【過去問一問一答】中学理科物理でよく出る問題(光・音・力)高校入試・受験、定期テスト対策

水中に沈んでいく物体が受ける浮力は、水面下の体積に比例して増加し、物体全体が完全に沈むと深さに関わらず一定となる。この変化点までの距離が物体の長さに相当する。

浮力の大きさと体積の関係とは、水中の物体に働く浮力の大きさが、物体が水に浸かっている部分の体積に比例して大きくなる性質のことです。物体が水に沈んでいく過程では浸かっている体積が増えるため、それに比例して上向きの浮力が大きくなり、ばねばかりが物体を支える力は小さくなります。物体全体が水面下に入った後は、それ以上深く沈めても浸かっている体積が変わらないため、浮力の大きさは一定に保たれます。試験では物体の質量や密度、水面からの距離と混同するひっかけ問題が出やすいため、浮力はあくまで浸かっている体積にのみ比例するという点に注意して問題を解くようにしましょう。

弦の振動と音の高さには、弦の振動する部分の長さが短くなるほど発生する音の高さが高くなるという性質があります。これは弦の振動する部分を短くすると往復運動する距離が短くなり、同じ時間内での振動回数が増加するためです。一秒間あたりの振動数が多いほど人間には高い音として聞こえるため、駒を移動させて弦を短く使うと音の高さは上昇します。試験では弦を短くしたときに音の高さが低くなるとか、変わらないといった選択肢がひっかけとして出題されることが多いため、振動回数が増えることで音が高くなるという物理的原理を正しく理解しておくことが大切です。

凸レンズによって物体と同じ大きさの実像が結ばれるとき、物体からレンズまでの距離およびレンズからスクリーンまでの距離は、どちらも焦点距離の二倍となる。

音の大きさは空気の振動の振幅によって決まり、振幅が大きいほど音は大きく、振幅が小さいほど音は小さくなります。音源から遠ざかると空気の振動が弱まり振幅が小さくなるため、聞こえる音は小さくなります。ここで注意が必要なのは、音の高さに関係する一秒間あたりの振動数は距離の変化では変わらないという点です。試験では音の大きさが変わる理由を問われる際に、振動数が多くなっている、振動数が少なくなっている、あるいは振幅が大きくなっているといった選択肢がひっかけとして出題されることが多いため、音の大きさと高さの関係を混同しないよう、音の大きさを決めるのはあくまで振幅であることをしっかりと理解しておきましょう。

弦を弾いたときの音の高さは振動数によって決まる。弦の長さが短いほど、また弦を張る力が強い（おもりの質量が大きい）ほど、振動数が多くなり音は高くなる。

光が異なる物質の境界を斜めに通る際に進行方向が変わる現象により、厚いガラスを通して見る物体は本来の位置からずれて見える。

音の高さ（振動数）を変えずに音の大きさのみを小さくした場合、波形は時間軸方向の間隔を維持したまま、縦方向の振幅のみが小さくなる。

水中の物体にはたらく浮力の大きさの算出は、空気中での物体の重さと水中でのばねばかりの示す値の差を計算することで求められます。例えば空気中で2.0N、水中で1.5Nを示す場合、その差である0.5Nが物体にはたらく浮力の大きさとなります。試験ではこの計算において、ばねばかりが示す値である1.5Nや空気中での重さである2.0Nをそのまま浮力の大きさと勘違いしてしまうひっかけ問題が出やすいため注意が必要です。必ず空気中と水中での値の差をとるという手順を意識し、数値の取り違えがないように慎重に問題を解くことが大切です。

光の反射における反射の法則とは、光が物質の境界線で反射する際、法線と入射光の間の角度である入射角と、法線と反射光の間の角度である反射角が常に等しくなるという規則です。試験では図で示された角度に注意が必要で、例えば水面と光の角度が２５度と示されている場合、法線からの角度である入射角は９０度から２５度を引いた６５度となります。反射の法則により反射角も入射角と同じ６５度になりますが、水面との角度をそのまま入射角と勘違いしたり、屈折角と混同したりするミスが多いため、必ず法線からの角度を計算して求めるようにしましょう。

物体を凸レンズの焦点距離よりも内側に置いたときに、レンズ越しに観察できる、実物と同じ向きで実物よりも大きく見える像。

物体に作用する重力の大きさは、水などの抵抗がない状態でばねばかりに吊るした際に示される目盛りの値と等しい。

凸レンズとはっきりとした実像が結ばれるスクリーンの位置関係において、物体からレンズまでの距離とレンズからスクリーンまでの距離の数値を入れ替えても、再びはっきりとした実像が結ばれる。

水中にある物体には水の重さによる水圧が働きます。水圧の向きと大きさには特徴があり、あらゆる向きから物体の面に垂直に働きます。また水圧の大きさは深さに関係しており、水面からの深さが深いほど大きくなる性質があります。そのため容器の上面よりも深い位置にある下面の方が大きな圧力を受け、この上下の圧力差によって浮力が生じます。よくある間違いとして上面の方が圧力が大きいと勘違いしたり、横方向には圧力が働かないと考えたりすることがありますが、水圧は深くなるほど増大し、あらゆる向きから垂直に働くことをしっかり覚えておきましょう。

単位面積あたりにはたらく力の大きさのことで、物体にはたらく力が大きいほど、また力を受ける面積が小さいほど圧力は大きくなる。

凸レンズの焦点より遠くに物体を置いたとき、スクリーン上にできる実像の向きと性質について理解しておきましょう。凸レンズによって光が一点に集まって結像する実像は、もとの物体に対して上下および左右がそれぞれ反転した向きになります。実験ではスマートフォンの画面上の物体が焦点距離の二倍以上の位置にあるため、反対側のスクリーンに反転した実像が投影されます。試験では左右のみや上下のみが反転するといった選択肢や、正立の像ができるという誤った記述がひっかけとして出題されやすいため、上下左右が同時に反転するという点をしっかりと覚えておくことが重要です。

1ヘクトパスカルを100パスカルとし、物体を積み重ねていくことで生じる圧力が特定の大気圧と等しくなる条件を導き出す計算手法。

光が物体の表面に当たってはね返る現象のこと。鏡に物体の像が映って見えるのは、物体から出た光が鏡の表面で反射し、その反射した光が目に届くためである。

凸レンズによる実像の変化では、物体をレンズから遠ざけた際にピントを合わせるためのレンズの移動と像の大きさの変化が重要です。物体をレンズから遠ざけて距離を30cmにすると、像が結ばれる位置はレンズに近づきます。そのため、スクリーンに鮮明な像を映すにはレンズをスクリーン側へ動かす必要があり、このときレンズから像までの距離が短くなるため、像の大きさは元の状態よりも小さくなります。試験では像が大きくなると勘違いしたり、レンズを物体側に動かすと誤答したりしやすいため、レンズをスクリーン側へ動かすことで像が小さくなるという変化の仕組みをしっかりと整理しておきましょう。

ばねののびに注目したとき、そののびがばねに加えられた力の大きさに比例するという物理的な法則。

水中の物体にはたらく圧力で、水深が深くなるほど大きくなり、物体の表面に対して垂直にあらゆる向きから作用する力。

音の速さと距離の計算は、光と音が伝わる速さの差を利用して発生源までの距離を求める方法です。光の速さは音に比べて圧倒的に速いため、花火などの光が見えた瞬間を発生時刻とみなすことができます。具体的には、光が見えてから音が聞こえるまでの時間に空気中を伝わる音の速さを掛けることで、発生場所から観測者までの距離を算出します。この計算を行う際は、光の速さを考慮する必要がないことや、時速と秒速の単位変換ミスに注意することが重要です。試験ではこれらのポイントを正しく理解し、速さと時間の単位を揃えて計算することが求められます。

1つの物体に2つの力がはたらき、それらが一直線上にあり、向きが反対で、かつ大きさが等しいとき、これらの力はつり合っているという。

凸レンズを通る光の進み方において、レンズの中心を通る光は、屈折せずにそのまま直進するという性質があります。これはレンズの中央部分が面が平行であるとみなせるため、光が屈折の影響を実質的に受けないからです。作図で像の位置を特定する際には、最も簡便に引くことができる非常に重要な光の道筋となります。試験では中心で反射したり、中心で大きく屈折したりするという誤った選択肢が出されることがありますが、これらは間違いです。あくまで中心を通る光は直進するというルールをしっかりと押さえておきましょう。

物体が面に接して静止しているとき、面から物体に対して垂直上向きにはたらく力を、作用点と矢印の向きに注意して描くこと。

音は振動を伝える媒体が必要であり、空気などの気体だけでなく、液体や固体の中でも伝わるが、真空中では伝わらない。

圧力の計算は、面を垂直に押す力を力がはたらく面積で割ることで求められ、単位にはパスカルを用います。例えば質量2.1キログラムのレンガにはたらく重力は21ニュートンであり、接触面積が210平方センチメートルであれば、これを0.021平方メートルに変換して計算します。21ニュートンを0.021平方メートルで割ると圧力は1000パスカルとなります。この計算では単位の変換が重要であり、特にグラムとキログラムの混同や、センチメートルからメートルへの変換ミスが試験で間違えやすいポイントです。正確な単位変換を行い、公式に当てはめて算出することが正解への近道です。

空気中を伝わる音の速さは秒速約三百四十メートルであり、光が伝わる速さと比較すると極めて遅い。

凸レンズの焦点距離を求める際は、物体とスクリーンにできる実像の関係に注目しましょう。凸レンズから物体までの距離と、スクリーンに等倍の実像ができる位置までの距離が等しくなるとき、その距離の半分が焦点距離となります。これは物体が焦点距離の2倍の位置にあるときに起こる現象です。例えば、物体とスクリーンの両方がレンズから20.0センチメートルの位置で像がはっきり映る場合、その半分の10.0センチメートルが焦点距離です。試験では20.0センチメートルという数値をそのまま焦点距離と答えるミスや、5.0センチメートル、15.0センチメートルといった数値に惑わされないよう、必ず距離を半分にする計算を忘れないように注意してください。

1秒間に物体が振動する回数のことで、単位はヘルツを用いる。1回の振動にかかる時間の逆数として求められる。