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Shizuoka Public High School Entrance Examination - Science: 物理:力と運動・仕事とエネルギー

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物理:力と運動・仕事とエネルギー

静岡県の理科では、力と運動、仕事とエネルギーが計算問題の中心として出題される。用語を定義できるようにし、グラフや表から数値を読み取って式に代入する練習を重ねたい。

力の表し方

力は大きさ・向き・作用点の3要素で決まり、単位はN(ニュートン)で表す。質量100gの物体にはたらく重力が約1Nであることを基準にすると、質量と力の換算で迷わない。ばねののびは加えた力に比例する(フックの法則)。2つの力の合成は平行四辺形の対角線で求め、一直線上で逆向きなら差をとる。

運動のきまり

物体にはたらく力がつり合っていれば、物体は静止したままか等速直線運動を続ける。力がつり合っていなければ速さが変化し、だんだん速くなる運動では記録タイマーの打点の間隔が広がっていく。慣性の法則と作用・反作用の法則は、電車の急発進やボートを押すと自分が後ろへ動く例と結びつけて説明できるようにする。

仕事とエネルギー

仕事W〔J〕=力〔N〕×力の向きに動いた距離〔m〕で、持ち上げる場合は「重さ×高さ」になる。仕事率〔W〕=仕事〔J〕÷時間〔s〕。動滑車を使うと引く力は1/2になるが、ひもを引く距離は2倍になるので仕事の大きさは変わらない(仕事の原理)。位置エネルギーは重さ×高さ、運動エネルギーは速さの2乗に比例し、摩擦が無視できるときは力学的エネルギーが保存される。

例題

質量2.0kgの物体をゆっくり3.0m持ち上げる。質量2.0kgにはたらく重力は20Nなので、仕事は20N×3.0m=60J。この作業に4秒かかったとすると、仕事率は60J÷4s=15Wとなる。同じ物体を動滑車で持ち上げると引く力は10Nだが、引く距離は6.0mで、10N×6.0m=60Jと仕事は変わらない。

失点しやすいところ

質量〔kg〕と力〔N〕の混同、記録タイマーの「5打点で0.1秒」の読み間違い、動滑車で仕事まで半分になるとする誤解、摩擦があるときに力学的エネルギーの一部が熱として失われることの見落としが減点につながる。