エネルギー ― 力・運動・仕事・電流
茨城県の理科入試では、力のつり合いと運動のようす、仕事と力学的エネルギー、電流回路と電気エネルギーが、計算問題とグラフ・実験の読み取りの両方で問われる。用語を覚えるだけでなく、「どの量がどの単位か」「何が保存されるか」を式で説明できるようにしておきたい。
力のつり合いと運動
- 2力がつり合う条件は、同一の物体にはたらく・同一直線上・逆向き・大きさが等しい、の4点。
- 作用反作用の力は別々の物体にはたらくので、つり合いではない。
- 力がつり合っていれば、静止している物体は静止し続け、動いている物体は等速直線運動を続ける（慣性の法則）。
仕事と力学的エネルギー
- 仕事[J] = 力[N] × 力の向きに動いた距離[m]。持ち上げる場合は 重力[N] × 高さ[m]。
- 仕事率[W] = 仕事[J] ÷ 時間[s]。
- 運動エネルギー + 位置エネルギー = 力学的エネルギー。摩擦や空気抵抗がなければ保存される。
電流と電気エネルギー
- オームの法則 V = R × I。直列は電流が共通で抵抗の和、並列は電圧が共通で 1/R = 1/R₁ + 1/R₂。
- 電力[W] = 電圧[V] × 電流[A]、電力量[J] = 電力[W] × 時間[s]。1kWh = 3.6×10⁶ J。
- 電熱線の発熱量[J]は電力量に等しく、水の温度上昇は「熱量」と「水の質量」に比例する。
例題
質量2.0kgの物体を、ゆっくり1.5m持ち上げるのに3.0sかかった。仕事と仕事率を求めよ。ただし100gの物体にはたらく重力を1Nとする。 考え方：2.0kg = 2000g → 20N。仕事 = 20N × 1.5m = 30J。仕事率 = 30J ÷ 3.0s = 10W。「ゆっくり」は手の力と重力がつり合っている状態を意味するので、20Nの力で引いたとしてよい。
失点しやすいところ
- 質量[kg]と重力[N]の混同（100g = 1N）。
- 動滑車は力が1/2になるかわりに、ひもを引く距離が2倍。仕事の大きさは変わらない。
- 力の向きに動いていないときは仕事は0（水平に運んでも重力は仕事をしていない）。
- 電力量の単位変換（分→秒、kWh→J）を忘れる。