物理分野の用語と知識の問題
次の文は、動滑車を使って物体を持ち上げるときの仕事について述べたものである。ただし、動滑車やひもの質量と摩擦は考えないものとする。
ある物体を、動滑車を使って、手で直接持ち上げるときと同じ高さまでゆっくり持ち上げる。動滑車を使うと、ひもを引く力は手で直接持ち上げるときより小さくてすむが、ひもを引く距離は、物体を持ち上げる高さより( a )なる。そのため、手がする仕事の大きさは、手で直接持ち上げるときと比べて( b )。
文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
| a | b | |
|---|---|---|
| ア | 長く | 変わらない |
| イ | 長く | 小さくなる |
| ウ | 短く | 変わらない |
| エ | 短く | 小さくなる |
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
仕事の求め方と、道具を使ったときの仕事の大きさについてのきまり(仕事の原理)を使う。
ヒント 2
仕事〔J〕= 力の大きさ〔N〕× 力の向きに動いた距離〔m〕。道具を使っても、使わなくても、仕事の大きさは変わらない。
ヒント 3
仕事の原理から、b は選択肢ア・ウの語句か、イ・エの語句かに絞れる。次に、仕事が同じで力が小さくなるなら、距離がどうなるかを考えよう。
答えと解説
答えを見る
ア
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解説を読む
仕事と仕事の原理を使って考える。
ステップ 1: 仕事の意味を確かめる
物体に力を加えて、力の向きに動かしたとき、その力は物体に仕事をしたという。仕事の大きさは
で表される。
ステップ 2: 仕事の原理を当てはめる(空欄 b)
動滑車やてこ、斜面などの道具を使っても、使わなくても、同じ物体を同じ高さまで持ち上げるときの仕事の大きさは変わらない。これを仕事の原理という。よって b は「変わらない」。
ステップ 3: 距離がどうなるかを考える(空欄 a)
仕事 = 力 × 距離 が変わらないのに、動滑車を使うと力が小さくなる。したがって、そのぶん力の向きに動かす距離、つまりひもを引く距離は、物体を持ち上げる高さより長くなる(動滑車 1 つでは、力は半分、ひもを引く距離は 2 倍になる)。よって a は「長く」。
よって、答えはアである。
- イ: a は正しいが、b が誤り。道具を使っても仕事は小さくならない。
- ウ: b は正しいが、a が誤り。力が小さくなるので、距離は短くならず長くなる。
- エ: a・b ともに誤り。
別解
動滑車を使うと、ひもを引く力は半分になるが、ひもを引く距離は物体を持ち上げる高さの 2 倍になり、高さより長くなる(a は「長く」)。力が小さくなった分だけ距離が長くなるので、仕事(力×距離)の大きさは変わらない。これを仕事の原理という(b は「変わらない」)。ア: 正しい。イ: b が誤り。ウ: a が誤り。エ: a、b ともに誤り。よって答えはア。