物理分野の用語と知識の問題
同じ荷物を、床から同じ高さの棚の上まで、次の 3 通りの方法でゆっくりと一定の速さで持ち上げた。ただし、滑車やロープの重さ、摩擦は考えないものとする。
- 方法 1 荷物に糸をつけ、真上に直接引き上げた。
- 方法 2 動滑車を 1 個使って引き上げた。糸を引く力は方法 1 の半分ですんだが、糸を引いた距離は方法 1 の 2 倍になった。
- 方法 3 なめらかな斜面に沿って荷物を引き上げた。斜面に沿って引く力は方法 1 より小さくてすんだが、引いた距離は方法 1 で引いた距離より長くなった。
このように、動滑車や斜面などの道具を使うと、物体を動かすのに必要な力は小さくできるが、そのぶん力の向きに動かす距離が長くなり、力の大きさと距離の積で表される量は、道具を使わずに直接持ち上げたときと変わらない。このことを何というか。
この問題で使うもの
- 仕事とエネルギーの移り変わり（説明と入口の問題）
この問題を解けるようになるまで（2 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
力の大きさと、力の向きに動かした距離の積で表される量が何かを思い出そう。
ヒント 2
方法 1〜3 のどれでも、「力の大きさ × 動かした距離」が同じになっていることに注目しよう。
ヒント 3
道具を使っても、その量（仕事）の大きさは変わらない。この性質に付けられた名前を、「仕事の〜」の形で考えよう。
答えと解説
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仕事の原理
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解説を読む
物体に力を加えて、その力の向きに物体を動かしたとき、力の大きさと動かした距離の積を仕事という（単位はジュール〔J〕）。
方法 2 では、動滑車を使ったので糸を引く力は半分になったが、糸を引く距離は 2 倍になった。力の大きさ × 距離は、 倍となり、方法 1 と同じである。方法 3 の斜面でも、引く力が小さくなったぶん、引く距離が長くなり、仕事の大きさは方法 1 と変わらない。
このように、てこ・滑車・斜面などの道具を使っても使わなくても、同じ状態にするための仕事の大きさは変わらない。このことを仕事の原理という。
似た用語との違い:
- 仕事率は、1 秒間あたりにする仕事の大きさ（単位はワット〔W〕）で、仕事をする速さ（能率）を表す量である。道具を使うかどうかで仕事の大きさが変わらない、という性質そのものではない。
- エネルギーの保存（エネルギー保存の法則）は、エネルギーが別の種類のエネルギーに移り変わっても、その総量は変わらないという法則であり、道具を使ったときの力と距離の関係を述べたものではない。
よって答えは 仕事の原理 である。
別解
道具を使っても、力を小さくできるぶん力の向きに動かす距離が長くなり、仕事（力の大きさ×力の向きに動かした距離）の大きさは、道具を使わないときと変わらない。この法則を仕事の原理という。