理科ラボ

物理基礎｜力と運動（5）圧力と浮力

浮力は「押しのけた水の重さ」

水の中では、深いほど水圧が大きくなります。物体の下面と上面の水圧の差が「浮力」です。中学の圧力のふり返りから始めて、水圧・浮力・浮く沈む・まちがえやすい点まで、予想してから5つのステップで確かめよう。

ことばの準備

さきに知っておくこと

    ステップ1

    圧力 ＝ 力 ÷ 面積

    予想：重さ 20 N の物体を、底面積 0.10 m² の面でスポンジにのせた。スポンジにかかる圧力は？

    青＝浮力・水圧、赤＝重力。水の密度 ρ ＝ 1000 kg/m³、g ＝ 9.8 m/s²。1 L ＝ 1.0×10⁻³ m³。

    予想を選ぶと、ここで条件を変えられるようになります。

    公式

    この単元の式

    名前式ことばで言うと・単位
    圧力p = F / S圧力 ＝ 力 ÷ 面積単位 Pa ＝ N/m²（中学と同じ）
    水圧p = ρgh水圧 ＝ 密度 × 9.8 × 深さρ ＝ 1000 kg/m³（水）。深さ 1 m で約 9.8×10³ Pa
    浮力F = ρVg浮力 ＝ 密度 × 沈んでいる体積 × 9.8ρ は液体の密度、V は液体の中にある部分の体積。物体の重さは関係ない

    浮力の V は「物体の体積」ではなく「液体の中に沈んでいる部分の体積」。浮いている物体では一部だけ。

    重要語句

    この単元でおさえること

    確認問題へ問題ページへ →実験道具：浮力の実験室物体の密度や沈める深さを自由に変えて、浮力を調べよう →

    実験のあとに読む

    なぜ浮力は「押しのけた水の重さ」になるのか

    何を比べる？

    底面積を変えたときの圧力、深さを変えたときの水圧、体積を変えたときの浮力、木・鉄・水と同じ密度の物体の浮き沈み、沈める深さを変えたときの浮力を比べます。

    結果をどう考える？

    物体の下面には、上面より深い分だけ大きい水圧がかかります。「下面の水圧 − 上面の水圧」は ρg × 物体の高さ で、これに底面積をかけると ρg × 体積、つまり「物体と同じ体積の水の重さ」になります。これがアルキメデスの原理です。だから浮力は物体の重さや深さには関係なく、沈んでいる体積だけで決まります。

    まちがえやすい点・モデルの条件

    「重い物は浮力が小さい」「深いほど浮力が大きい」はどちらもまちがいです。浮力は ρVg で、物体の質量も深さも式に入っていません。重い物が沈むのは、浮力が小さいからではなく、重力が浮力より大きいからです。

    制作：現役の理科教員 ／ 制作の考え方