文系でもわかるドローン検定3級の物理基礎の解き方解説

ドローン検定3級の物理基礎

ドローン3級では物理基礎という項目があり、計算問題が出題されます。これは文系で物理に触れたことがない場合、ドローン3級テキストだけでは、少し難しいかもしれません。そこで物理基礎の計算問題の解き方について、解説しようと思います。

公式テキストには、公式の使い方が解説されていますが、ここでは、言葉の意味と考え方を解説したいと思います。ドローン検定3級で出題される物理基礎の問題は、主に3種類あります。色々な公式がありますが、「加速度」の意味「v-tグラフ」の考え方を理解すれば、公式を暗記する必要はありません

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加速度運動

距離・速さ・時間の公式である「きはじ」あるいは「はじき」の公式は皆さんご存知かと思います。おさらいすると

距離=速さx時間 です

ドローン3級の物理基礎では、これに加えて加速度という言葉を理解することが必要となります。注意することとして、加速度は速さとは別物です。

小学校などの算数では、「Aくんが自転車で時速20kmで10kmの道のりを進みました。何分かかるでしょう?」という問題を解くことがありますが、実際に時速20kmといっても漕ぎ始めは時速0kmで、徐々に早くなっていきます。

0km/sから20km/sまで徐々に速さが変わるという部分を数値で表すのが加速度です。加速度は10m/s^2といった式で表されます(^2は2乗の意)

10m/s^2は、1秒あたり10m/s早くなるという意味です。この加速度という考え方が基本となり、問題が出題されます

v-tグラフ

v-tグラフとは、速さをv、時間をtとして、物体の速さと時間の関係を表すグラフです

横軸に時間t,縦軸に速さvをおきます

このグラフ上で、傾きが加速度となります。

傾きが大きい場合、時間の経過とともにどんどん速くなり(加速度が大きい)、傾きが小さい場合にはゆっくりと早くなる(加速度は小さい)という意味です。

ある時間x秒進んだときの距離は、グラフの作る面積で表されます

こうしてv-tグラフでは、速さ・時間・距離と加速度を考えることができます

ドローン3級に出題される問題は3種類

加速度の理解を問う問題

静止した物体が、5[m/s^2]で加速する場合、4秒後の物体の速度を求めよ

[m/s^2]は加速度を表しています。

5[m/s^2]は1秒ごとに秒速5mずつ加速しているということを意味しています。

4秒後の物体の速度を求めるには

5[m/s^2] x 4 = 20m/s

4秒間で物体が20m/s早くなると分かりました

物体は静止しているということなので

答えは 20m/s

もし問題文に、秒速10mで動く物体とあった場合には、4秒後の速度は、10m/s + 20m/s = 30m/s となり 答えは 30m/s ということになります

加速する物体の移動距離についての問題

ある加速度で移動する物体の移動距離を求める問題です。

先の問題の加速度という考え方を理解できていれば、解くことができます

高さ44.1mのビルの屋上から、ボールを落とした場合、地上に落ちるまで何秒かかるか。重力加速度は9.8[m/s^2]とする

重力加速度というのは、重力によりボールが地面へと引っ張られる際の加速度を意味しています。

まずはv-tグラフを書いて問題を整理します

地上に落ちるまで何秒かかるかを求めるため、これをx秒とします。

傾きが加速度となるので、9.8m/s^2

地上に落ちるx秒のとき、44.1m進んでいるということなので、上図の三角形の面積が44.1となります

x秒のときの速さは、1問目の考え方から、9.8m/s^2 × x秒 = 9.8x m/xと分かります

すると三角形の面積を求める公式(底辺 x 高さ ÷2)から

x × 9.8x ÷2 =44.1 という式が成り立ちます。これを計算すると

4.9x^2=44.1

x^2=9

x=3 地上に落ちるまでの時間は3秒と求めることができました

答え 3秒

水平投射についての問題

ある高い場所から水平に物体が移動する時の落下までの時間と距離を求める問題です。

先ほどの「加速する物体の移動距離」の問題の解き方が分かっていれば、同じように解くことができます

高さ78.4mのビル屋上から水平に6m/sでボールを投げた。このボールが地面に落ちるまで何秒かかるか。落下場所は落下地点から水平に何mの位置か。重力加速度は9.8m/s^2

今回は水平投射の問題ですが、水平方向と垂直方向に分けて考えることで、先ほどと同じ方法で解くことができます。(ニュートン運動法則)

まずは垂直方向(自由落下)についてのみ考えて、v-tグラフを書きます

先ほどの問題と同様に、x秒後の速さは9.8x。x秒のときの三角形の面積は78.4となるため、

x × 9.8x ÷2 =78.4 という式が成り立ちます。これを計算すると

4.9x^2=78.4

x^2=16

x=4

ボールが地面に落ちるまで4秒かかることが分かります。

垂直方向に進んだ距離は、問題文より

6m/s x 4秒= 24m と求めることができます

答え 4秒、24m

ドローン検定3級の物理基礎 まとめ

テキストにはさまざまな公式が登場しますが、加速度v-tグラフを理解できていれば、公式を丸暗記する必要はなく解くことができます。

この内容は高校の物理基礎の範囲ですので、高校入試関係のテキストに載っています。考え方を理解したいな、面白いなと感じた人はぜひ見てみるとよいかと思います。

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