物理分野の用語と知識の問題
水中の物体にはたらく水圧と浮力について述べた文として最も適当なものを、次のア〜オから 1 つ選べ。ただし、物体は変形しないものとし、液体はすべて水とする。
- ア 物体全体が水中にあるとき、物体を深く沈めるほど下面にはたらく水圧が大きくなるので、浮力も大きくなる。
- イ 同じ体積の物体を全体が水中に入るように沈めると、質量が大きい物体ほど、はたらく浮力は大きくなる。
- ウ 水面から同じ深さの点で比べると、容器の底面積が大きいほど、その点の水圧は大きくなる。
- エ 物体全体が水中にあるとき、物体の向きを変えて水中に置き直しても、はたらく浮力の大きさは変わらない。
- オ 水面に浮かんで静止している物体では、物体にはたらく浮力は、物体にはたらく重力より小さい。
この問題で使うもの
- 圧力・水圧・大気圧・浮力の性質（説明と入口の問題）
- 力のつり合いと作用・反作用（説明と入口の問題）
この問題を解けるようになるまで（3 技能）
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ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
水圧の大きさが何で決まるか、浮力がどのようにして生じるかを思い出そう。
ヒント 2
浮力は、物体の下面と上面にはたらく水圧の差によって生じ、その大きさは水中にある部分の体積で決まる。
ヒント 3
ア（深さ）、イ（質量）、ウ（容器の底面積）は、いずれも浮力や水圧を決めない量を条件にしている。残りの 2 つのうち、浮いて静止している物体については、力のつり合いを考えて判断しよう。
答えと解説
答えを見る
エ
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解説を読む
正解はエです。
水圧は水の重さによって生じる圧力で、あらゆる向きにはたらき、水面からの深さが深いほど大きくなります。水中の物体では、下面は上面より深い位置にあるため、下面にはたらく上向きの水圧の方が、上面にはたらく下向きの水圧より大きくなります。この差によって生じる上向きの力が浮力です。浮力の大きさは、物体の水中にある部分の体積によって決まり、物体全体が水中にあれば深さには関係しません。
- エ（正しい）：物体の向きを変えても、物体全体が水中にあれば、水中にある部分の体積は変わりません。そのため、浮力の大きさは変わりません。
- ア（誤り）：深く沈めるほど下面にはたらく水圧が大きくなるのは正しいです。しかし、上面にはたらく水圧も同じように大きくなるので、上下の水圧の差は変わりません。そのため、浮力は大きくならず一定です。「浮力も大きくなる」が誤りです。
- イ（誤り）：浮力の大きさは水中にある部分の体積で決まり、物体の質量には関係しません。同じ体積で全体が水中にあれば、浮力は等しくなります。「質量が大きい物体ほど浮力は大きくなる」が誤りです。
- ウ（誤り）：水圧は、その点の上にある水の重さによって生じ、水面からの深さだけで決まります。容器の底面積には関係しないので、同じ深さなら水圧は等しくなります。「底面積が大きいほど水圧は大きくなる」が誤りです。
- オ（誤り）：水面に浮かんで静止している物体では、浮力と重力の 2 力がつり合っています。つり合う 2 力の大きさは等しいので、浮力は重力と等しくなります。「重力より小さい」が誤りです。
別解
各選択肢を確かめる。
ア：物体全体が水中にあるとき、浮力は物体が押しのけた水の重さに等しく、深さによらず一定である。深く沈めると上面・下面にはたらく水圧はどちらも大きくなるが、その差は変わらない。よって誤り。
イ：浮力は物体の水中にある部分の体積で決まり、質量にはよらない。同じ体積なら浮力は同じである。よって誤り。
ウ：水圧は水面からの深さで決まり、容器の底面積や形にはよらない。よって誤り。
エ：全体が水中にあれば、押しのけた水の体積は物体の体積と同じで、向きを変えても変わらない。浮力の大きさは変わらない。よって正しい。
オ：水面に浮かんで静止している物体は、力がつり合っているので、浮力と重力の大きさは等しい。「小さい」は誤り。
したがって正解はエ。