【一問一答クイズ】中学3年物理問題500問以上(理科)

Question 1

摩擦のないコースにおいて、最も低い位置にある水平面（地点BからC）を通過した物体が、再び斜面を上がり、最初よりも高い位置にある別の水平面（地点DからE）へと進みました。このとき、低い水平面を移動しているときの運動エネルギーと、高い水平面を移動しているときの運動エネルギーを比較した説明として適切なものはどれですか。

Accepted Answer

高い水平面では位置エネルギーが大きくなるため、その分、運動エネルギーは低い水平面のときよりも小さくなる。力学的エネルギー保存の法則により、位置エネルギーと運動エネルギーの和は常に一定に保たれます。低い水平面から高い水平面へ移動すると、位置エネルギーが増加した分、運動エネルギーが減少するため、高い場所にある水平面を移動する物体の速さは、低い場所を移動するときよりも遅くなります。

Question 2

元のエネルギーから、目的とする種類のエネルギーに変換された割合のことを何といいますか。その名称として適切なものを選びなさい。

Accepted Answer

エネルギーの変換効率。投入した元のエネルギーに対して、最終的に得られた目的のエネルギーがどれくらいの割合であるかを示す指標を変換効率と呼びます。変換の過程で一部のエネルギーは熱や音として逃げてしまうため、この値が100％になることはありません。

Question 3

物体が高いところにあることで持っているエネルギーを位置エネルギーといいます。この位置エネルギーの大きさを決める要素の組み合わせとして、適切なものはどれですか。

Accepted Answer

物体の質量と、物体の高さ。位置エネルギーは、その物体がどのくらいの重さ（質量）であるか、および基準面からどのくらいの高さにあるかによって決定されます。斜面の角度は、木片に衝突する直前の速さの変化には影響しますが、物体が本来持っているエネルギーの総量（位置エネルギー）そのものを決定する要素ではありません。

Question 4

１つの点にはたらく２つの力の合力を求める際、その２つの力を隣り合う２辺とする平行四辺形をつくり、その対角線として合力を表す法則を何といいますか。最も適切なものを選びなさい。

Accepted Answer

平行四辺形の法則。角度をもってはたらく２つの力の合力を求めるには、それらの力を２辺とする平行四辺形を書き、その対角線の長さと向きによって合力を求めることができます。これを平行四辺形の法則と呼びます。これに対し、一直線上の同じ向きの力であれば和、反対向きであれば差によって合力を求めます。

Question 5

記録タイマーを利用して物体の運動を調べる際、東日本などの商用周波数が50Hzの地域では5打点ごと、西日本などの60Hzの地域では6打点ごとに紙テープを切り取って分析することが多い。このように決まった打点数ごとにテープを切る理由として最も適切な説明はどれか。

Accepted Answer

テープ1本あたりの時間を0.1秒にするため。記録タイマーの打点数は1秒間あたりの周波数に基づいている。60Hz（1秒間に60回打点）の地域で6打点ごとに区切ると、その区間の時間は6÷60＝0.1秒となる。同様に50Hzの地域で5打点ごとに区切れば5÷50＝0.1秒となる。このように時間を0.1秒という区切りの良い数値にすることで、その後の平均の速さの算出やグラフ化が容易になるという利点がある。

Question 6

滑らかな斜面上の高い位置にある点aに置いた物体を静かに放したところ、物体は斜面を下りきり、水平面とのつなぎ目である点bを通過して、そのまま水平面上の点c、点dへと進みました。このとき、物体の運動エネルギーが最大となる地点についての説明として正しいものはどれですか。ただし、摩擦や空気の抵抗は考えないものとします。

Accepted Answer

水平面に達した点bで速さが最大となり、その先の点cや点dでも運動エネルギーは最大値のまま保持される。物体が斜面を下るにつれて位置エネルギーが減少する代わりに運動エネルギーが増加し、物体の速さが速くなります。斜面を下りきって水平面に達した点bで位置エネルギーの減少が止まるため、ここからは速さが一定の等速直線運動に変わります。したがって、最も低い位置である水平面上の点b、点c、点dにおいて物体の速さが最大となり、運動エネルギーもこの区間で最大値をとります。

Question 7

エネルギーを変換する装置において、変換後の電気エネルギーの量が、もとの位置エネルギーの量よりも少なくなってしまう理由として、最も適切な説明を選びなさい。

Accepted Answer

変換の過程で、摩擦や抵抗によってエネルギーの一部が熱や音に変わったから。。エネルギー全体の合計は保存されますが、変換の際には必ず摩擦や空気の抵抗などが発生し、目的以外のエネルギー（主に熱エネルギーや音エネルギー）が発生します。これを熱損失などと呼び、この分だけ目的とする電気エネルギーの量は減少します。

Question 8

1つの物体に複数の力が働き、それらが互いに打ち消し合って、物体が静止または等速直線運動を続けている状態を何といいますか。

Accepted Answer

力のつり合い。1つの物体に複数の力が働いているにもかかわらず、物体が静止している、あるいは運動の状態が変化しないとき、それらの力は「つり合い」の関係にあるといいます。複数の力が合わさった結果、合力が0になっている状態を指します。

Question 9

おもりをある高さから静かに放して振り子を振らせる実験において、支柱の真下に釘を打ち、おもりが最下点を通過する瞬間に糸が釘に当たるように設定しました。釘がない状態で振らせた場合と、釘に当たって振り子の長さが短くなった場合を比較したとき、最下点におけるおもりの速さの関係として適切な説明はどれですか。

Accepted Answer

釘の有無にかかわらず、最下点での速さは同じになる。物体が落下したときに得られる運動エネルギーは、減少した位置エネルギーの量によって決まります。釘がある場合でも、おもりが最下点に達するまでの落下距離（高さの差）は変わらないため、最下点での運動エネルギーは等しくなり、結果として速さも同じになります。

Question 10

ある模型が直線コースを走り、2メートル地点から6メートル地点まで移動する際の平均の速さを算出した。この「平均の速さ」について説明した文として、最も適切なものはどれか。

Accepted Answer

2メートル地点から6メートル地点までの間、ずっと同じ速さで移動し続けたと仮定したときの値である。。平均の速さは、移動距離を時間で割ることによって、その区間内の速さの変化をならして「ずっと一定の速さで移動した」とみなして計算したものである。実際の運動では速さが速くなったり遅くなったりすることがあるが、それらを考慮せずに、区間全体をひとまとめにして扱うのが特徴である。

Question 11

スタンドに固定されたひもを動滑車に通し、その動滑車に合計5.0Nの重りを吊るした装置があります。ひもの端を上向きに引き、2本のひもが平行になる状態で静止させたとき、ひもを引く力は何Nになりますか。

Accepted Answer

2.5N。動滑車を用いる場合、物体に働く重力による下向きの力を、滑車を支える2本のひもで均等に分散して支えることになります。ひもが平行であるとき、1本のひもにかかる力は全体の重さの半分になるため、5.0Nの半分である2.5Nの力で支えることが可能です。

Question 12

50Hzの記録タイマーを使い、水平な台の上で台車を引く実験を行いました。記録されたテープを5打点ごとに切り取って並べたところ、ある区間のテープの長さが4.0cmでした。この区間における台車の平均の速さは何cm/sですか。

Accepted Answer

40 cm/s。50Hzの記録タイマーで5打点ごとにテープを区切った場合、その区間の時間は0.1秒となります。平均の速さは「移動距離 ÷ かかった時間」という計算式で求められるため、4.0cm ÷ 0.1秒を計算すると、40cm/sという値が導き出されます。

Question 13

「物体を直接2m持ち上げる」「定滑車を使って2m持ち上げる」「動滑車を使って2m持ち上げる」という3つの方法で、重さが同じ物体をそれぞれ同じ10秒間かけて持ち上げました。このときの仕事率の比較について述べた文として正しいものを選びなさい。ただし、滑車の重さや摩擦は無視できるものとします。

Accepted Answer

どの方法で行っても、仕事率はすべて同じになる。道具を使っても使わなくても、物体をある高さまで持ち上げるのに必要な仕事の大きさは変わらないという「仕事の原理」があります。同じ重さの物体を同じ高さまで持ち上げる場合、直接持ち上げても滑車を使っても、手がする仕事（J）はすべて同じです。今回はこれらをすべて同じ時間（10秒）で行っているため、1秒間あたりの仕事量である「仕事率」も、すべての方法において等しくなります。

Question 14

水平な机の上に置かれた台車の左端に糸を取り付け、机の端に固定した滑車を通して重りをつるした。この台車を右向きに手で押し出したところ、台車は右向きに滑り始めた。重りが床につくまでの間、台車が右向きに運動しているときの速さの変化として最も適切なものはどれか。

Accepted Answer

重りによって運動の向きと逆向きに一定の力が加わるため、速さは一定の割合で減少する。物体が運動しているとき、その運動の向きと逆向きに力を加え続けると、物体の速さは一定の割合で減少します。この実験系では、台車の右向きの運動に対し、滑車を介した重りが左向き（逆向き）に常に一定の力を及ぼしているため、台車は減速運動を行います。

Question 15

力の合成と分解に関する記述として、科学的に正しいものはどれですか。ただし、2つの分力の間の角度は0度より大きく180度より小さいものとします。

Accepted Answer

合力の大きさが一定であれば、2つの分力の間の角度を大きくするほど、それぞれの分力は大きくなる。。1つの力と同じはたらきをする2つの力を分力と呼び、それらを求めることを力の分解といいます。力がつり合いの状態にあり合力の大きさが一定に保たれているとき、分力のなす角度が大きくなるほど、合力を支えるために必要な個々の分力の値は増加します。逆に、分力の大きさを変えずに角度だけを大きくした場合は、合力の大きさは小さくなります。

Question 16

記録タイマーを用いて物体の運動を記録したところ、5打点ごとの記録テープの長さが、ある区間から30cmで一定となり、グラフが水平な状態を示しました。この一定の長さを示している区間における物体の運動について、正しく述べたものはどれですか。

Accepted Answer

物体にはたらく力がつり合っているため、一定の速さで動いている。。5打点ごとのテープの長さは、その間の平均の速さに比例します。テープの長さが30cmで一定となり、変化しなくなったということは、物体が一定の速さで運動していることを示しています。このように物体が等速直線運動を行うのは、物体に力がはたらいていないか、はたらいている力がつり合っているときです。

Question 17

物体が斜面を滑り下りるとき、物体の速さがしだいに大きくなるのは、運動の向きにある力がはたらき続けるためです。重力を分解して考えたとき、この速さを変える原因となる力の名称として適切なものはどれですか。

Accepted Answer

重力の斜面に平行な分力。斜面上の物体には、鉛直下向きに重力がはたらいています。この重力は、物体の運動方向である「斜面に平行な方向」と、斜面を押しつける「斜面に垂直な方向」の２つの力に分解して考えることができます。物体を加速させるのは、運動の向きと同じ向きにはたらき続ける「斜面に平行な分力」です。

Question 18

質量が同じ2つの小球を、同じ高さの地点から水平面まで滑らせる実験を行います。一方の小球は傾きが10度のなめらかな斜面を下り、もう一方は傾きが20度のなめらかな斜面を下りました。それぞれの小球が水平面に達するまでに、小球に働く重力がした仕事の大きさの関係について説明したものとして、正しいものはどれですか。

Accepted Answer

どちらの斜面も高さの変化、つまり垂直方向の距離が同じであるため、重力がした仕事の大きさは等しい。。重力が物体に対してする仕事の大きさは、物体に働く重力の大きさと、重力が働く向き（垂直方向）に移動した距離の積によって決まります。斜面の傾きが異なれば、物体が斜面から受ける力の加減や移動距離は変化しますが、出発点と到着点の高さの差である垂直方向の距離が変わらなければ、重力がする仕事の大きさは経路によらず一定となります。このため、傾きが異なる斜面であっても、同じ高さから水平面まで移動した際の仕事は等しくなります。

Question 19

連続写真を用いて物体の運動を分析する際、特定の2枚の写真の間の「平均の速さ」を正しく求めるために必要な操作として、最も適切なものはどれですか。

Accepted Answer

2枚の写真の間の移動距離を、撮影と撮影の間の時間間隔で割る。平均の速さを算出するためには、対象とする区間の移動距離を、その移動にかかった時間（時間間隔）で割る必要があります。連続写真においては、シャッターが切られる周期から算出される「コマとコマの間の時間」が分母となります。

Question 20

作用・反作用の関係にある2つの力と、1つの物体にはたらく2つの力がつりあっている状態について、その共通点と相違点を説明したものとして正しいものはどれですか。

Accepted Answer

どちらも2つの力の大きさは等しく向きは反対だが、作用・反作用は異なる2つの物体にはたらく力がペアになっている。。作用・反作用の2力と、つりあう2力は、どちらも「大きさが等しい」「向きが反対」「一直線上にある」という共通の性質を持ちます。しかし、力のつりあいが「1つの物体」にはたらく力を見て、その物体が動かない条件を示すものであるのに対し、作用・反作用は「異なる2つの物体」が互いに押し合ったり引き合ったりする際の関係を示しているという点が決定的な違いです。

Question 21

物体が移動した全距離を、その移動にかかった全時間で割って算出した速さを何といいますか。この値は、途中の速さの変化を考慮せず、一定の速さで移動し続けたとみなしたときの値です。

Accepted Answer

平均の速さ。物体の運動において、速度が一定でない場合でも、ある区間全体を一定の速さで移動したと仮定して求めた値を平均の速さと呼びます。これに対し、スピードメーターが示すような、ごく短い時間に移動した距離から求めた、刻々と変化する速さは瞬間の速さと呼ばれます。

Question 22

斜面の上を転がり落ちている最中の球にはたらく重力の向きについて、物体の運動状態と関連付けた記述として正しいものを選びなさい。

Accepted Answer

球が静止しているときも運動しているときも、重力の向きは常に一定で鉛直下向きである。重力は地球が物体を引く力であり、その向きは物体の運動状態（静止しているか、運動しているか）や速度の変化に影響を受けることはありません。斜面を転がっている間も、重力は一貫して鉛直下向きにはたらき続けます。斜面を下る向きの力は、この重力の一部が分力として現れたものです。

Question 23

振り子の重りをある高さから静かに放したとき、重りが円弧を描いて運動する過程で、重りの運動エネルギーが最大となる位置はどこか。

Accepted Answer

重りが最も低い位置である最下点。振り子の運動では、位置エネルギーと運動エネルギーが互いに移り変わる。重りが高い位置から低い位置へ移動するにつれて、位置エネルギーが運動エネルギーに変換され、重りの速さが増していく。最下点は、位置エネルギーが最小になり、速さが最大となる地点であるため、運動エネルギーもこの地点で最大となる。

Question 24

1秒間に60打点する記録タイマーを使い、台車の運動を紙テープに記録した。この紙テープを6打点ごとに区切ったところ、ある区間の長さが6.3cmであった。この区間における台車の平均の速さは何cm/sか。

Accepted Answer

63cm/s。1秒間に60打点する記録タイマーでの6打点分の時間は0.1秒に相当する。平均の速さは「移動した距離 ÷ かかった時間」で求められるため、6.3cm ÷ 0.1秒を計算すると、63cm/sとなる。6.3に60をかけてしまうと378という誤った数値が導かれるため注意が必要である。

Question 25

重さ50Nの荷物を動滑車につなぎ、一定の速さ0.2m/sで真上に引き上げ続けました。このとき、手がひもを引く力がする仕事率は何Wになりますか。ただし、ひもや滑車の質量、および摩擦は考えないものとします。

Accepted Answer

10W。仕事率は1秒間あたりの仕事の量で定義されます。荷物が0.2m/sの速さで上昇しているとき、1秒間に荷物がされる仕事は 50N × 0.2m ＝ 10J です。これを1秒で行っているため、仕事率は10Wとなります。動滑車を使用する場合、ひもを引く力は半分の25Nになりますが、ひもを引く速さは荷物の上昇速度の2倍である0.4m/sとなるため、25N × 0.4m/s ＝ 10W と計算しても同じ結果が得られます。

Question 26

物理学的な分類において、光や電波は「電磁波」というグループに属します。太陽光に含まれる成分のうち、アルファ線や中性子線などの放射線とは分類が異なり、電磁波としての性質を持つものを次の中から選びなさい。

Accepted Answer

紫外線。光や電波は、空間を伝わる電場と磁場の波である「電磁波」の一種です。紫外線もこの電磁波に含まれます。一方で、アルファ線、ベータ線、中性子線などは、原子核などから放出される微小な粒子の流れである「粒子線」であり、波としての性質が主である電磁波とは区別されます。

Question 27

1秒間あたりに行われる仕事の量を何といいますか。また、その値を算出する際に用いられる単位として適切なものを選択しなさい。

Accepted Answer

仕事率、単位はワット（W）。一定時間内にどれだけの仕事ができるかを表す指標を仕事率と呼びます。仕事の能率を示すこの値は、仕事の大きさ（J）を、その仕事にかかった時間（秒）で割ることで算出され、単位にはワット（W）が用いられます。

Question 28

水力発電の仕組みにおいて、ダムから斜面を勢いよく流れ落ちてきた水が、発電機のタービン（羽根車）を回転させる瞬間のエネルギー変換として最も適切な説明を選びなさい。

Accepted Answer

水の持つ運動エネルギーを、発電機によって電気エネルギーに変換している。。ダムから流れ落ちる水は、速さを持つため「運動エネルギー」を持っています。発電機はこの回転する力を利用して電気を発生させる装置であるため、運動エネルギーを電気エネルギーに変換する役割を担っています。位置エネルギーから電気エネルギーへの変換は、間に運動エネルギーの段階を挟む必要があります。

Question 29

金属棒の一端をガスバーナーで熱したとき、棒を構成している物質自体は移動せずに、高温の部分から隣り合う低温の部分へと順に熱が伝わっていく現象を何といいますか。

Accepted Answer

伝導。固体などの物質内において、物質の移動を伴わずに熱が隣の領域へと伝わっていく現象は伝導（熱伝導）と呼ばれる。金属は非金属に比べてこの熱を伝える効率が非常に高いという特徴がある。

Question 30

ふりこのおもりが最高点から最下点に向かって運動し、再び反対側の最高点に達するまでの運動において、おもりの「運動エネルギー」の変化を説明したものとして最も適切なものはどれですか。

Accepted Answer

最下点で運動エネルギーが最大になり、最高点で最小（0）になる。ふりこの運動では、高さが変化することによって位置エネルギーと運動エネルギーが互いに移り変わる。おもりが最高点に達した瞬間は速さがゼロになるため運動エネルギーは最小（0）となり、逆に高さが最も低くなる最下点では速さが最大となるため、運動エネルギーも最大となる。このようにエネルギーの種類は変化するが、その総和は力学的エネルギーの保存によって一定に保たれる。

Question 31

水平な面上を滑っている物体に対して、その運動を妨げようとする力がはたらくとき、その力の名称と向きについて説明したものとして最も適切なものはどれですか。

Accepted Answer

摩擦力といい、物体の運動の向きと反対の向きにはたらく。物体が他の物体と接して運動しているとき、その接触面で運動を妨げようとする力を摩擦力と呼びます。摩擦力は常に物体の運動を邪魔する方向、すなわち運動の向きとは反対の向きにはたらく性質があります。

Question 32

ある高さにある物体が持つ位置エネルギーを測定したところ、10J（ジュール）でした。この物体の高さを変えずに、質量の異なる別の物体に置き換えたところ、位置エネルギーは15Jに増加しました。新しく用意した物体の質量は、最初の物体の質量の何倍ですか。

Accepted Answer

1.5倍。位置エネルギーの大きさは、物体の高さが一定であれば、その物体の質量に比例します。エネルギーが10Jから15Jへと1.5倍に増加していることから、比例関係に基づき、物体の質量も1.5倍になっていると判断できます。質量が大きくなるほど、同じ高さでもより多くの仕事をする能力（エネルギー）を持つことになります。

Question 33

物体がある距離を移動したとき、途中の速さの変化を考えず、移動した距離をかかった時間で割ることによって求められる、一定時間あたりの移動距離を何といいますか。

Accepted Answer

平均の速さ。移動距離を時間で割って得られる値は、運動の途中で速さが変わっていたとしても、全区間を一定の速さで移動したとみなしたときの値となります。これを平均の速さと呼びます。これに対し、記録タイマーの非常に短い打点間隔や、スピードメーターが示すその時々の速さは瞬間の速さと呼ばれます。

Question 34

摩擦のない水平面上で小球を転がし、静止している木片に衝突させる実験を行います。小球が木片に衝突する直前の速さを2倍、3倍に変化させたとき、木片が移動する距離はどのように変化しますか。最も適切な説明を選びなさい。

Accepted Answer

速さの2乗に比例して、4倍、9倍になる。運動している物体が持つエネルギー（運動エネルギー）は、物体の速さの2乗に比例する性質があります。木片の移動距離は、小球が衝突によって木片に与えたエネルギーの大きさを表す指標となるため、速さが2倍になれば2の2乗で4倍、3倍になれば3の2乗で9倍というように、二乗に比例して変化します。

Question 35

2個のばねばかりを使用し、1つの重りを2本の糸で吊るして支える実験を行う。最初は2本の糸がいずれも鉛直方向から45度の角度になるよう調節して重りを支えた。次に、重りの位置を水平に移動させ、糸Xが鉛直方向から30度、糸Yが鉛直方向から60度の角度になるようにして静止させた。このとき、それぞれのばねばかりが示す値の変化として適切なものはどれか。

Accepted Answer

糸X側のばねばかりの値は大きくなり、糸Y側のばねばかりの値は小さくなる。。重りを支える2本の糸にかかる力（分力）は、それぞれの糸が鉛直方向からなす角度によって決まる。元の45度ずつの状態から、糸Xの角度が30度へと「より垂直」に近づくと、その糸が分担する力の割合が増し、ばねばかりの値は大きくなる。反対に、糸Yの角度が60度へと「より水平」に近づくと、その糸が分担する力の割合が減り、ばねばかりの値は小さくなる。このように角度の非対称性が増すと、垂直に近い糸に負荷が集中する。

Question 36

斜面上の台車を2本の糸を使って引き上げる実験を行う。2本の糸で引く力の角度を変化させながら、その2つの力の「合力」の大きさが、斜面下向きにはたらく重力の分力とちょうど一致するように調整した。このときの台車の状態について正しく述べたものを選びなさい。

Accepted Answer

斜面上で静止した状態を維持する。2本の糸で引く力の合力が、斜面下向きにはたらく重力の分力と大きさが等しく、向きが反対であれば、それらの力は「つり合い」の状態になる。物体に加わる力の合力が０であるとき、もともと静止していた物体はそのまま静止し続けるという原理がある。

Question 37

摩擦や空気抵抗が無視できるコースにおいて、斜面上の高い位置にある「地点P」から台車を静かに放しました。台車は斜面を下って水平な「地点Q」を通過し、反対側の斜面を上って地点Pと同じ高さの「地点R」まで到達しました。この運動におけるエネルギーの変化について述べた文として、最も適切なものはどれですか。

Accepted Answer

地点Pから地点Qに移動するにつれて位置エネルギーが運動エネルギーに変換され、地点Qで運動エネルギーが最大になる。。高い位置にある地点Pでは位置エネルギーが最大で運動エネルギーは0ですが、斜面を下るにつれて高さが減り、速さが増すため、位置エネルギーが運動エネルギーへと変換されます。最も低い位置である地点Qでは、減少した位置エネルギーのすべてが運動エネルギーに置き換わるため、運動エネルギーが最大となります。

Question 38

1秒間に10回発光するストロボスコープを用いて、水平なレールの上を転がる金属球の運動を記録した。記録された金属球の各像の間隔がすべて8cmであったとき、この金属球の速さは何cm/sか。

Accepted Answer

80 cm/s。ストロボスコープが1秒間に10回発光するとき、像と像の間の時間は0.1秒となる。金属球は0.1秒間に8cm移動しているため、速さを求める式「移動距離 ÷ かかった時間」に当てはめると、8cm ÷ 0.1s ＝ 80cm/sとなる。

Question 39

摩擦や空気抵抗が無視できる水平なレールの上を、小球が移動しています。このときの小球の運動を0.1秒間隔のストロボ写真で記録したところ、小球の間隔はすべて一定であり、水平面にある1.5メートルの区間には合計で7個の小球が写っていました。この水平面における小球の運動の名称と、その速さの変化について説明したものとして適切なものはどれですか。

Accepted Answer

運動の名称は等速直線運動であり、速さは変化しない。。摩擦や空気抵抗が無視できる水平面上では、物体に運動方向の力がはたらかないため、物体は一定の速さで直線的に進み続けます。このような運動を等速直線運動と呼びます。ストロボ写真で小球の間隔が一定であることは、同じ時間（0.1秒）に進む距離が常に等しい、つまり速さが一定であることを示しています。

Question 40

物体に力がはたらかないときや、はたらいている力がつり合っているときに、静止している物体は静止し続け、運動している物体はそのままの速さで等速直線運動を続けようとします。このような、物体がそれまでの運動状態を保とうとする性質を何といいますか。

Accepted Answer

慣性。物体にはたらく力がゼロ、あるいは合力がゼロ（つり合いの状態）であるとき、物体はその時点での速度を維持しようとします。この性質を慣性と呼び、ニュートンの運動の第1法則（慣性の法則）として知られています。静止も運動状態の一つ（速さ0の運動）として捉えることができます。

Question 41

一定の時間間隔で記録された物体の運動において、ある区間の移動距離を、その移動にかかった時間で割って求めた、その区間内を一定の速さで動き続けたとみなしたときの速さを何といいますか。

Accepted Answer

平均の速さ。物体が実際に移動するときは速さが刻々と変化している場合が多いが、ある区間全体の移動距離をその区間の時間間隔で割ることにより、その区間をずっと同じ速さで動いたとみなして算出することができる。この値を平均の速さと呼ぶ。

Question 42

1秒間に60回打点する記録タイマーを用いて物体の運動を記録し、6打点ごとにテープを切り取った。ある区間のテープの長さが3.0cmであったとき、この区間における物体の平均の速さは何cm/sか。

Accepted Answer

30cm/s。1秒間に60回打点するタイマーで6打点ごとに区切った場合、テープ1本あたりの時間は0.1秒である。平均の速さは「移動した距離 ÷ かかった時間」で求められるため、3.0cmを0.1秒で割る計算を行う。3.0 ÷ 0.1 ＝ 30となるため、平均の速さは30cm/sと導き出される。

Question 43

動滑車を使用して物体を引き上げる実験を行う際、直接手で引き上げる場合と比較して、仕事の大きさ（J）と、ひもを引く距離はどのように変化しますか。摩擦や滑車の重さは無視できるものとします。

Accepted Answer

仕事の大きさは変わらず、ひもを引く距離は2倍になる。動滑車を利用すると、物体を支えるひもが2本になるため、引き上げるのに必要な力は半分で済みます。しかし、物体を一定の高さまで上げるためには、その2本のひもをそれぞれ同じ分だけ引き上げなければならないため、引く距離は2倍必要になります。仕事は「力 × 距離」で求められるため、力が半分で距離が2倍になれば、仕事の総量は直接引き上げた場合と変わりません。

Question 44

摩擦のない水平面上を運動する小球のように、物体に運動方向の力がはたらかないとき、物体が一定の速さで一直線上を動く運動を何といいますか。

Accepted Answer

等速直線運動。物体に運動方向の力がはたらかない、あるいは力がつり合っているとき、慣性の法則によって、動いている物体はそのままの速さで一直線上を動き続けます。この現象を等速直線運動と呼び、時間とともに移動距離が一定の割合で増加するのが特徴です。

Question 45

水平な床の上に静止している物体について考えます。このとき生じている「地球が物体を引く重力」、「床が物体を垂直に押し上げる垂直抗力」、「物体が床を押し下げる力」の3つの力のうち、互いに「力のつりあい」の関係にある組み合わせとして正しいものはどれですか。

Accepted Answer

重力と、垂直抗力。力がつりあうための条件として、それらの力が「同じ1つの物体」にはたらいている必要があります。重力は物体にはたらく力であり、垂直抗力（床が物体を押し上げる力）も物体にはたらく力であるため、この2つの力はつりあいの関係にあります。一方、「物体が床を押し下げる力」は物体ではなく床にはたらく力であるため、重力とつりあうことはありません。なお、垂直抗力と物体が床を押し下げる力は、2物体間ではたらき合う「作用・反作用」の関係にあります。

Question 46

斜面上の高い位置から小球を転がして水平面にある木片に衝突させ、木片が押し出された距離を測定する実験を行います。このとき、小球を放す高さと木片の移動距離の関係について述べたものとして正しいものはどれですか。

Accepted Answer

木片の移動距離は、小球を放す高さに比例する。高い位置にある物体が持つ重力による位置エネルギーは、物体の高さに比例します。斜面を下ることでこのエネルギーが運動エネルギーに変わり、木片に対して仕事（木片を動かす力×移動距離）をします。抵抗力が一定であれば、仕事の量は移動距離で表されるため、高さが2倍、3倍になると木片の移動距離も2倍、3倍という比例関係になります。

Question 47

摩擦や空気の抵抗がまったくないコースにおいて、高さ20cmの地点から小球を静かに滑らせました。小球は斜面を下り、水平な区間を通過した後、再び斜面を上り始めました。このとき、小球が反対側の斜面で到達できる最高の高さと、その理由の組み合わせとして正しいものを選びなさい。

Accepted Answer

高さは20cmとなる。位置エネルギーと運動エネルギーの和が常に一定に保たれるから。摩擦や空気抵抗がない場合、力学的エネルギー（位置エネルギーと運動エネルギーの和）は常に一定です。滑り始めた瞬間の運動エネルギーは0であるため、全エネルギーは最初の高さ（20cm）における位置エネルギーと等しくなります。反対側の斜面を上り、最も高い点に達した瞬間は再び速度が0（運動エネルギーが0）になるため、すべてのエネルギーが位置エネルギーに戻ります。したがって、エネルギーが保存されている限り、最初と同じ20cmの高さまで到達します。

Question 48

空気の抵抗や摩擦が無視できる場合、振り子の運動における「位置エネルギー」と「運動エネルギー」の合計である力学的エネルギーについて、正しい説明はどれか。

Accepted Answer

運動中のどの位置においても、力学的エネルギーの大きさは常に一定である。摩擦や空気の抵抗がない場合、位置エネルギーと運動エネルギーは互いに変換され、その和である力学的エネルギーは常に一定に保たれます。これを力学的エネルギー保存の法則と呼びます。最下点では位置エネルギーが最小で運動エネルギーが最大、振れの両端では位置エネルギーが最大で運動エネルギーが最小（ゼロ）となりますが、その合計値は変化しません。

Question 49

斜面に置かれた台車にはたらく重力を、斜面に平行な方向と垂直な方向の2つの力に分解する作図について説明したものとして、最も適切なものはどれですか。

Accepted Answer

重力の矢印を対角線とし、斜面に平行な辺と垂直な辺を持つ長方形をつくる。力を分解する作図では、もとの力を対角線とする平行四辺形を描きます。斜面に平行な方向と垂直な方向は互いに直角（90度）に交わっているため、この2方向を辺とする平行四辺形を作図すると、すべての角が直角の長方形になります。このとき、長方形の隣り合う2辺がそれぞれの分力を表します。

Question 50

等速直線運動をする物体のようすを、横軸に経過時間、縦軸に移動距離をとってグラフに表した。このグラフの特徴と、物体の速さによるグラフの変化について述べた説明として適切なものはどれか。

Accepted Answer

グラフは原点を通る直線になり、速さが速いほど直線の傾きが大きくなる。等速直線運動における時間と移動距離は比例関係にあるため、グラフは原点を通る直線となる。また、速さが速いということは、同じ時間で進む距離が長いことを意味するため、グラフの傾き（移動距離÷時間）はより急になる。

Question 51

物理学において、物体が持つ「位置エネルギー」と「運動エネルギー」を合わせたものを何といいますか。その名称として最も適切なものを選びなさい。

Accepted Answer

力学的エネルギー。物体が高い位置にあることで持つ位置エネルギーと、速さを持って運動していることで持つ運動エネルギーの合計は、力学的エネルギーと定義される。物体に摩擦や空気抵抗が働かない場合、この合計値は常に一定に保たれる。

Question 52

1秒間に60回打点する記録タイマーを使用して実験を行う際、記録テープを6打点ごとに切り取って並べることが多い。このとき、切り取られたテープ1本の長さは、物体が何秒間に移動した距離を表しているか。

Accepted Answer

0.1秒間。記録タイマーの打点数は1秒間あたりの打点回数を示している。1秒間に60回打点する場合、1打点にかかる時間は60分の1秒となる。したがって、6打点分の時間は「60分の1秒 × 6」により0.1秒となる。このように区間を0.1秒ごとに区切ることで、速さの変化を視覚的に捉えやすくなる利点がある。

Question 53

物体をある高さから落下させて静止している別の物体に衝突させ、その物体を移動させる実験において、落とす物体の質量を大きくすると「衝突した相手の物体にさせる仕事の量」が増大します。この理由を説明したものとして最も適切なものはどれですか。

Accepted Answer

質量が大きくなると、落下を開始する高さが同じでも、物体が持つ位置エネルギーが大きくなるため。位置エネルギーの大きさは「物体の質量 × 重力による加速度 × 高さ」で決まります。高さが同じであれば、質量が大きい物体ほど大きなエネルギーを蓄えていることになります。衝突によってこのエネルギーが他の物体を動かす「仕事」へと変換されるため、質量が大きいほど仕事の量も大きくなります。

Question 54

動滑車のような道具を利用すると、物体を引き上げるのに必要な力は小さくなりますが、糸を引く距離が長くなるため、結果として物体に加えた仕事の量は道具を使わない場合と変わりません。このような、道具を使っても使わなくても仕事の量は変わらないという決まりを何といいますか。

Accepted Answer

仕事の原理。道具を使用することで「力を小さくする」ことは可能ですが、その代償として「動かす距離」を長くしなければなりません。仕事は「力の大きさ × 力の向きに動かした距離」で定義されるため、道具の有無にかかわらず仕事の総量は一定となります。この法則を仕事の原理と呼びます。

Question 55

ある重りに対して、次の3つの方法で、床から1mの高さまで引き上げる実験を行いました。①手で直接引き上げる、②定滑車を1個使って引き上げる、③動滑車を1個使って引き上げる。滑車の重さや摩擦を無視できるものとしたとき、それぞれの仕事の大きさの関係について正しく述べたものはどれですか。

Accepted Answer

どの方法で引き上げても、仕事の大きさはすべて同じである。仕事の原理に基づくと、道具を使用しても最終的に必要なエネルギー（仕事の大きさ）を減らすことはできません。定滑車は力の向きを変えるだけで力の大きさは変わりません。動滑車は力の大きさを半分にできますが、引く距離が2倍になるため、計算上の仕事の大きさ（力×距離）は直接引き上げた場合と一致します。

Question 56

斜面の上に静止している台車にはたらく重力を、斜面に平行な方向と、斜面に垂直な方向の2つの力に分解して作図しようとしています。このとき、分解された2つの分力を求める手順として適切なものはどれですか。

Accepted Answer

重力の矢印を対角線とし、斜面に平行な方向と垂直な方向を2辺とする長方形をつくる。。力を2つの方向に分解するときは、もとの力の矢印を対角線とし、分解したい2つの方向を隣り合う2辺とする平行四辺形を作図します。斜面における分解の場合、斜面に平行な方向と斜面に垂直な方向は互いに直角に交わるため、描かれる平行四辺形は長方形となります。この長方形の各辺が、それぞれの方向の分力の大きさを示します。

Question 57

物質を構成する原子の中心にある原子核が、不安定な状態から安定な状態へ変化するときに放出される、高いエネルギーを持つ粒子の流れや電磁波の総称を何といいますか。

Accepted Answer

放射線。原子核がエネルギーを放出して別の状態に変化する際、放出されるエネルギーの形態を放射線と呼びます。これにはアルファ線やベータ線のような「粒子の流れ」と、ガンマ線のような「電磁波」の両方が含まれます。紫外線は太陽光などに含まれる電磁波ですが、原子核から放出されるものではないため区別されます。

Question 58

1つの定滑車と、一体化した3つの動滑車を1本の糸でつなぎ、合計6本の糸で物体を支えている装置がある。この装置を用いて、重さ12Nの物体を30cm持ち上げたい。このとき、糸を引く距離は何cm必要か。また、そのときの手がする仕事の大きさは何J（ジュール）か。適切な組み合わせを選びなさい。ただし、滑車の質量や摩擦は考えないものとする。

Accepted Answer

糸を引く距離は180cm、仕事の大きさは3.6J。仕事の原理により、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。物体を支える糸の本数が6本であるとき、引く力は重さの6分の1（2N）で済むが、糸を引く距離は持ち上げる高さの6倍必要となる。したがって、引く距離は30cm × 6 = 180cmとなる。仕事の大きさは「力(N) × 移動距離(m)」で求められるため、2N × 1.8m = 3.6J、または直接物体の重さと高さから 12N × 0.3m = 3.6J と算出される。

Question 59

摩擦のない滑らかな斜面に台車を置き、斜面の上部に取り付けた滑車を通して、台車と重りを糸でつなぎます。台車が斜面上で静止して動かないとき、台車にはたらく力の関係について正しく説明しているものはどれですか。ただし、糸の重さは考えないものとします。

Accepted Answer

台車にはたらく重力の斜面に平行な分力と、糸が台車を引く力の大きさがつり合っている。。斜面上の物体が静止しているとき、その物体にはたらく斜面に平行な方向の力はつり合っています。台車を斜面下向きに引く力は「重力の斜面に平行な分力」であり、これを斜面上向きに「糸が引く力（重りの重さに由来する張力）」が打ち消し合っているため、台車は静止します。垂直抗力とつり合っているのは「重力の斜面に垂直な分力」であり、運動方向の静止条件とは異なります。

Question 60

振り子の重りを静止している木片に衝突させた際、衝突の前後でエネルギーにはどのような変化が起こりますか。エネルギー保存の法則および力学的エネルギーの観点から述べた説明として、最も適切なものを選びなさい。

Accepted Answer

衝突によって音や熱が発生するため、衝突後の物体が持つ力学的エネルギーの合計は、衝突前よりも減少する。。エネルギー全体の総量は「エネルギー保存の法則」によって一定に保たれますが、衝突の際に発生する音や、摩擦による熱エネルギーは、位置エネルギーや運動エネルギーといった「力学的エネルギー」には含まれません。したがって、力学的エネルギーの一部が他のエネルギーに変換された結果、力学的エネルギーとしての値は衝突前よりも減少することになります。

Question 61

物体に力を加えて、その力の向きに物体を移動させたときの「仕事の大きさ」を求める式として、適切なものはどれですか。

Accepted Answer

力の大きさ（N） × 力の向きに移動した距離（m）。理科における仕事の大きさは、物体に加えた力の大きさと、その力の向きに物体を移動させた距離の積で定義されます。力の大きさの単位にはニュートン（N）、距離の単位にはメートル（m）を用いるのが基本です。物体の質量（gやkg）をそのままかけるのではなく、重力などの「力」に変換して計算する必要があります。

Question 62

定滑車のみを用いて物体を引き上げる装置と、定滑車と動滑車を組み合わせて同じ物体を引き上げる装置の2種類を用意しました。どちらの装置においても、手が糸を引く速さが一定で、かつ同じになるように操作したとき、動滑車を組み合わせた装置で手がする仕事率は、定滑車のみを用いた装置の仕事率の何倍になりますか。

Accepted Answer

0.5倍。仕事率は単位時間あたりに行う仕事の量であり、「力の大きさ × 力の方向に動く速さ」という式で表すことができます。仕事の原理により、動滑車を1つ用いると物体を持ち上げるのに必要な力は2分の1になります。問題文では「手が糸を引く速さ」が同じであると指定されているため、力が2分の1で速さが同じであれば、その積である仕事率は定滑車のみの場合に比べて0.5倍（2分の1）となります。仕事の大きさが同じでも、かかる時間が異なる点に注意が必要です。

Question 63

高さ5メートルの貯水槽から1分間に7200ニュートンの水が落下する水力発電装置において、1分間に10800ジュールの電気エネルギーが得られたとき、この装置のエネルギーの変換効率は何％ですか。

Accepted Answer

30％。まず、水が持つ位置エネルギー（入力されたエネルギー）を計算します。「力の大きさ（N）×移動距離（m）」で求められるため、7200N × 5m ＝ 36000Jとなります。変換効率は「（得られたエネルギー ÷ 投入したエネルギー）× 100」で求められるため、（10800J ÷ 36000J）× 100 ＝ 30％となります。

Question 64

斜面上にある物体にはたらく重力を、斜面に平行な方向と、斜面に垂直な方向の二つの力に分けたとき、分けられたそれぞれの力を何といいますか。

Accepted Answer

分力。一つの力を、それと同じはたらきをする複数の力に分けることを力の分解といい、分解して得られたそれぞれの力を分力といいます。斜面上の物体においては、重力を斜面に平行な成分と垂直な成分の二つの分力に分解して考えることが一般的です。

住所	宮城県仙台市太白区八木山弥生町16-17
運営会社	ARINA partners株式会社
代表者	高橋渉
連絡先	info@arinna.co.jp
連絡先②	0568-50-2677

【一問一答クイズ】中学3年物理問題500問以上(理科)

【運動とエネルギー】一問一答チェックリスト（全100問）

運動エネルギーの移り変わり

エネルギーの変換効率

仕事の原理に基づく計算

合力

平均の速さの算出

運動エネルギーの最大値

エネルギーの変換効率

力のつり合い

障害物のある振り子の速さと所要時間

平均の速さの算出

動滑車による力の分散

平均の速さ

仕事率

減速運動の実験構成

二力の角度と分力の大きさ

等速直線運動

斜面の角度と速さの変化の関係

仕事の大きさと経路の独立性

記録写真からの平均の速さの算出

作用・反作用の法則

平均の速さ

重力の向き

運動エネルギーの最大点

平均の速さ

仕事率

紫外線

仕事率

水力発電のエネルギー変換

熱の伝導、対流、放射

ふりこの運動における運動エネルギーの変化

摩擦力の向き

位置エネルギーと質量の関係

平均の速さ

速さとエネルギーの関係グラフ

角度による分力の変化

斜面上の力のつり合いと運動

力学的エネルギーの保存

等速直線運動

水平面における平均の速さの算出

慣性

記録写真からの平均の速さの算出

平均の速さの算出

ジュール

水平面における等速直線運動の速さ

力のつりあい

力学的エネルギーと仕事の比例関係

力学的エネルギーの保存

振り子の運動エネルギーの最大位置

斜面上の物体にはたらく重力の分解

等速直線運動の時間と距離の関係

力学的エネルギー

記録タイマーを用いた平均の速さの算出

物体の質量とエネルギーの関係

動滑車の性質

仕事の原理

重力の分解

放射線

複数の動滑車による力の低減

重力の斜面に平行な分力

衝突と摩擦によるエネルギーの変化

仕事

仕事率の比較

エネルギーの変換効率

重力の分解

作用・反作用の法則

慣性の法則

仕事の原理（動滑車）

慣性と重力による運動

斜面上の物体にはたらく重力の分力

平行四辺形の法則

振り子の周期の計算

斜面上の加速度の不変性

位置エネルギーと仕事の比例関係

合力

力学的エネルギーと仕事

斜面を下る物体にはたらく力

エネルギーの変換効率

火力発電のエネルギー変換