Wakayama Prefectural Public High School Entrance Examination - Science case studies
Wakayama Prefectural Public High School Entrance Examination - Science · Put your knowledge to work in context.
Topics on this exam: Matter and Particles (物質と粒子), Chemical Reactions and Atoms/Molecules (化学変化と原子・分子), Force and Motion / Energy (力と運動・エネルギー), Light, Sound, and Electricity (光・音・電流), Organisms and Life Processes (生物と生命現象), and Earth and Space (地球と宇宙). The Wakayama Prefectural Public High School Entrance Examination - Science case studies are 5 cases and about 785 words.
1銅粉の加熱実験 - 質量の増え方から反応の進み具合を判断する
中学3年のKさんたちの班は、ステンレス皿に銅粉2.00 gをうすく広げ、ガスバーナーで加熱して質量をはかる実験を、加熱時間を変えて4回行った。はかりは0.01 gまで読み取れるものを使用し、加熱後は皿ごとはかりにのせ、あらかじめはかっておいた皿の質量を引いて物質の質量を求めた。結果は、3分で2.30 g、6分で2.42 g、9分で2.50 g、12分で2.50 gであった。銅と酸素は4:1の質量比で化合すること、銅粉がすべて酸化銅になるとそれ以上加熱しても質量は変化しないことは、事前に学習している。加熱中、Kさんは銅粉のごく一部が皿の外へ飛び散るのを見ており、9分と12分では皿の上の物質の色が同じだったことも記録している。また、6分加熱のあとには物質に赤みが残っていた。同じ班の別の生徒が6分加熱をやり直したところ、2.44 gという値になった。班の話し合いでは、「9分より長く加熱しても質量が増えないのは、反応が終わったからなのか、それとも別の理由があるのか」「飛び散りを考えに入れると、3分加熱のとき反応しなかった銅は何gか」「やり直しの2.44 gという値は、どのような原因で生じたと考えられるか」の3点で意見が分かれた。. 3分加熱のとき、反応せずに残っていた銅は何gと考えられるか。飛び散りの記録をふまえたうえで、数値の意味と限界を説明せよ。. 9分と12分で質量が2.50 gのまま変わらないのはなぜか。「反応が終わった」という考えと、それ以外の可能性を比べて判断せよ。. 別の生徒が行った6分加熱の結果が2.44 gだったことは、どのように説明できるか。原因を複数挙げ、どれが確かめられるかを述べよ。.
119 words, under 1 min2斜面を下る台車 - テープの記録と力の関係を読み解く
中学3年のYさんたちは、長さ1.0 m、高さ0.20 mの斜面を用意し、質量0.50 kgの台車を斜面の上端で静かに放して、斜面を下る運動を記録タイマーで調べた。記録タイマーは1秒間に50回打点するので、打点どうしの時間間隔は0.02秒である。記録テープは5打点ごと（0.1秒ごと）に区切って各区間の長さを測ったところ、はじめから順に1.0 cm、3.0 cm、5.0 cm、7.0 cm、9.0 cm、11.0 cmであった。台車にはたらく摩擦力は無視できるものとし、重力加速度は9.8 m/s²とする。斜面の角度は約11.5度で、実験は3回行い、どの回でも区間の長さはほぼ同じ値になった。台車を放すときは、テープがたるまないように張ってから手を離した。Yさんは「区間の長さが2.0 cmずつ増えているのはなぜか」「この斜面の傾きから予想される加速度と、テープから求めた加速度は一致するのか」「台車の質量を2倍にしたら、斜面を下りきるときの速さやもつエネルギーはどう変わるのか」という3つの疑問をもち、班で話し合った。斜面の下端には台車を受け止めるストッパーがある。. 台車の質量を1.0 kgに変えると、加速度と斜面を下りきるときの速さはどうなるか。力学的エネルギーにもふれて説明せよ。. 各区間の平均の速さ （区間の長さ ÷ 0.1 s） 区間 長さ 平均の速さ --- --- --- 1 1.0 cm 0.10 m/s 2 3.0 cm 0.30 m/s 3 5.0 cm 0.50 m/s 4 7.0 cm 0.70 m/s 5 9.0 cm 0.90 m/s 6 11.0 cm 1.10 m/s 等加速度運動であることの示し方 0.1秒ごとに平均の速さが 0.20 m/s ずつ一定の割合で増えている。短い区間の平均の速さはその区間の中央の時刻の瞬間の速さとみなせるので、速さが時間に比例して増えている、つまり等加速度直線運動である。 加速度 a = 速さの変化 ÷ 時間 = 0.20 m/s ÷ 0.1 s = 2.0 m/s² （区間の長さの差が一定であることから、a = 0.020 m ÷ (0.1 s)² = 2.0 m/s² としても同じ）. 斜面方向にはたらく力 重力のうち斜面に沿う成分は、斜面の高さ÷斜面の長さを使って F = m g × (h / L) = 0.50 kg × 9.8 m/s² × (0.20 m / 1.0 m) = 0.98 N 予想される加速度 運動方程式より a = F / m = 0.98 N ÷ 0.50 kg = 1.96 m/s² ≒ 2.0 m/s² 比較と判断 テープから求めた2.0 m/s²と、力から予想した1.96 m/s²はほぼ一致している。このことから、台車にはたらく摩擦力は無視できるほど小さいと判断できる。 もし摩擦力が無視できなければ、斜面方向の力は 0.98 N より小さくなるので、加速度の測定値は予想値より小さくなるはずである。今回はそうなっていないので、摩擦の影響は測定の精度の中に埋もれていると考えられる。なお、空気抵抗も同じ向きに働くが、この速さでは影響は小さい。.
231 words, about 1 min3直列と並列で水温の上がり方が変わるのはなぜか
中学2年のSさんたちは、電熱線A（抵抗6Ω）と電熱線B（抵抗3Ω）、電源装置（6 V）、発泡ポリスチレンの容器、水100 g、温度計を使って、電流による発熱の実験を行った。AとBを直列につないで3分間電流を流したところ、水温は2.5℃から4.1℃まで上がった。次にAとBを並列につないで同じ6 Vで3分間電流を流したところ、水温は2.5℃から9.4℃まで上がった。電流の値は電流計で、電圧の値は電圧計で確認し、電源装置の電圧は6 Vに保った。水温は3分ごとにかき混ぜてからはかった。水の比熱を4.2 J/(g・℃)、容器や空気への熱の移動はないものとして計算すると、理論上の温度上昇は直列で約1.7℃、並列で約7.7℃になるが、実際の測定値はこれとちがっていた。実験室内の気温は20℃であった。Sさんは「同じ電熱線を使っているのに、つなぎ方で水温の上がり方が大きくちがうのはなぜか」「直列のときと並列のときで、AとBの発熱量の比はどうなるか」「測定値が理論値より小さいのはどんな理由か」を班で話し合った。. 直列のときと並列のときで、AとBの発熱量の比をそれぞれ求めよ。結果からどんなことが言えるか。. 直列 合成抵抗 R = 6Ω + 3Ω = 9Ω 電流 I = V / R = 6 V ÷ 9Ω ≒ 0.67 A 消費電力 P = V × I = 6 V × 0.67 A ≒ 4.0 W （V² / R = 36 ÷ 9 = 4.0 W としても同じ） 並列 1/R = 1/6 + 1/3 = 1/6 + 2/6 = 3/6 より R = 2Ω P = V² / R = 36 ÷ 2 = 18 W （Aに6 W、Bに12 Wで合わせて18 W） 比 18 W ÷ 4.0 W = 4.5 倍 同じ時間だけ電流を流すので、発生する熱量も4.5倍になり、水の温度上昇も理論上4.5倍になる。 実際の測定値でも 6.9℃ ÷ 1.6℃ ≒ 4.3 倍で、ほぼ4.5倍に近い。 理由 並列では2本の電熱線にそれぞれ6 Vがかかるのに対し、直列では2本で6 Vを分け合うため、1本あたりの電圧も電流も小さくなる。電力は電圧と電流の積なので、並列のほうがはるかに大きくなる。. 直列のとき 2本に流れる電流は同じである。電力は P = I²R と表せるので、発熱量の比は抵抗の比になる。 A : B = 6Ω : 3Ω = 2 : 1 → Aのほうがよく発熱する。 並列のとき 2本にかかる電圧は同じである。電力は P = V²/R と表せるので、発熱量の比は抵抗の逆数の比になる。 A : B = 1/6 : 1/3 = 1 : 2 → Bのほうがよく発熱する。 言えること 同じ2本の電熱線でも、直列では抵抗の大きいAが、並列では抵抗の小さいBがより多く発熱し、比が逆転する。発熱量の大小は「抵抗が大きいほど大きい」と一律には言えず、電流が共通か電圧が共通かで判断のしかたを変えなければならない。直列なら電流が共通なのでI²R、並列なら電圧が共通なのでV²/Rで考えるのが判断の分かれ目になる。.
171 words, under 1 min4オオカナダモの気泡 - 光合成と呼吸を分けて考える
中学3年のMさんたちは、オオカナダモを入れた試験管を5本用意し、炭酸水素ナトリウムを溶かした水を満たして、LED光源からの距離を変えて5分間光を当て、発生する気泡の数を数えた。光源までの距離が30 cmでは8個、20 cmでは18個、10 cmでは34個、5 cmでは35個であった。光を当てない暗所では気泡は1個も出なかった。さらに、炭酸水素ナトリウムを溶かしていない水を使い、10 cmの距離で同じ操作をすると、気泡は5個しか出なかった。試験管はすべて同じ大きさで、オオカナダモの量もそろえ、気泡は試験管の底から上昇するものを数えた。LED光源の光の強さは距離の2乗に反比例して弱くなる。水温はサーモスタットで25℃に保った。Mさんは「10 cmと5 cmで気泡の数がほとんど変わらないのはなぜか」「暗所で気泡が出ないのは、光合成も呼吸もしていないからなのか」「気泡の数は、光合成でつくられた酸素の量とそのまま等しいと考えてよいのか」という疑問をもち、班で話し合った。. 10 cmと5 cmで気泡の数がほとんど変わらなかった理由を、実験の条件と炭酸水素ナトリウムなしの結果を根拠に考察せよ。. 気泡数を光の強さの順に並べる 30 cm（8個）→ 20 cm（18個）→ 10 cm（34個）→ 5 cm（35個） 距離が半分になると光の強さは4倍になるので、30 cmから20 cm、20 cmから10 cmでは光が十分に強くなり、気泡数が増えている。しかし10 cmから5 cmでは光は4倍になっても気泡数はほぼ横ばいである。 判断 光の強さ以外の要因が光合成の速さを決める「上限」になっている。もっとも疑わしいのは二酸化炭素である。炭酸水素ナトリウム水溶液の濃度は5本とも同じで、水中に供給できる二酸化炭素の量には限りがある。光をこれ以上強くしても、材料である二酸化炭素が足りなければ光合成はそれ以上速くならない。 根拠になる結果 炭酸水素ナトリウムを溶かしていない水では、同じ10 cmでも気泡が5個に減った。光の条件は同じで二酸化炭素だけを減らした結果なので、二酸化炭素が不足すると光合成が抑えられることが確かめられる。 追加で確かめるなら 炭酸水素ナトリウムの濃度を上げて5 cmで測定し、気泡数が増えれば、二酸化炭素が上限になっていたという判断が裏づけられる。. 理由 呼吸では酸素を消費し二酸化炭素を放出するが、その気体は水中に溶けてしまい、泡として上がってくるとは限らない。気泡として数えられるのは、水中に溶けきれずにあふれた気体だけである。だから気泡が0個でも、呼吸が止まっているとは言えない。 また、暗所では光合成が行われないため酸素の供給がなく、呼吸による酸素の消費だけが進む。気泡が出ないのは、光合成が止まったことの証拠にはなっても、呼吸の有無の証拠にはならない。 確かめる方法 二酸化炭素に反応して色が変わるBTB液を使う。 1.
67 words, under 1 min53地点の地震記録から発生時刻と震源距離を求める
和歌山県内の3つの観測点A、B、Cで、同じ地震のゆれを観測した。Aでは初期微動が10時00分06秒に始まり、主要動が10時00分12秒に始まった。Bでは初期微動が10時00分09秒、主要動が10時00分18秒に始まった。Cでは初期微動が10時00分12秒、主要動が10時00分24秒に始まった。AとBとCは一直線上にはなく、震源から各観測点までの距離は、それぞれ48 km、72 km、96 kmであることが別のデータからわかっている。地震計の記録から読み取った時刻の誤差は±1秒程度である。観測点Aの地盤は固い岩盤であり、観測点Dはやわらかい堆積層の上にある。この地震による津波は観測されなかった。中学校の理科の授業では「初期微動継続時間は震源距離に比例する」と学んだが、その理由までは詳しく扱っていない。班では、この地震の発生時刻とP波・S波の速さを求め、地点Dの震源距離と主要動の始まった時刻を予測し、さらにDの震度がAより大きかった理由を考察することにした。. この地震の発生時刻と、P波・S波の速さを求めよ。計算の過程を示すこと。. 初期微動継続時間が震源距離に比例する理由を、P波とS波の速さを使って説明せよ。また、この地震のデータがその関係を満たしているか確かめよ。. 観測点Dでは初期微動が10時00分15秒に始まった。Dの震源距離と主要動の始まった時刻を求めよ。また、Dの震度がAより大きかった理由として考えられることを述べよ。.
197 words, under 1 min