中学理科単元別解説|中学1年生|力とバネ・圧力

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理科

みなさんこんばんは。

今回は力とバネ・圧力に関して説明をしていきます。中学までは理科とひとくくりにされていますが、高校から物理学に分類される分野の学習です。この分野の他には電気なども該当します。

実は私はこの力とバネや圧力の単元である「物理学」が苦手です。(一応理系の国立大学出てるんですけどね)

私は高校時代には物理のテストで2点を取ったこともあります。

ちなみに100点満点のテストです。家族には「逆にどうやってそんな点数取るんだ」と笑われたぐらいです。

とは言っても、得意な分野より苦手な分野の方が、教えるのには向いていることが多いですから、ここから先は安心して読み進めてもらっていいと思います。

高校では物理、化学となる分野は中学では理科1分野となっています。理科1分野の勉強にはこの本がおすすめです。このサイト作成にも大変参考になりました。

この記事をご覧の方には勉強のコツ|理科編-学習する内容を明確な作業にする事例集も参考になります。

前回の記事「学習の質を簡単に上げることができる4つの方法」で、学習内容を15分程度の作業にすることをポイントとして紹介しましたが、この内容は単元別に解説しておいた方がいいと思いました。 なので、今日は学習する内容を明確な作業にする事例集(理科編)とします。

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中学理科単元別解説
中学1年生|力とバネ・圧力

力について|力のはたらきや表し方・単位について

力そのものは目で見ることはできません。ただし、物体に力のはたらきがあると、大きく分けて3つの現象が見られるようになります。この現象に注目することで、力がはたらいた痕跡(こんせき)や、力がはたらいている様子を知ることができます。

力のはたらきがあるとおこる3つの現象

  1. 物体が変形する
    例)ペットボトルを足で踏んでつぶすなど
  2. 物体が支えられる
    例)本棚にしまった本、机の上のボールなど
  3. 運動の様子が変化する
    野球やサッカーで打ち返されたボールなど

力を表す時は矢印(→)を使います。矢印の根元は力がはたらく場所(作用点)からにし、力の向きを→の向きに、力の大きさを→の長さにします。

この→の元となる力の3要素をもう一度説明しておきます。

力の3要素

  1. 力がはたらく場所(作用点)
    矢印の起点の部分
  2. 力の大きさ
    矢印の長さ
  3. 力の向き
    矢印の向き

重力について

力で一番身近なものの1つに重力があります。重力の大きさのことを一般的に重さといい、質量が大きな物体に大きな重力がはたらくようになっています。

重力の大きさは質量に比例して大きくなります。ちょっとした例を下に出してみます。

地球にいる限りは「質量=重さ」になるので、質量と重さの関係がイメージしにくいかもしれません。なので、月に行った場合を考えてみましょう。地球で6kgの鉄の塊と60kgの人は、月面では1kg程度と10kg程度の重さになります。(月の重力は地球の1/6程度のため)ただし、質量は鉄の塊が6kg、人は60kgで変わりません。

月から地球に鉄の塊を持って人が帰ってくれば、重さはまた鉄の塊が6kgと人が60kgになります。

ちょっと話が逸れてしまいましたが、重力は物体の全体に均等にかかってくるので、力のはたらきを矢印で表すのが少し難しくなってしまいます。

そのため、理科で重力を矢印で表す時は、物体の中心から1本の矢印を下に向かって引くようにします。

重力の大きさを表す単位|N(ニュートン)

質量100gの物体にはたらく重力の大きさを1N(ニュートン)とします。上で月面の重力の話をしましたが、質量と重力の関係をN(ニュートン)という単位を使って下に表を作ってみました

質量と重さ(N)の関係

地球上 月面城 無重力の宇宙空間
質量【g】 600g 600g 600g
重さ(=重力の大きさ)【N】 6N 1N 0N

バネについて|用語解説と法則の説明

弾性と弾性力

弾性:バネやゴムのように、変形した物体が元の形に戻る性質のこと

弾性力:変形した物体(バネ、ゴム、下敷きなど)が元の状態に戻ろうとする時に、他の物体に対して力を加えること

バネやゴムとは違い、一度変形したら元の形に戻らない性質は可塑性(塑性)といいます。可塑性を持つものとしては粘土が有名です。

フックの法則

バネにつけるおもりの質量を2倍、3倍、・・・と増やしていくと、バネの伸びも2倍、3倍、・・・となります。また、バネの弾性力も2倍、3倍・・・となります。

このようにバネの伸びとバネの弾性力とが比例する性質をフックの法則といいます。

力と圧力|天気予報でよく見るhPaなども圧力です

圧力とは

圧力とは単位面積あたりに加わる力の大きさのことです。数式にすると下のようになります。

圧力(Pa)=圧力(N/㎡)=面を垂直に押す力(N)÷ふれあう面積(㎡)

タンスの角に足をぶつけると痛いのは、タンスの角は面積が小さいので、同じ力でも圧力が大きくなると考えれば分かりやすいかもしれません。

天気予報でよく見るhPaって何?

天気予報で気圧をhPa(ヘクトパスカル)で表していますが、ここのh(ヘクト)は100倍という意味ですから1hPa=100Paです。

h(ヘクト)で小学校で習うのがha(ヘクタール)ですね。これも1ha=100aとなります。

大気圧と水圧

空気にも質量があります。そのため空気は地球の重力の影響を受け、地球に引っ張られて地表面を覆います。地表を覆う空気の層を大気といい、大気による圧力を大気圧(気圧)といいます。

大気圧の大きさ

地表付近の大気圧は101,300Paです。天気予報などで見慣れたhPaに換算すると1013hPaです。またこの1013hPaを1気圧とも言います。

大気はどの程度上空まであるのかをちょっと計算してみたいと思います。

地表付近の空気を1辺が10cmの立方体に切りだしたとします。この空気が入った立方体の質量は約1gになります。これから地面が受ける圧力の大きさを求めてみます。

大気の質量=1g=0.01N

空気が入った立方体の低面積=0.1m×0.1m=0.01㎡

大気圧=0.01N÷0.01㎡=1N/㎡=1Pa

地表付近の大気圧は101,300Paなので、大気の層は10cm×101,300Pa=1,013,000cm=10.13kmと理論上はなりますが、実際には約500kmです。

これは上空へ行くほど空気の密度が低くなるためです。

水圧の大きさと水深

水圧の大きさをちょっと計算してみたいと思います。

1c㎥の水が1gですから、空気の時と同様一辺が10cmの立方体で考えてみます。

この立方体の体積=10cm×10cm×10cm=1000c㎥、つまり水は1kg入っています。

水の質量=1000g=10N

水が入った立方体の低面積=0.1m×0.1m=0.01㎡

水圧=10N÷0.01㎡=1000Pa=10hPa

このことは次のように言い換えることもできます。

水深X(cm)の位置における水圧はX(hPa)

深海魚などを勢いよく釣りあげてしまうと魚の体が爆発してしまうことがあります。

深海では上の式からかなり大きな水圧がかかっているので、深海魚もそれに耐える力を体の外に向かって発しています。その水圧を急に低くしてしまうと、体の内側からの力に耐えられなくなってしまいます。これにより深海魚は爆発してしまうのです。

最後に力とバネ・圧力の学習におすすめの参考書を紹介します。

この記事をご覧の方には理科の知識を深める書籍3選|勉強をより面白く!も参考になります。

みなさんは本を読んでいますか?直接テストの点数が上がるわけではありませんが、読書は非常に勉強のためにもなります。好きな教科がある人は、それに関わる書籍を読んでおくのをおすすめします。私が個人的に読んだ本の中でも、理科の知識を深めるのに役立つ本を紹介したいと思います。

それでは今回はここまでです。最後までご覧いただきありがとうございました。