理科ラボ

物理基礎｜仕事とエネルギー（1）仕事と仕事率

物理の「仕事」は、力の向きに動いた分だけ

物理の「仕事」は、力 × 力の向きに動いた距離 です。荷物を持って歩いても、物理では仕事をしていません。中学のふり返りから始めて、向き・ななめの力・仕事率・仕事の原理まで、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

    仕事 ＝ 力 × 距離

    予想：箱を 10 N の力で押して、力の向きに 2.0 m 動かした。手がした仕事は？

    青＝加えた力、緑＝動いた距離・力の動く向きの分。g ＝ 9.8 m/s²。

    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
    仕事W = Fs仕事 ＝ 力 × 力の向きに動いた距離F：力 [N]、s：距離 [m]。単位 J ＝ N·m
    ななめの力の仕事W = Fs cosθ仕事 ＝ 動く向きの分の力 × 距離θ：力と動く向きの角度。θ ＝ 90° なら 0
    仕事率P = W / t仕事率 ＝ 仕事 ÷ かかった時間単位 W ＝ J/s。P ＝ Fv（力 × 速さ）とも書ける

    「仕事」はエネルギーのやりとりの量。次の単元で、仕事をするとエネルギーが変わることを学ぶ。

    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：仕事の原理斜面・てこ・滑車で、力と距離の関係を自由に調べよう →

    実験のあとに読む

    なぜ「つかれる」と「仕事」はちがうのか

    何を比べる？

    動かす距離を変えたときの仕事、持って歩くときと持ち上げるときの仕事、力の角度を変えたときの仕事、かかる時間を変えたときの仕事率、直接・斜面・動滑車で上げたときの仕事を比べます。

    結果をどう考える？

    物理の「仕事」は、力がどれだけ物体を動かしたか（エネルギーをどれだけわたしたか）を表す量です。荷物を持って歩くと腕はつかれますが、荷物にはエネルギーがわたっていません（高さも速さも変わらない）。だから仕事は 0 です。仕事率は「どれだけ速く仕事をするか」で、エンジンやモーターの性能を表すのに使います。

    まちがえやすい点・モデルの条件

    「仕事 ＝ 力 × 動いた距離」ではなく「力 × 力の向きに動いた距離」です。向きがずれているときは cosθ をかけ、垂直なら 0 になります。

    制作：現役の理科教員 ／ 制作の考え方