高校物理・物理基礎の公式一覧【練習問題10コ】

一定の加速度aで運動する物体の速度・変位・関係式の3点セットです。3式は時間tの有無で使い分けます。1式は時間と速度、2式は時間と変位、3式は時間を含まず速度と変位の関係を表します。問題文に時間が出てこなければ3式を使うのが効率的です。

物体に働く合力Fは、質量mと加速度aの積に等しい。力学のすべての出発点となる第2法則です。複数の力が働く場合は、ベクトル和として合力を求めてからmaに当てはめます。単位はN（ニュートン）で、1N=1kg·m/s²。

外力が働かない（または無視できる）系では、衝突の前後で運動量の総和が保存されます。質量×速度の合計が変わらないという法則で、衝突問題で必ず使う基本則です。1次元では符号（向き）に注意します。

保存力（重力・弾性力）のみが働く系では、運動エネルギーと位置エネルギーの和（力学的エネルギー）が保存されます。摩擦や空気抵抗が無視できる条件下で使用します。最高点・最下点の比較に最頻出。

仕事Wは力Fと変位xの積に、力と変位のなす角の余弦を掛けたもの。垂直方向の力は仕事をしません。仕事率Pは単位時間あたりの仕事で、定速運動なら力×速度として表せます。単位はW（ワット）で1W=1J/s。

等速円運動する物体には、円の中心を向く向心力が必要です。半径r、速度v、角速度ωのうち、与えられた量に応じて2つの式を使い分けます。糸でつるした物体の最高点・最低点問題、コーナリング問題で頻出。

ばね振り子の周期は質量mが大きいほど・ばね定数kが小さいほど長くなります。単振り子の周期は糸の長さLが長いほど・重力加速度gが小さいほど長くなり、質量には依存しません。地球と月で周期が違うのはgが違うからです。

質量を持つ2物体の間に働く引力。重力定数G≈6.67×10⁻¹¹N·m²/kg²。距離rの2乗に反比例するため、距離が2倍になると力は1/4になります。地球表面での重力g=GM/R²と同じ式から導けます。

物質に与えられる熱量Qは、質量m・比熱c・温度変化ΔTの積。比熱は物質固有の値で、水は約4.2J/(g·K)、鉄は約0.45。熱容量CはmとcをまとめたものでQ=CΔT。熱量保存則と組み合わせて混合温度問題で頻出します。

圧力P・体積V・物質量n・温度T（絶対温度K）の関係。Rは気体定数で約8.31J/(mol·K)。温度を一定にしたボイル則、圧力一定のシャルル則、両方を統合した結合則がこの1式に集約されます。Tは必ず絶対温度（K=°C+273）を使います。

気体の内部エネルギー変化ΔUは、加えられた熱量Qと外部から気体にされた仕事Wの和。Wの符号は流派により逆になることがあるため、定義を確認することが重要。等温・断熱・等圧・等積の4プロセスを区別して扱う問題が頻出です。

波の速度vは振動数f（Hz）と波長λ（m）の積です。周期Tは振動数の逆数。音波（v≈340m/s）・水面波・光（v=3×10⁸m/s）すべてに共通する基本式で、波動分野の出発点となります。

音源と観測者の相対運動により観測される振動数が変化する現象。Vは音速、v_oは観測者速度、v_sは音源速度（音源→観測者を正）。救急車のサイレンが近づく時に高く聞こえる現象として有名。符号の取り方が紛らわしいので、図を描いて整理する習慣をつけます。

光や波が異なる媒質に入る時の進行方向の変化を表す法則。屈折率n、入射角θ₁、屈折角θ₂の関係。n=c/v（媒質中の波速度）でもあり、波長と速度は媒質によって変わるが振動数は変わりません。

電圧V・電流I・抵抗Rの関係。電力Pは3つの形で表せます。Iの2乗に比例するため、抵抗での発熱量はジュール熱としてP×t=RI²tで計算します。直列回路では電流共通、並列回路では電圧共通という基本も頻出。

2つの点電荷の間に働く静電気力。kは比例定数でk≈9.0×10⁹N·m²/C²。同符号の電荷は反発、異符号は引力です。万有引力と同じ「距離の2乗反比例」の形で、力学と類比して理解できます。

直列接続では抵抗値が加算され、並列接続では逆数和の逆数になります。並列の方が合成抵抗が小さくなるため、家庭の電気は基本的に並列配線です。並列2本ならR₁R₂/(R₁+R₂)と覚えると速い。

閉回路を貫く磁束Φが変化すると、コイルに起電力Vが生じる。Nはコイルの巻数、負号は誘導起電力が変化を妨げる向き（レンツの法則）に発生することを示します。発電機・トランス・IH調理器などすべてこの法則の応用です。

磁束密度Bの磁場中を速度vで運動する電荷qに働く力。vとBが垂直のときF=qvBで最大、平行のときは0。電子線が磁場中で円運動するブラウン管TV、サイクロトロンの原理。フレミング左手則で方向を決めます。

金属に光を当てると電子が飛び出す現象。光の振動数fが限界値以上でないと電子は出ません。hはプランク定数（6.63×10⁻³⁴J·s）、Wは仕事関数（金属固有の値）。光が粒（光子）として振る舞う証拠で、量子力学の出発点となった現象です。

あらゆる粒子は波としての性質を持つ（物質波）。質量m・速度vの粒子の波長λはプランク定数を運動量で割ったもの。電子線の回折実験で確認されました。電子は十分軽いので波長が観測可能ですが、野球ボールの波長は無視できる小ささです。