あ〜いやいい気持ちだ。
お〜っと僕はこれ決して遊んでる訳じゃないですよ。
このボートが何で浮かんでるのかそしてこの風船が何で浮かんでるのかを考えてるんです。
なぜなんだろうな〜ハハハハ…。
（熊谷黒田）「物理基礎」始まりますよ。
プールに入った時体が軽くなった気がします。
そんな時水の力を感じませんか？うん確かに…。
小さい頃風船で世界旅行をする夢を見ました。
あれって空気の力なんだよね。
さあどうなんだろう？えっ？今日学習するポイントはこちら。
この３つです。
今日お話しして頂くのは田原輝夫先生です。
先生よろしくお願いします。
（田原）よろしくお願いします。
今回は液体や気体が及ぼす力そして浮力について身近な現象を通して学んでいきます。
では始めは水が押す力です。
今日はこのような装置を用意しました。
先生これは何ですか？いわば…じゃあ黒田さんよろしくお願いします。
はい。
ペットボトルのこことこことここの３か所にテープが貼ってあります。
実はこのテープは小さな穴を塞いでるんですね。
そしてペットボトルには水がたっぷり入っています。
それでは熊谷君このテープを上から順にはがしていってくれるかな。
うん了解。
は〜い。
じゃあいくよ。
よいしょ。
よっこらしょと。
ラストよいしょ。
あれ？水の飛び方全然違うね。
一番上は手前に落ちてて一番下のは一番遠くまで飛んでるんだね。
そうだね。
これは水の深さが深いほど水が大きな力で押し出されてるって事。
この時働いてる力が水の力で水圧といいます。
これが水圧っていう事だね。
うん。
この実験は水の深さと水圧の関係をよく表している実験なんですね。
下の穴ほど勢いよく水が飛び出しているのはそれだけ強い力で押し出されてるという事なんです。
つまり…では続いて空気が押す力です。
黒田さん熊谷君。
先生ちょっと…。
こんな遊びした事ありますか？あ〜昔やった事あるかな。
あるかな。
ちょっと吸い付けてみますので黒田さん引っ張って下さいね。
遠慮しないでいいですから。
いいんですか？引きますよ。
あっ全然取れない。
本当に？取れない…お〜。
結構強い力じゃないと取れなかったですね。
かなり強い力で吸い付いてましたよね。
実はこれは大気が押す力つまり大気圧と関係のある現象なんですね。
こちらの図で説明しましょう。
まず本来コップには外側からも内側からも大気圧が同じように働いていてふだんは釣り合っているんですけどもこのように中の空気を吸い出してしまうと内側の気圧が非常に小さくなるんですね。
そのためにこの力によってグッとコップが口に押しつけられるという形になる訳ですね。
でも先生大気圧ってそんな大きいものなんですかね？実はこの１の面の上にですね実はこの１０Ｎもの重さの空気が乗っかっているんですね。
この力が大気圧の元になる力なんです。
１０Ｎ…。
１０Ｎというとこの四辺形に…１に１ｋｇか。
このコップの底の面積を２０くらいとしたら…えっ２０ｋｇ。
うん。
結構大きな力ですよね。
ここで圧力についてまとめておきましょう。
そしてその圧力の大きさはその場所の上にある水の重さあるいは空気の重さで発生する力なので…ハ〜イブツリンだよ。
圧力の表し方を説明するよ。
圧力の単位にはＰａを使う。
例えば１Ｐａの意味は１あたり１Ｎの力が働く時の圧力の事。
つまり圧力の大きさは単位面積あたりに働く力の大きさなんだ。
熊谷君そもそも浮力って何だと思う？それはそのまんまの浮かぶ力でしょ。
う〜ん…じゃあ熊谷君が乗ったボートを例に浮力を考えてみようか。
はいこちら。
ボートが浮かんでるのは力が釣り合ってるって事だよね。
その時ボートは下向きに働く重力のほかに池の水から上向きの力を受けて釣り合っています。
その力を浮力っていうの。
そうか上向きに働く力が浮力って事だね。
そう。
でもボートのように浮かんでる場合もそうなんだけど沈んでるものにも浮力は働いてるの。
えっ沈んでいても？うんそれに熊谷君が持ってた風船にも空気中では上向きに浮力が働いてたんだよ。
だから…何だかややこしくなってきたな。
フフ。
浮力を求めるために…実験に使うのはアルミニウムの円柱です。
まずばねはかりにつるして重さをはかります。
ばねはかりのひと目盛りは…アルミニウムの重さは…ではアルミニウムを水の中に入れるとばねはかりの目盛りはどうなるでしょうか？水の体積は…アルミニウムの円柱を水に入れます。
目盛りが…つまり水に入っている円柱の体積は１０です。
この時ばねはかりではかったひもの張力は…アルミニウムを更に深く入れます。
水中の円柱の体積は２０になりました。
この時のばねはかりの張力は…円柱を更に深く沈めます。
水中の体積が３０になりました。
その時の張力は…今の実験で水中に入れた時のばねはかりの目盛りが空気中で重さをはかった時の目盛りよりも小さくなりましたね。
これは浮力が働いたためなんですね。
こちらの図でちょっと説明しましょう。
これはアルミニウムの円柱に働いてる力を示したものです。
このように張力と浮力が重さを支えているという事ですね。
従ってこのような釣り合いの式が成り立ちます。
という事は浮力Ｆは物体の重さからばねはかりの目盛りすなわち張力を引く事によって求める事ができるんですね。
ではこの式を使って先ほどの実験結果からアルミニウムの浮力を求めてみよう。
このように浮力は重さつまり物体の空気中の重さから張力つまり物体を水中に入れた時に働く上向きの力を引けば求められるんだ。
熊谷君この水中の体積と浮力の関係についてちょっと注目してみて。
何か気付かないかな？う〜んと体積が大きくなるにつれて浮力も大きくなってるから比例だね。
そうだね。
そうです。
ここで浮力についての大切なポイントがあります。
まず…さてもう一つ浮力にはポイントがあるんですね。
実は液体の密度との関係です。
液体の密度によって浮力がどのように変わるか調べます。
密度の異なる３種類の液体を用意しました。
無色透明の液体は水。
青と赤の液体は…密度は体積と質量から求めます。
それでは２つの水溶液の体積を同じにしてその時の質量をはかり密度を求めます。
青い水溶液の体積を１００にします。
この時の質量は…従って青い砂糖の水溶液の密度は…同じようにして赤い砂糖の水溶液の密度をはかります。
それぞれの液体の密度が分かったところでアルミニウムの円柱を使って浮力を求めます。
まず始めに空気中での重さをはかります。
では水の中に入れた時のばねはかりのひもの張力をはかります。
従って水中での浮力は０．２５Ｎになります。
続いて青い水溶液の中での浮力を求めます。
ばねはかりの張力は…従ってこの時の浮力は０．２８Ｎです。
最後に密度の高い赤い水溶液の中での浮力を求めます。
ばねはかりの張力は…従ってこの時の浮力は０．３０Ｎです。
それでは今の実験の結果をまとめてみましょう。
これは密度の異なる液体に物体を沈めた場合の浮力の値を示したものですね。
このように密度が大きくなると浮力の方も大きくなる事が分かりますね。
そしてこの結果をグラフにしたものがこちらです。
このようにこの３つのデータが原点を通る直線の上に載っている事が分かりますね。
この事から…つまり浮力の大きさを決めるもう一つのポイントは密度という事ですね。
はいそのとおりですね。
ここで浮力についてまとめておきましょう。
このように浮力というのは沈んでいる部分の物体の体積に比例します。
そして液体の…実はここには意外なエピソードが…。
私の名はアルキメデス。
世に有名なアルキメデスの原理は実はお風呂の中でひらめいたんだ。
お風呂に入って体を沈めた時にお湯があふれ出したんだ。
分かった…そこから……という事を発見しました。
さあこれを確かめましょう。
どうやんだろうね。
ちょっとアルキメデスさんまずは体積が分かればいいんじゃない？アルキメデスの原理を確かめるために砂糖の水溶液の密度と浮力の実験で使った…メスシリンダーには４００の水が入っています。
アルミニウムの円柱を水の中に入れてその体積をはかります。
４２５に増えました。
従ってアルミニウムの円柱の体積は…先生アルミニウムの体積が分かりました。
では体積が分かったところで浮力と密度の関係を調べた時の実験データを使ってアルキメデスの原理について説明しましょう。
赤い砂糖水の密度は１．２ｇ／でしたね。
そして体積は２５です。
そうしますと押しのけられた砂糖水の重さ質量というのは…これをｋｇで表すと…そうしますと押しのけられた砂糖水の重さすなわち重力は…先ほど実験から得られた浮力の値が０．３０Ｎでしたからほぼ一致しているといえると思います。
浮力は押しのけられた液体の重さに等しいというアルキメデスの原理が確かめられました。
どうして浮力は生まれるんでしょう？これで説明します。
これは水圧を観察する器具です。
こことここに膜が張ってあります。
この膜のへこみ具合で圧力の大きさが分かるようになっています。
では沈めてみます。
あっだんだん膜がへこんで来たのが分かると思います。
下に行けば下に行くほど膜がへこみますね。
はいそしてここに注目。
この上の膜と下の膜。
下の方が上より強く押されていますね。
これが浮力の原因なんです。
つまり…今日は液体や気体から受ける力について学習しました。
いや〜ボートに乗って考えたかいがあったよ。
本当に？あった？うん。
浮力というのは上からの圧力と下からの圧力の差によって生まれる力だったんですね。
大事な事ですね。
ところでアルキメデスさんというのはお風呂に入っている間も物理の事を考えていたんですね。
私も少し見習わなければいけないなと思ってしまいました。
はい私たちも見習おう。
う…うん。
それでは皆さんさようなら。
さよなら。
さよなら。
圧力は上に乗っている水や空気の重さから生まれます。
浮力は液体や気体中の物体に働く上向きの力です。
浮力は液体中に沈めた物体の体積に比例しまた液体の密度に比例します。
アルキメデスはお風呂から流れたお湯にヒントを得ました。
そして……という原理を発見したのです。
2015/07/22(水) 14:20〜14:40
ＮＨＫＥテレ１大阪
ＮＨＫ高校講座 物理基礎「液体や気体から受ける力〜浮力〜」[字]
水中では、物体は水の圧力を受ける。また、物体を水に浮かべたり水中に沈めると、物体は水から浮力を受ける。今回は、液体や気体から受ける浮力の性質について学習する。
詳細情報
番組内容
液体や気体の圧力は、物体の表面に垂直にはたらく。圧力の大きさは物体の表面１平方メートルあたりにはたらく力の大きさ：Ｐａ（パスカル）で表される。また、浮力は、上からはたらく圧力と下からはたらく圧力の差によって生まれる。紀元前３世紀アルキメデスは、「物体にはたらく浮力の大きさは，押しのけられた液体の重さに等しい」ということを発見した。【講師】田原輝夫（東京都立城東高校教諭）【司会】黒田有彩、熊谷知博
出演者
【講師】東京都立城東高等学校教諭…田原輝夫，【司会】黒田有彩，熊谷知博
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