中3理科の「力学的エネルギーの保存(位置・運動)など」のまとめ・練習問題

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力学的エネルギーの保存の練習問題です。位置エネルギー、運動エネルギーについても理解しておく必要もあり、入試でもよく出題される単元となります。また、エネルギーは単独で出題されることは少なく、そのことを含んだ「物体の運動」と組み合わされて出題される。内容的には「力学的エネルギーとその保存」についてで、他のエネルギーの形の出題は、すくなくなっています。それでは、中3理科の「エネルギー(位置・運動・力学的・変換など)」のまとめです。

エネルギー

エネルギーはいろいろな姿に移り変わる。エネルギーは、運動、熱、音、光、電気など他の物体にいろいろなはたらきをする能力。

  • いろいろなエネルギー:電気エネルギー、熱エネルギー、光エネルギー、音エネルギー、化学エネルギー、位置エネルギー、運動エネルギー、弾性エネルギーなど。
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位置エネルギー

位置エネルギーは高いところにある物体が持つエネルギー。

  • 物体の高さとの関係は、比例する。
  • 物体の質量との関係は、比例する。
  • 位置エネルギーの大きさは、(高さ)×(質量)に比例。

運動エネルギー

運動エネルギーは、運動している物体が持つエネルギー。

  • 物体の速さとの関係は、2乗に比例する。
  • 物体の質量との関係は、比例する。
  • 運動エネルギーの大きさは(速さの2乗)×(質量)に比例。

電気エネルギーと熱エネルギー

電気エネルギー:モーターに電気を流すと模型の自動車を動かすことができる。
熱エネルギー:水を熱で水蒸気ですると物体を動かすことができる。

力学的エネルギー

エネルギーが変換する前後でエネルギー量は変化しない。

  • 力学的エネルギー:位置エネルギーと運動エネルギーは合わせた呼び方。

力学的エネルギーの移り変わり

  • 位置エネルギーと運動エネルギーは互いに移り変わることができる。

力学的エネルギー保存の法則

  • 位置エネルギーと運動エネルギーの和はいつも一定である。

エネルギーの変換

電気ストーブは電気エネルギーを熱エネルギーに変化する。エネルギーの移り変わりは、互いに他のエネルギーに移り変わる。

  • 火力発電:石油の化学エネルギー→熱エネルギー→運動エネルギー→電気エネルギー
  • 水力発電:位置エネルギー→運動エネルギー→電気エネルギー
  • 原子力発電:核エネルギー→熱エネルギー→運動エネルギー→電気エネルギー
  • 電灯:電気エネルギー→熱エネルギー→光エネルギー

エネルギーの保存

エネルギーが変換する時、一部は熱エネルギーになる。エネルギーの保存は、エネルギーが別のエネルギーに変換される時、一部は熱エネルギーに変わってしまうが、この熱エネルギーも含めると変換する前後でエネルギーの総和変化しない。

化学エネルギー

  • 物質の持つエネルギーを化学エネルギーという。

化学エネルギー:熱量などの物質が持つエネルギー。化学変化するときに熱エネルギーや電気エネルギーなどを取り出すことができる。

力学的エネルギーの保存の練習問題

次の問いに答えよ。

  1. エネルギーとは、他の物体に何をする能力のことか。
  2. 位置エネルギーは、物体の何と何に比例して大きくなるか。
  3. 運動エネルギーは、物体の質量に比例し、何の2乗に比例するか。
  4. 物体の質量を3倍、速さを2倍にすると運動エネルギーは何倍になるか。
  5. 位置エネルギーと運動エネルギーの和を何というか。
  6. 空気の抵抗や摩擦がない場合、5はどうなるか。
  7. 6のことを何というか。
  8. 10mの高さにある物体が、斜面を下って6mの高さA点を通過し、最下点の0m地点を通過した。最下点を通過するときの運動エネルギーはA点を通過するときの運動エネルギーの何倍か。

解答

  1. 仕事
  2. 高さと質量
  3. 速さ
  4. 3×22=12倍
  5. 力学的エネルギー
  6. 一定なる。
  7. 力学的エネルギーの保存(力学的エネルギー保存の法則)
  8. 2.5倍

運動とエネルギーの実験問題

次の運動とエネルギーの実験の実験手順をよみ、次の問いに答えなさい。ただし、質量100gの物体にはたらく重力の大きさを1Nとし、空気の抵抗や摩擦、および糸の質問については考えないものとする。

<手順>

  1. 質量600gの金属級と糸を用いて振り子をつくったあと、糸の端をO点に固定し、金属球をO点の真下のB点に静止させた。
  2. 次の、B点から金属球を手で持ち上げ、糸がたるまないようにして金属球A点に静止させた。
  3. 2のあと、A点で静止させていた金属球から静かに手を離したところ、金属球はB点を通ったあと、C点まで振れ、一瞬静止した。
  4. 3の金属球の運動を、1秒間に5回発光するストロボスコープを使って撮影し、そのストロボ写真をもとに、図のように、金属球の運動のようすを紙にかきうつした。このとき、基準となる高さをB点の高さとし、A点の高さも記入した。

<図>
運動

問1 仕事率

手順2で金属球をB点からA点まで持ち上げるのに、3.0秒かかったとすると、手が金属球に対して行った仕事率は何Wか求めよ。

問2 はたらく力

次の文の中にには、手順3での金属球の運動と金属球にはたらく力について、まとめた内容のです。文章中の(ア)(イ)に適切な数値や言葉を入れなさい。

<文>図から手順3で、金属球がA点からC点まで振れるのに(ア)秒かかったことがわかる。また、金属球がC点で一瞬静止したとき、金属球には重力がはたらいて( イ )。

問3 速さの進化

手順3で、金属球がA点からB点まで振れる間に金属球が行った運動において、金属球の速さはどのように変化したと考えられるか、簡潔に書け。

解答

  1. 0.4W
  2. ア1.2 イいる
  3. しだいに早くなった
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