「力」「仕事」などの物理分野は、実験を実際に見ながら問題に取り組むと、表に載っている数字の意味や問題の解き方が、驚くほどよくわかります。
本年度の入試では、正答率2.4％の難題となった難問～「動滑車を使った仕事の問題」に挑戦してみましょう。
「浮力のおもしろ実験」もご紹介します。 |
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 【表】 |
おもりの質量[ｇ] |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
図１の場合 |
ひもを引く力の大きさ[N] |
1.0 |
2.0 |
3.0 |
4.0 |
5.0 |
ひもを引く距離[cm] |
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
図2の場合 |
ひもを引く力の大きさ[N] |
1.0 |
2.0 |
3.0 |
4.0 |
5.0 |
ひもを引く距離[cm] |
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
図3の場合 |
ひもを引く力の大きさ[N] |
0.6 |
1.1 |
1.6 |
2.1 |
2.6 |
ひもを引く距離[cm] |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
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おもりの質量が同じ場合、図1と図2を見比べてみると、ひもを引く力の大きさは同じになっています。
次に、ひもを引く距離も同じになっていることがわかります。
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力の向きは、図1は上向き、図2は右向きに引いているので、変わっていることが分かります。
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| 【答え】 定滑車を使うと、ひもを引く力の大きさとひもを引く距離は同じで、力の向きは変わる。 |
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| ●図2の表のおもりの質量300gに注目します。 |
| 【表】 |
おもりの質量[ｇ] |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
図１の場合 |
ひもを引く力の大きさ[N] |
1.0 |
2.0 |
3.0 |
4.0 |
5.0 |
ひもを引く距離[cm] |
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
図2の場合 |
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1.0 |
2.0 |
3.0 |
4.0 |
5.0 |
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10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
図3の場合 |
ひもを引く力の大きさ[N] |
0.6 |
1.1 |
1.6 |
2.1 |
2.6 |
ひもを引く距離[cm] |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
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ひもを引く力の大きさは3.0N、ひもを引く距離は10cmで単位をmに直すと0.1mです。
よって、仕事を求める公式は、
| 仕事の大きさ〔J〕＝力の大きさ〔N〕×力の向きに動いた距離〔m〕 |
なので、3.0N×0.1m＝0.3Jとなります。
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| ●図3の表のひもを引く力の大きさに注目します。 |
| 【表】 |
おもりの質量[ｇ] |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
600 |
700 |
800 |
図3の場合 |
ひもを引く力の大きさ[N] |
0.6 |
1.1 |
1.6 |
2.1 |
2.6 |
3.1 |
3.6 |
4.1 |
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ひもを引く距離[cm] |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
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おもりの質量が100g、200g、300g、400g、500gとなるとそれぞれひもを引く力の大きさが0.6、1.1、1.6、2.1、2.6Nとなります。
100g、200gのひもを引く力の大きさを見ると、0.5N増えていることが分かります。
他の部分を見ても、0.5Nずつ増えていることに注目をすると、600g、700g、800gと0.5Nずつ増えるので、3.1N →3.6N→ 4.1Nとなり、
答えは4.1Nとなります。
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図4の装置は一見複雑そうにみえますが、この定滑車は力の向きを変えるだけで、力の大きさ、引く距離は同じなので、動滑車だけを使った図3の装置と同じであることが言え、図3の実験結果を使うことができます。
●図3の表の質量400gに注目します。
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おもりの質量[ｇ] |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
図１の場合 |
ひもを引く力の大きさ[N] |
1.0 |
2.0 |
3.0 |
4.0 |
5.0 |
ひもを引く距離[cm] |
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
図２の場合 |
ひもを引く力の大きさ[N] |
1.0 |
2.0 |
3.0 |
4.0 |
5.0 |
ひもを引く距離[cm] |
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
図3の場合 |
ひもを引く力の大きさ[N] |
0.6 |
1.1 |
1.6 |
2.1 |
2.6 |
ひもを引く距離[cm] |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
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図3の結果を利用すると、
答えが20cmとなります。
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次に正答率が2.4%の難題にチャレンジします。
モーターの仕事率は0.3Wと問題文の中で書かれています。
●図3の表の質量400gに注目します。
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おもりの質量[ｇ] |
100 |
200 |
300 |
400 |
500 |
図１の場合 |
ひもを引く力の大きさ[N] |
1.0 |
2.0 |
3.0 |
4.0 |
5.0 |
ひもを引く距離[cm] |
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
図２の場合 |
ひもを引く力の大きさ[N] |
1.0 |
2.0 |
3.0 |
4.0 |
5.0 |
ひもを引く距離[cm] |
10 |
10 |
10 |
10 |
10 |
図3の場合 |
ひもを引く力の大きさ[N] |
0.6 |
1.1 |
1.6 |
2.1 |
2.6 |
ひもを引く距離[cm] |
20 |
20 |
20 |
20 |
20 |
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図3の表を利用すると、ひもを引く力の大きさが2.1N、ひも引く距離が20cm、mの単位に直すと0.2mです。モーターの仕事の大きさを求めると、仕事の大きさ〔J〕＝力の大きさ〔N〕×力の向きに動いた距離〔m〕になるので、2.1N×0.2m＝0.42Jと求められます。
次に、仕事〔J〕＝仕事率〔W〕×かかった時間〔秒〕より、0.42J＝0.3W×x秒となり、x＝0.42J÷0.3W＝1.4
答えは1.4秒となります。
このように、正答率が低い問題も、図や表などを利用すれば、簡単に求められます。この問題に限らず、問題の中で与えられている、図や表は問題を解く上で、大きなヒントになっていることを忘れないでください。
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①図や表がヒント
★ 実験、観察の図やその結果の表に重要なヒントがある。
②公式を使いこなせるようにする
★ 仕事の大きさ〔J〕＝力の大きさ〔N〕×力の向きに動いた距離〔m〕
★ 仕事率〔W〕＝仕事〔J〕÷かかった時間〔秒〕
★ 浮力〔N〕＝空気中でのばねはかりの値〔N〕－水中でのばねはかりの値〔N〕
③教科書改定にともなう単元の対策
★ Ｈ22→２月・４イオン
★ Ｈ23→３遺伝・５仕事
★ Ｈ24⇒電力量や、浮力など
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