力と接触面積を分けて圧力の実験をしよう

このレッスンの役割

前のレッスンでは、同じ力でも接触面積が違うと沈み方が変わると予想しました。ここでは、原因を確かめられるように条件を分けて実験します。

ゴールは、力と面積を同時に変えず、一つだけを変えた比較を計画し、接触面積と沈み方を正しく測れることです。

面積の影響を調べるなら、同じ直方体を使い、置く面だけを変えます。物体が同じなので押す力は同じです。

実験	変える条件	そろえる条件	比べる結果
面積の影響	接触面積	物体、重さ、砂の状態、置く時間	沈んだ深さ
力の影響	上に載せるおもり	接触面積、物体、砂の状態	沈んだ深さ

接触面積は、下になっている面の縦と横を測って求めます。直方体を置く前に砂やスポンジの表面を毎回同じ状態へ戻し、そっと置き、同じ時間後に沈み方を読みます。

直方体の三辺が10 cm、6 cm、4 cmなら、置き方による接触面積は次の三通りです。

物体が同じなら、24 cm²の面を下にしたときに最も深く沈むと予想できます。60 cm²の面では最も浅くなるはずです。

力の影響を別に調べる場合は、置く面を固定して上におもりを加えます。面積を同時に変えると、どちらが沈み方の原因か分からなくなります。

沈み方を比べるとき、砂をならさずに次の測定をすると、前のくぼみが結果へ影響します。測定前の状態もそろえる条件です。

また、直方体の最も大きい面をいつも使うわけではありません。実際に下になり、砂と接している面を図から選びます。

次は、実験結果を「1 m²あたり何Nの力か」という圧力の考えへまとめます。

確認1：接触面積の影響を調べるとき、押す力はどうする？

同じ物体を使って一定にします。置く面だけを変えます。

確認2：8 cm × 5 cmの面積は？

8 × 5 = 40より40 cm²です。

確認3：物体も接触面積も変えた比較から、面積の影響だけを結論できる？

できません。押す力と面積の二つが変わるためです。一方だけを変えた実験を行います。

クイズと理解チェックは、アプリで挑戦できます。