F_\perp}{A}.$$
    In a fluid at rest, pressure increases with depth 深度 because of the weight of fluid above:
    $$P=P_0+\rho g h,$$
    where $P_0$ is the pressure at the surface and $h$ is the depth. Pressure acts equally in all directions at a point and pushes perpendicular to any surface.

    Distinguish the two pressures AP asks about: the gauge pressure 表压 is the extra pressure the fluid column adds, $P_{\text{gauge}}=\rho g h$, while the absolute pressure 绝对压强 is the total, $P=P_0+P_{\text{gauge}}$ (with $P_0$ usually atmospheric). A tyre gauge reading "$200\ \text{kPa}$" is gauge pressure; the air inside is really at about $300\ \text{kPa}$ absolute.

    Worked example. Find the total pressure on a diver $10\ \text{m}$ below the surface of water ($\rho=1000\ \text{kg/m}^3$, surface pressure $P_0=1.0\times10^{5}\ \text{Pa}$):

    $$P=P_0+\rho g h=1.0\times10^{5}+1000\times9.8\times10=1.98\times10^{5}\ \text{Pa}.$$
    Every $10\ \text{m}$ of water adds roughly one extra atmosphere of pressure. Notice the pressure does not depend on the shape or width of the container, only on the depth.

    日本語

    Pressure 压强 is the perpendicular force per unit area, a scalar 标量 measured in pascals (Pa):

    $$P=\frac{F_\perp}{A}.$$
    In a fluid at rest, pressure increases with depth 深度 because of the weight of fluid above:
    $$P=P_0+\rho g h,$$
    where $P_0$ is the pressure at the surface and $h$ is the depth. Pressure acts equally in all directions at a point and pushes perpendicular to any surface.

    Two hydraulic bottle jacks standing side by side, each with a narrow pump lever and a wide lifting ram
    Hydraulic jacks: pressure applied to a small piston is transmitted undiminished through the fluid to a large one, so a small force lifts a car

    Distinguish the two pressures AP asks about: the gauge pressure 表压 is the extra pressure the fluid column adds, $P_{\text{gauge}}=\rho g h$, while the absolute pressure 绝对压强 is the total, $P=P_0+P_{\text{gauge}}$ (with $P_0$ usually atmospheric). A tyre gauge reading "$200\ \text{kPa}$" is gauge pressure; the air inside is really at about $300\ \text{kPa}$ absolute.

    The weight of a liquid column sets the extra pressure at a depth
    The weight of a liquid column sets the extra pressure at a depth

    Worked example. Find the total pressure on a diver $10\ \text{m}$ below the surface of water ($\rho=1000\ \text{kg/m}^3$, surface pressure $P_0=1.0\times10^{5}\ \text{Pa}$):

    $$P=P_0+\rho g h=1.0\times10^{5}+1000\times9.8\times10=1.98\times10^{5}\ \text{Pa}.$$
    Every $10\ \text{m}$ of water adds roughly one extra atmosphere of pressure. Notice the pressure does not depend on the shape or width of the container, only on the depth.

    An aneroid barometer with a circular dial
    An aneroid barometer measures air pressure with a sealed metal box that flexes as the pressure outside changes
    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Pressure/ˈpreʃə/ 圧力
    scalar/ˈskeɪlə/ スカラー
    depth/depθ/ 奥行き
    gauge pressure/ɡeɪdʒ ˈpreʃə/ 計圧
    absolute pressure/ˈæbsəluːt ˈpreʃə/ 絶対圧
    8.3

    Fluids and Newton's Laws

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 8.3.A: Describe the conditions under which a fluid's velocity changes.

    • 8.3.A.1 Newton's laws can be used to describe the motion of particles within a fluid.
    • 8.3.A.2 The macroscopic behavior of a fluid is a result of the internal interactions between the fluid's constituent particles and external forces exerted on the fluid.

    Learning Objective 8.3.B: Describe the buoyant force exerted on an object interacting with a fluid.

    • 8.3.B.1 The buoyant force is a net upward force exerted on an object by a fluid.
    • 8.3.B.2 The buoyant force exerted on an object by a fluid is a result of the collective forces exerted on the object by the particles making up the fluid.
    • 8.3.B.3 The magnitude of the buoyant force exerted on an object by a fluid is equivalent to the weight of the fluid displaced by the object.
      • Equation: $F_b = \rho V g$
    日本語

    学習目標 8.3.A: 流体の速度が変化する条件を記述する。

    • 8.3.A.1 ニュートンの法則を用いて、流体内の粒子の運動を記述できる。
    • 8.3.A.2 流体の巨視的な挙動は、流体を構成する粒子間の内部相互作用および流体に作用する外力の結果である。

    学習目標 8.3.B: 流体と相互作用する物体に及ぼす浮力の説明をする。

    • 8.3.B.1 浮力は、流体が物体に及ぼす上向きの合力である。
    • 8.3.B.2 流体が物体に及ぼす浮力は、流体を構成する粒子が物体に及ぼす合力の結果である。
    • 8.3.B.3 流体が物体に及ぼす浮力の大きさは、物体によって排除された流体の重さと等しい。
      • 式: $F_b = \rho V g$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English
    Buoyancy: float or sink

    An object in a fluid feels an upward buoyant force 浮力 equal to the weight of the fluid it displaces – Archimedes' principle 阿基米德原理:

    $$F_b=\rho_{\text{fluid}}\,g\,V_{\text{displaced}}.$$
    Combine this with Newton's laws: the object floats when buoyancy balances weight, sinks when weight wins, and rises when buoyancy wins. A floating object displaces exactly its own weight of fluid.

    Worked example. A block of density $600\ \text{kg/m}^3$ floats in water ($1000\ \text{kg/m}^3$). What fraction is under the surface? For floating, the buoyant force equals the weight, so $\rho_{\text{fluid}}\,g\,V_{\text{sub}}=\rho_{\text{object}}\,g\,V$:

    $$\frac{V_{\text{sub}}}{V}=\frac{\rho_{\text{object}}}{\rho_{\text{fluid}}}=\frac{600}{1000}=0.60.$$
    So $60\%$ sits below the water – the same reason most of an iceberg (density $\approx 900$) hides underwater.

    日本語
    Buoyancy: float or sink

    An object in a fluid feels an upward buoyant force 浮力 equal to the weight of the fluid it displaces – Archimedes' principle 阿基米德原理:

    $$F_b=\rho_{\text{fluid}}\,g\,V_{\text{displaced}}.$$
    Combine this with Newton's laws: the object floats when buoyancy balances weight, sinks when weight wins, and rises when buoyancy wins. A floating object displaces exactly its own weight of fluid.

    Worked example. A block of density $600\ \text{kg/m}^3$ floats in water ($1000\ \text{kg/m}^3$). What fraction is under the surface? For floating, the buoyant force equals the weight, so $\rho_{\text{fluid}}\,g\,V_{\text{sub}}=\rho_{\text{object}}\,g\,V$:

    $$\frac{V_{\text{sub}}}{V}=\frac{\rho_{\text{object}}}{\rho_{\text{fluid}}}=\frac{600}{1000}=0.60.$$
    So $60\%$ sits below the water – the same reason most of an iceberg (density $\approx 900$) hides underwater.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    buoyant force/ˈbɔɪənt fɔːs/ 浮力
    Archimedes' principle/ˌɑːkɪˈmiːdiːz ˈprɪnsɪpl/ アルキメデスの原理
    8.4

    Fluids and Conservation Laws

    Syllabus · ⁨シラバス⁩
    English

    Learning Objective 8.4.A: Describe the flow of an incompressible fluid through a cross-sectional area by using mass conservation.

    • 8.4.A.1 A difference in pressure between two locations causes a fluid to flow.
      • 8.4.A.1.i The rate at which matter enters a fluid-filled tube open at both ends must equal the rate at which matter exits the tube.
      • 8.4.A.1.ii The rate at which matter flows into a location is proportional to the cross-sectional area of the flow and the speed at which the fluid flows.
        • Derived equation: $\dfrac{V}{t} = A v$
    • 8.4.A.2 The continuity equation for fluid flow describes conservation of mass flow rate in incompressible fluids.
      • Equation: $A_1 v_1 = A_2 v_2$
    日本語

    学習目標 8.4.A: 質量保存則を用いて、圧縮不可能な流体の断面積を伴う流れを記述する。

    • 8.4.A.1 2つの場所間の圧力差が流体の流れを生じさせる。
      • 8.4.A.1.i 両端が開いた管内に流入する物質の流量は、管から排出される物質の流量と等しくなければならない。
      • 8.4.A.1.ii ある地点への物質の流入量は、流れの断面積と流体の流速に比例する。
        • 導出された数式: $\dfrac{V}{t} = A v$
    • 8.4.A.2 流体連続の式は、圧縮不可能な流体における質量流量の保存を記述する。
      • 式: $A_1 v_1 = A_2 v_2$

    Source: College Board AP Course and Exam Description · ⁨出典: College Board AP コースおよび試験説明書⁩

    English

    For an ideal fluid flowing steadily, two conservation ideas apply:

    • Continuity 连续性 (conservation of mass): the volume flow rate is constant, so $A_1 v_1 = A_2 v_2$. A narrower pipe forces faster flow.
    • Bernoulli's equation 伯努利方程 (conservation of energy per volume): along a streamline,
      $$P+\tfrac{1}{2}\rho v^2+\rho g y = \text{constant}.$$

    Together they explain why fluid speeds up and its pressure drops where a pipe narrows or where flow is fastest.

    Worked example. Water flows at $2.0\ \text{m/s}$ through a pipe of cross-section $0.010\ \text{m}^2$, then enters a narrower section of $0.0040\ \text{m}^2$. By continuity the speed there is

    $$v_2=\frac{A_1 v_1}{A_2}=\frac{0.010\times2.0}{0.0040}=5.0\ \text{m/s}.$$
    By Bernoulli's equation this faster stream is at lower pressure – the effect that lifts an aeroplane wing and pulls two passing ships together.

    Exam skill. Choose the right law by what changes. If the pipe changes width, start with continuity ($A_1v_1=A_2v_2$) to get the speeds; if you then need a pressure, feed those speeds into Bernoulli. Watch the height term $\rho g y$ only when the pipe also changes level.

    日本語

    For an ideal fluid flowing steadily, two conservation ideas apply:

    Upthrust arises because the pressure on the bottom of an object exceeds that on the top
    Upthrust arises because the pressure on the bottom of an object exceeds that on the top
    • Continuity 连续性 (conservation of mass): the volume flow rate is constant, so $A_1 v_1 = A_2 v_2$. A narrower pipe forces faster flow.
    • Bernoulli's equation 伯努利方程 (conservation of energy per volume): along a streamline,
      $$P+\tfrac{1}{2}\rho v^2+\rho g y = \text{constant}.$$

    Together they explain why fluid speeds up and its pressure drops where a pipe narrows or where flow is fastest.

    Where the pipe narrows the fluid speeds up (continuity) and its pressure drops (Bernoulli)
    Where the pipe narrows the fluid speeds up (continuity) and its pressure drops (Bernoulli)

    Worked example. Water flows at $2.0\ \text{m/s}$ through a pipe of cross-section $0.010\ \text{m}^2$, then enters a narrower section of $0.0040\ \text{m}^2$. By continuity the speed there is

    $$v_2=\frac{A_1 v_1}{A_2}=\frac{0.010\times2.0}{0.0040}=5.0\ \text{m/s}.$$
    By Bernoulli's equation this faster stream is at lower pressure – the effect that lifts an aeroplane wing and pulls two passing ships together.

    Exam skill. Choose the right law by what changes. If the pipe changes width, start with continuity ($A_1v_1=A_2v_2$) to get the speeds; if you then need a pressure, feed those speeds into Bernoulli. Watch the height term $\rho g y$ only when the pipe also changes level.

    Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
    English 日本語
    Continuity/kɒntɪˈnjuːɪti/ 継続性
    Bernoulli's equation/ˈbɜːnaʊliz ɪˈkweɪʒn/ ベルヌーイの式
    8.4

    Exam tips

    • Pressure with depth is $P=P_0+\rho g h$ — it depends on depth only, not the container's shape or width.
    • Buoyant force = weight of fluid displaced ($\rho_{\text{fluid}}\,gV_{\text{disp}}$); a floating object displaces its own weight, so the fraction submerged is $\rho_{\text{object}}/\rho_{\text{fluid}}$.
    • Compare densities to predict floating vs sinking; a floating object is in equilibrium (buoyancy = weight), not weightless.
    • Use continuity $A_1v_1=A_2v_2$: a narrower pipe means faster flow.
    • Bernoulli: where a fluid flows faster its pressure is lower (wing lift, spray).

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