Niigata Public High School Entrance Examination - Science case studies
Niigata Public High School Entrance Examination - Science · Put your knowledge to work in context.
Topics on this exam: Physics - mechanics and energy, Physics - electricity, magnetism, and waves, Chemistry - substances and chemical changes, Chemistry - atoms, molecules, ions, and chemical equations, Biology - living things and their environments, Biology - structure and function of the human body and reproduction, and Earth science - earth, weather, and astronomy. The Niigata Public High School Entrance Examination - Science case studies are 5 cases and about 636 words.
1斜面を使う仕事と、力学的エネルギーの移り変わり
太郎さんと花子さんは、質量500 gの力学台車を使って、仕事と力学的エネルギーについて調べた。質量100 gの物体にはたらく重力の大きさを1 Nとし、摩擦や空気抵抗は、特に断らない限り考えないものとする。 【実験1】 長さ2.0 m、高さ0.40 mのなめらかな斜面をつくり、台車にひもをつけて、ばねばかりでゆっくり引き上げた。ばねばかりは常に1.0 Nを示し、引き上げるのに6秒かかった。引き上げる速さを変えても、ばねばかりの値は1.0 Nのままであった。 【実験2】 斜面の表面をざらざらな板にとりかえると、台車をゆっくり引き上げるには1.4 Nの力が必要であった。 【実験3】 なめらかな斜面の上端で台車から静かに手をはなすと、台車は斜面を下り、そのまま水平な床の上をすべって、斜面の下端から4.0 m進んだ地点で止まった。床は水平で、斜面と床のつなぎ目はなめらかにつながっている。 花子さんは「斜面をもっと長くゆるやかにすれば、もっと小さな力で済むのだから、台車を引き上げる仕事の大きさも小さくなる」と主張した。太郎さんは「力は小さくなっても、仕事の大きさは変わらないと思う」と反対し、二人で話し合った。. 実験1で、ばねばかりが台車にした仕事の大きさは何Jか。また、斜面を使わずに台車を0.40 m真上に持ち上げた場合と比べて仕事の大きさがどうなるかを、「仕事の原理」という言葉を使って説明しなさい。. 花子さんの主張が誤りであることを、斜面の長さを4.0 mにした場合の数値を用いて説明しなさい。ただし、斜面の高さは0.40 mのままとする。. 実験2で摩擦によって失われたエネルギーは何Jか。また、実験3で台車にはたらく摩擦力の大きさは何Nか。それぞれ求め方も説明しなさい。.
165 words, under 1 min2直列と並列で、電熱線の発熱量はどう変わるか
電熱線Aと電熱線Bを使って、電流による発熱のようすを調べた。Aの抵抗は20 Ω、Bの抵抗は40 Ωで、電源装置の電圧は12 Vに保った。導線の抵抗および電源装置の内部抵抗は考えず、抵抗の値は温度によって変化しないものとする。水1 gの温度を1 ℃上げるのに必要な熱量は4.2 Jとする。 【実験1】 AとBを直列につないで電源装置につないだ。回路を流れる電流は0.20 Aで、Aの両端に加わる電圧は4.0 V、Bの両端に加わる電圧は8.0 Vであった。電圧計はAに並列につないで測った。 【実験2】 AとBを並列につないで同じ電源装置につないだ。Aを流れる電流は0.60 A、Bを流れる電流は0.30 Aで、電源装置から流れ出る電流は0.90 Aであった。 【実験3】 Aを水100 gの中に入れ、実験1と実験2のそれぞれの回路で5分間電流を流し、水温の上昇を調べた。水の量、初めの水温、電流を流す時間はどちらも同じにし、Aから出た熱はすべて水に移り、水やビーカーから外部に逃げる熱はないものとする。実験2では水温が5.1 ℃上昇した。 太郎さんは「発熱の大きさは電熱線を流れる電流の大きさだけで決まる」と考え、電流の小さな実験1のほうがAの発熱は小さくなると予想した。花子さんは「Aに加わる電圧も関係するのではないか」と考え、二人で話し合った。. 実験1と実験2で、電熱線Aの消費電力はそれぞれ何Wか。計算の過程を示して求めなさい。. 電力の式 ：電力[W]＝電圧[V]×電流[A] 実験1：Aに加わる電圧は4.0 V、流れる電流は0.20 A。よって 4.0 V × 0.20 A ＝ 0.80 W 実験2：Aには電源の電圧がそのまま加わるので12 V、電流は0.60 A。よって 12 V × 0.60 A ＝ 7.2 W 確認 ：オームの法則よりAの抵抗は 4.0 V ÷ 0.20 A ＝ 20 Ω、12 V ÷ 0.60 A ＝ 20 Ω で一定であり、問題文の抵抗の値と一致する。並列のときのAの電力は直列のときの9倍である。. 実験1でAを流れる電流は0.20 A、実験2では0.60 Aで、太郎さんの考えにしたがえば実験1のほうが発熱が小さいはずである。しかし消費電力を比べると0.80 Wと7.2 Wで、電流の大きい実験2のほうが大きい。この点だけを見ると太郎さんの予想は当たっているように見えるが、「電流だけで決まる」という考え方は誤りである。 理由 ：Aの抵抗は20 Ωで一定なので、オームの法則により電圧と電流は比例する。電力は 電力＝電圧×電流＝電流²×抵抗 で決まる。実験1では電流が実験2の1/3になると同時に、Aに加わる電圧も4.0 Vと1/3になっている。そのため電力は電流の2乗に比例して1/9になる。つまり発熱の大きさは電流だけでなく、電圧（両方をまとめれば電力）で決まる。.
138 words, under 1 min3塩酸と水酸化ナトリウム水溶液の中和を、温度と指示薬から読み取る
うすい塩酸20.0 cm³をビーカーにとり、BTB液を数滴加えた。そこへ、塩酸と同じ濃度のうすい水酸化ナトリウム水溶液をスポイトで少しずつ加え、そのたびによくかき混ぜて、混合液の温度とBTB液の色を調べた。温度は、ガラス棒でかき混ぜながら温度計で測った。塩酸と水酸化ナトリウム水溶液の初めの温度はどちらも20.0 ℃で、ビーカーや空気との熱のやりとりはなく、発生した熱はすべて混合液の温度上昇に使われたものとする。 加えた水酸化ナトリウム水溶液の体積[cm³]：0／4.0／6.0／8.0／10.0／12.0／16.0 混合液の温度[℃]：20.0／22.4／23.6／24.8／26.0／26.0／26.0 BTB液の色：黄色／黄色／黄色／黄色／緑色／青色／青色 【実験2】 別の日、同じ濃度の塩酸30.0 cm³に、同じ濃度の水酸化ナトリウム水溶液を10.0 cm³加えてよくかき混ぜ、BTB液の色を調べた。 花子さんは「加える水溶液の量を増やせば増やすほど、中和で発生する熱も増え続けるはずだ」と考えたが、記録はそうならなかった。太郎さんは「12.0 cm³加えた液には、まだ中和していない水酸化ナトリウムが残っている」と考えた。. 中和がちょうど完了したのは、水酸化ナトリウム水溶液を何cm³加えたときか。温度とBTB液の色の記録を根拠に、理由をつけて答えなさい。また、そのとき混合液に最も多くふくまれるイオンを2種類あげなさい。. 水酸化ナトリウム水溶液を12.0 cm³加えたとき、混合液にはどのようなイオンがふくまれるか。イオンの種類と数の大小関係を答え、BTB液の色と合わせて説明しなさい。ただし、10.0 cm³加えたときに生じるNa⁺とCl⁻の数は等しいものとする。. この中和の化学反応式を書きなさい。また、水酸化ナトリウム水溶液を10.0 cm³から16.0 cm³に増やしても、発生する熱が増えないのはなぜか説明しなさい。.
78 words, under 1 min4血しょう・原尿・尿の成分データから、腎臓のはたらきを読み取る
ヒトの腎臓のはたらきを調べるため、健康な成人1人について、血液から取り出した血しょう、および同じ時刻に集めた原尿と尿にふくまれる成分の濃度を調べた。原尿は糸球体で血しょうからこし出された液体で、細尿管を通ったあとに尿になる。下の表は、それぞれ100 cm³中にふくまれる成分の質量[g]をまとめたものである。3つの液体の順序はわからないので、X、Y、Zとして示した。 成分 タンパク質 ブドウ糖 尿素 無機塩類 --- --- --- --- --- X 7.0 0.10 0.030 0.72 Y 0.00 0.10 0.030 0.72 Z 0.00 0.00 2.0 1.5 また、この人の1日に生成される原尿の量は約180 L、1日に排出される尿の量は約1.5 Lである。尿の量は、暑い日や運動した日には減り、水を多く飲んだ日には増える。よく運動して汗を多くかいた日には、尿の量が約0.8 Lに減り、尿100 cm³中の尿素の質量は約3.8 gに増えていた。 太郎さんは「タンパク質がふくまれていないZが尿だ」と主張し、花子さんは「Yにもタンパク質がないので、ブドウ糖の有無も合わせて考える必要がある」と反論した。. X、Y、Zはそれぞれ何か。タンパク質とブドウ糖に着目して、判断の根拠を説明しなさい。. Zの尿素と無機塩類の濃度がXやYより高いのはなぜか。細尿管のはたらきに触れて説明しなさい。. 1日に生成される原尿180 Lに対して尿は1.5 Lである。再吸収された水は、原尿中の水の何%か。小数第1位まで求めなさい。また、汗を多くかいた日に尿の量が減り尿素の濃度が高くなるのはなぜか説明しなさい。.
99 words, under 1 min5観測記録から前線の通過を読み取る
春のある日、新潟県のある地点で、12時から20時まで1時間ごとに気象観測を行った。この日、日本付近を東へ進む低気圧にともなう前線が、この地点の近くを通過した。観測中、低気圧の中心はこの地点のすぐ北側を通った。下の表は、そのときの気温、気圧、風向、1時間あたりの降水量をまとめたものである。気圧は海面更正をした値で、風向は16方位で10分間の平均として求めた。 時刻 12 13 14 15 16 17 18 19 20 --- --- --- --- --- --- --- --- --- --- 気温[℃] 18.4 18.9 19.5 19.8 20.1 17.2 14.6 13.2 12.5 気圧[hPa] 1004 1002 1000 997 994 996 1000 1004 1007 風向 南 南 南南西 南西 南西 西北西 北西 北西 北北西 降水量[mm] 0 0 0 0 2.5 12.0 3.0 0.5 0 この地点では、前線の通過にともなって短時間に強い雨が降り、通過後は気温が大きく下がった。太郎さんは「雨が強く降ったのは、前線の南側の暖気が寒気の上にゆるやかにのぼったためだ」と説明したが、花子さんは「強く降ったことには、暖気がのぼる速さが関係しているのではないか」と疑問をもった。. 通過したのは16時から17時の間 と考えられる。 根拠 ： 気温：16時までは20 ℃前後まで上がっていたが、17時には17.2 ℃、18時には14.6 ℃と急に下がった。寒気に入れかわったためである。 気圧：16時の994 hPaを最低として、17時以降は上昇に転じた。前線付近の気圧の谷を通過したことを示す。 風向：南西から北西へと急に変わった。北西側の寒気の風に入れかわったためである。 降水量：16時に降り始め、17時には12.0 mmと急増し、18時には3.0 mm、19時には0.5 mmと短時間で弱まった。 これらは、気温が急に下がり、狭い範囲に強い雨を降らせる 寒冷前線 が通過したときの典型的な変化である。. 誤りの部分 ：「ゆるやかにのぼった」という点。ゆるやかにのぼるのは 温暖前線 の場合で、このときは広い範囲に弱い雨が長く降り、気温もゆっくり下がる。 正しい説明 ：寒冷前線では、寒気が暖気の下にもぐりこむように進み、暖気を急激に押し上げる。前線面の傾きが急なので、暖気が上昇する範囲はせまいが、上昇する速さが大きい。そのため水蒸気が急に冷やされて積乱雲が発達し、せまい範囲に短時間で強い雨が降る。 観測記録でも、降水量が17時の12.0 mmをピークに2〜3時間で急に減っており、雨の範囲がせまく短時間だったことが裏づけられる。. 気温 ：寒気に覆われたままなので、低い気温が続く。通過前は20 ℃前後だったが、20時には12.5 ℃まで下がっており、その後も同程度か、夜間はさらに下がると考えられる。 気圧 ：高圧部に近づくので、気圧は上がり続ける。20時で1007 hPaとすでに上昇しており、天気は回復に向かう。 風 ：北西寄りの風が続く。通過直後は風がやや強いことが多い。 降水 ：20時には0 mmとなっており、雨はほぼやむ。ただし、上空に寒気が入ると大気が不安定になり、日中の気温上昇にともなってにわか雨や雷が起こることがある。.
156 words, under 1 min