MENU

力と運動

  • HOME »
  • 力と運動

もくじ
1.圧力と力のちがい
2. ニュートンの法則(1)慣性の法則(第一法則)
(2)運動の法則(第二法則)
(3)作用反作用の法則(第三法則)
3.運動量保存の法則
4.力学的エネルギーの保存の法則
5.吹き矢はどちらが遠くに飛ぶか(運動量と力積)

1 圧力と力のちがい トップへ

水を入れたペットボトルをスポンジの上に上下逆さまに乗せると図のように細い上の方が深く下がる。これは同じ重さでも力がかかる面積が小さいほど力が集中することを示す。これが力と圧力の違いである。
%e3%83%9b%e3%83%a0%e3%83%9a%e3%83%bc%e3%82%b8
圧力 物体のある面に対して垂直な単位面積当たりの力の大きさP=F/s 1[Pa] =1[N/m2]
%e3%83%9b%e3%83%a0%e3%83%9a%e3%83%bc%e3%82%b8
材料 木片 厚い紙 定規 秤
方法
1 木片2個を10cm離しておき、その上に厚い紙を置き、下からの高さを測定する。
2 鏡の付いた木片を図のように辺の長い方と短い方を下にして紙の上に置き、下向きにたわむので、下からの高さを測定する。
結果 実験例

紙の高さ
木片を置かない時の高さ 4.0cm
長い辺を下にした時の高さ 3.3cm
短い辺を下にした時の高さ 2.3cm

紙に働く圧力

木片の質量 19.2g
長い辺の面積 17.2cm² 1.12gw/cm²
短い辺の面積 4.94cm² 3.88gw/cm²

木片の質量は19.2gなので、下向きに働く力は19.2gw(重)である。木片の置き方によらず下向きに働く力は同じである。短い辺を下にした時の方が、長い辺を下にした時よりも紙のたわみ方は大きく、沈み方が深い。短い辺の面積は長い辺の面積よりも(4.94/17.2)=0.29倍と小さく、圧力は(3.88/1.12)=3.46倍となり、同じ質量、同じ力がかかる場合、面積が小さき方が大きな圧力がかかることがわかる。
%e3%83%9b%e3%83%a0%e3%83%9a%e3%83%bc%e3%82%b8
鉛筆を両手の掌で押すと芯に当たる方が痛く感じるのは、両手の掌に働く力は同じでも、芯の面積が小さく、圧力が大きくなるからである。
%e3%83%9b%e3%83%a0%e3%83%9a%e3%83%bc%e3%82%b8

2. ニュートンの法則(1)慣性の法則(第一法則)トップへ

(1)慣性の法則(第一法則)

ねらい 物体は外から力が加わらなければ、その状態を続ける。静止しているものは静止を続ける。
材料 硬貨 コップ 厚紙 紙 ストロー
方法 1 ストローは長さ6cmほどを用意する。

2 紙は幅2cm、長さ20cmと30cmほどを用意する。 図のように材料を置く。

3 ストローで強く吹き付ける。

結果 厚紙とストローは飛び硬貨はコップの中に落ちる。硬貨は支えのストローがなくなりそのまま下に落ちる。静止している物体は静止を続ける例である。

 HP写真

身近な例

①車に乗っていて、急に発進すると体が後ろに倒れるような力を受け、急に止まると体が前に倒れ込むような力を受ける。これは止まっている時に、車が発信しても体は静止しているので、車の動きから取り残されることになり、急に止まると体はまだ動いているので、体だけが前に動くからである。

②水槽の水と振子の動き

水槽に水を入れ、重りを吊るす。図の左側に急に動かすと水の表面は傾き、振り子は水面に垂直になる。地球上で垂線は常に水面に直角である。

HP写真

③電車の上のボールをトンネルの手前で上向きに飛ばすと、ボールはトンネルをジャンプし元電車に落ちる。ボールは上向きに上がると同時に電車の速度で水平方向に打ち出されるからである。

HP写真

2. ニュートンの法則(2)運動の法則(第二法則)トップへ

ねらい 加速度は力に比例し、質量に反比例することを調べる。

*学校では 台車、記録タイマーを使って行うが、そのような専用の実験器具がなくても実験ができるようにする

材料 滑車(3個)木片 竹ひご(滑車の軸) 釘 重り(分銅)100g  50g  20g タコ糸 ガムテープ メジャー ストップウオッチ
方法

 

 

 

①力による加速度の変化

1 5寸釘二本の間に軸を通した滑車を、図のように机の端などにガムテープで留める。

2 木片にタコ糸を付け滑車に通し、重りをぶら下げるようにする。

3 重りから床までの距離を測定する。この距離が木片の移動距離となる。

木片を引っ張る重りを50g、70g、100gと変えて、重りが落下に要するまでの時間を測定する。重りの落下距離が木片の移動距離である。3回以上行い平均値を求める。重りの質量を変えることで、木片を引く力を変化させる。

HP写真

HP写真

結果

移動距離 0.68m

重りg 平均所要時間(s) 速度 m/s 加速度 m/s² 力(N)
50 0.782 0.869 1.111 0.49
70 0.615 1.105 1.797 0.686
100 0.485 1.402 2.89 0.98

速度(m/s)=  加速度(m/s2)=

木片を引っ張る力=質量×重力加速度 N=kg×9.8m/s2

重り50gの場合:0.05kg×9.8m/s2=0.49N

加速度は力に比例する

この変化を目で確認するために、滑車を3個取り付け、50g 70g 100gの重りを同時に落下させ、木片の動きを観察する。引く力が大きいほど木片は速く動くことが目視で確認できる。

HP写真

② 質量による加速度の変化

方法 力を変えずに、物体の質量が変化する場合の物体の速度、加速度の変化を調べる。木片の質量を変化させるために木片に重りを乗せ、滑車に付ける重りは同じ重りで引っ張る。重りが落下に要する時間を測定する。3回は行う。

結果

重り 100g  移動距離 0.68m

木片質量 (g) 所要時間(s) 速度 (m/s) 加速度 (m/s²)
103 0.46 1.40 3.03
206 0.62 1.05 1.69
413 0.82 0.79 0.97
加速度は質量を大きくすると小さくなる。

HP写真

同様に木片の質量をさらに変えて実験

重りの質量50g

木片質量g 所要時間s 速度m/s 加速度m/s²
77.8 0.49 1.40 2.89
99.3 0.68 1.00 1.46
128.8 0.78 0.87 1.11
181.3 0.99 0.69 0.69

木片の質量は 最も軽いものを1.0として相対表示する。

加速度は質量の増加により小さくなるが、正しく反比例する結果にはならなかった。

 F=ma  よりa=F/m

 まとめ 加速度は力に比例し、質量に反比例する。

2. ニュートンの法則(3)作用反作用の法則(第三法則)トップへ

ねらい 物体に力が働くと、その力と反対方向に同じ力が働くことを理解する

 ① 風船の飛行

材料 ゴム風船 糸 ストロー セロテープ
方法 1 長さ5cm程度にストローを切り、長さ2m程度の糸を通し、風船をセロテープでストローに留める。

2 風船を膨らませて、図のように空気が抜けないように指で押さえ、糸を張り一方の端を高くして、低い方から風船を離す。

結果 風船が勢いよく飛ぶように高い方に走る。

説明

風船から空気が抜ける力が作用として働き、反作用が反対方向に同じ力で働くので風船は飛ぶように移動する。この時働く力はF=maで空気の質量が大きいほど、風船が大きいほど遠くまで飛ぶ。

HP写真

② 回転ストロー

材料 太いストロー 細いストロー セロテープ
方法 1 太いストローを10cmぐらいの長さに切り、その中央に細いストローが入るように小さな穴を開ける。

2 1のストローの両端をセロテープで留める。これは両端から空気が抜けないようにするためである。

3 1のストローの両端近くに穴を開ける。両端の反対側に開ける。

4 細いストローを1のストローに差し込み、セロテープで留める。このとき細いストローから太いストローに空気が入るように、注意して留める。

5 細いストローに別の太いストローを差し込む。このストローには空気が抜けるように穴を開ける。空気抜けの穴がないとストローが飛び出してしまう。

結果 吹く息の強さを調節して吹く。ストローの穴から空気が吹き出し、その反作用でストローが回転する。

HP写真

3.運動量保存の法則 トップへ

 運動量保存の法則

ねらい 物体が衝突すると運動量(質量×速度)は保存され、衝突した物体に伝わることを理解する

①ビー玉の衝突

ビー玉をぶつけ、ぶつけた球の数だけ反対側から飛び出すことで、衝突の前後で運動量は保存されることを理解する。

材料 糸 ビー玉 セロテープ 段ボール ストロー(割り箸)
方法 1 ビー玉に糸をセロテープで留め、同じ長さに5つ程度重り重りに糸を付けて

ストロー(割り箸)に付けてぶら下げる。

2 端のビー玉を持ち上げ、振り子のように触らす。二個を持ち上げ同様にする。

結果 1個のビー玉が衝突すると、他の先端から1個のビー玉が飛び出し、2個の場合は2個飛び出す。

 HP写真

②硬貨の衝突

材料  硬貨 数枚 定規
方法 硬貨を数個定規を当てて並べ、一方からコインを定規に沿ってぶつける。コインの数を変えて行う。

結果 

HP写真

衝突後

衝突前の運動量の和は衝突後の運動量の和に等しい(弾性衝突 反発係数がe=1の時)

*交通事故の玉突き衝突 後ろから車が衝突して前の車がはじき出されて、さらに前の

車に衝突する事故がある。これは運動量保存の法則により、後ろの車の運動量が前の車

に伝わっていく例である。車が大型で速度が速いほど大きな追突事故になるのはぶつかる大型車の運動量が大きいからである。

4.力学的エネルギー保存の法則 トップへ

力学的エネルギーの保存の法則 

ねらい 物体の持つ運動エネルギーと位置エネルギーの総和は一定に保たれる

斜面を落ちる物体のエネルギー

材料 段ボール ストロー ビー玉 定規 木片
方法 1 段ボールを細長く切り、ビー玉が入る程度の幅でストローを張り付ける。

2 図のように段ボールを上げて高さを調節できるようにする。

3 ビー玉1個を転がし、高さを変えて位置エネルギーを大きくした場合の木片の移動距離を測定する。

4 ビー玉の数を2個、3個にして重りの質量を増した場合の木片の移動距離

を測定する。

結果

HP写真

説明

1 木片の高さを変えて位置エネルギーを変えた場合、木片の移動距離は正比例の関係で増加した。これは位置エネルギーが運動エネルギーに変化する時、位置エネルギー大きいほど運動エネルギーも大きくなり、その増加は、正比例の関係にあることを示す。

2 ビー玉の数を増やして質量を増した場合、木片の移動距離は正比例の関係で増

加した。これは高さが変化しなくても、物体の質量が増加すると運動エネルギーも大

きくなり、その増加は、正比例の関係にあることを示す。

*身近な例 水力発電

ダムの上から水を落下させ、タービン(羽)を回して電力に変えるのは、高い場所の

水の持つ位置エネルギーを運動エネルギーに変える方法である。ダムの高さが低ければダムの幅を長くすることで質量を大きくし、運動エネルギーは大きくなり、電力に変えることができる。

HP写真

5.吹き矢はどちらが遠くに飛ぶか(運動量と力積) トップへ

ねらい 長い吹矢が遠くまで飛ぶのは矢を押し出す時間が長いためである。ことを理解する。
材料 ストロー 爪楊枝など
方法 ストロー1本を短く切り 長さの異なるストローを2本用意する。爪楊枝を入れ、同時に吹きどちらが遠くまで飛ぶか調べる。
結果 長いストローの方が遠くまで飛ぶ。

説明

力×時間(力積)= 質量×速度(運動量)

力×時間を力積といい、力積は質量×速度(運動量)に等しい。長いストローの方が爪楊枝を押し出す時間が長くなる。吹き方(力)が同じで、2本の爪楊枝の質量も同じなので長いストローの方の爪楊枝の速度が速くなる。そのため遠くまで飛ぶ。吹矢は長い方が遠くまで飛び、銃は短銃より銃身が長い方(ライフル銃)が遠くまで飛ぶのはこの原理のためである。

HP写真

PAGETOP
Copyright © エチオピア滞在記と佐鳴湖 All Rights Reserved.
Powered by WordPress & BizVektor Theme by Vektor,Inc. technology.