船・潜水艦・未知の物体の浮沈を力で説明しよう

このレッスンの役割

このセクションの仕上げです。金属の船、潜水艦、中空の物体、未知のばねばかり資料を、重力と浮力の大小・つり合いから説明します。

ゴールは、材質や見た目だけで浮沈を決めず、液体中へ入った体積と二つの力の矢印を根拠に予測できることです。

知る・理解する

金属のかたまりは小さな体積に重さが集中し、浮力より重力が大きくなりやすいため沈みます。しかし、同じ金属を中空の船体にすると、空気を含めた大きな体積で水を押しのけられます。十分な浮力が生じ、重力とつり合えば浮きます。

潜水艦はタンクへ水を入れたり出したりして全体の重さを変えます。形と体積がほぼ同じでも、重力と浮力の関係が変わるため、沈降・浮上・水中静止を切り替えられます。

力の矢印が同じ長さで反対向きなら、力がないのではなく、二つの力がつり合っています。

具体例で使う

潜水艦に浮力1200 N、重力1000 Nが働けば、200 Nの差で浮上します。タンクへ水を入れて重力を1200 Nにすれば水中で静止できます。さらに重力を1350 Nにすれば、150 Nの差で沈降します。

空気中で10 N、水中で7 Nを示す物体の浮力は3 Nです。この物体を自由にすると、重力10 Nの方が大きいため沈みます。ばねばかりの資料でも、最後は二つの力を比較します。

船に荷物を積むと重力が増え、船体は少し深く沈みます。水中へ入る体積が増えて浮力も増え、再び重力とつり合うところで静止します。

誤答を直して次の学びへつなげる

「金属は沈む」という材質だけの判断では、鉄の船を説明できません。船全体の形と、水中へ入って水を押しのける体積を考えます。

潜水艦が深くなるだけで浮力を自由に増やすという説明も不十分です。同じ形で完全に沈んでいるとき、主にタンク内の水量を変えて全体の重力との関係を調節します。

次のセクションでは、ばね・圧力・水圧・浮力の実験データを横断し、変えた条件と結果の関係を分析します。

自分で確かめよう

クイズと理解チェックは、アプリで挑戦できます。