理科ラボ

実験道具 / 中学3年 物理

仕事の原理(斜面・滑車)

斜面・定滑車・動滑車を使って物体を持ち上げ、加えた力と動かした距離から仕事を計算しよう。道具を使うと力は小さくできても、仕事の量は変わらないことが見えてきます。

使い方

3ステップ
  1. 道具を選ぶ「坂(斜面)」「定滑車」「動滑車」から選び、質量・距離・摩擦などを決めます。
  2. 動かす「移動する」「引く」を押すと、物体が動きます。距離や力の矢印も表示できます。
  3. 仕事をくらべる「計算する」を押すと、加えた力でした仕事(入力)と、物体を持ち上げた仕事(出力)がくらべられます。

全4ミッション。もちろん、自由に組み立ててもOK。

⚙️ 仕事の原理シミュレーター

坂の設定

表示オプション

仕事量の比較
力 × 距離で比較
入力の仕事(加えた力 × 動かした距離)
— J
出力の仕事(重力に逆らってした仕事)
— J

やってみよう

ミッションに挑戦

上から順に進めると、少しずつわかるようになっています。「このミッションを始める」を押すと、始めの条件になります。計算するのは自分で。

ミッション 1

斜面を使うと?

斜面の角度を変えて、入力の仕事と出力の仕事をくらべる。

  1. 「重力・斜面に平行な力を表示」にチェックを入れて、「計算する」を押そう。
  2. 坂の角度を変えて、もう一度「計算する」を押そう。
  3. 斜面を引く力と、入力・出力の仕事はどうなった?

見るところ斜面の角度と、引く力・仕事の関係。

やってみたら開こう:わかること

斜面を使うと、物体を引き上げる力は小さくなるが、そのぶん動かす距離が長くなる。そのため、仕事の量(力×距離)は直接持ち上げるときと変わらない(仕事の原理)。

ミッション 2

定滑車

定滑車で物体を引き上げ、仕事をくらべる。

  1. 「引く」を押して、ひもを引いた距離と物体が動いた距離をくらべよう。
  2. 「計算する」を押そう。

見るところ引く力の大きさと向き、引いた距離。

やってみたら開こう:わかること

定滑車は力の向きを変えるだけで、引く力の大きさも、引く距離も、直接持ち上げるときと同じ。仕事の量も変わらない。

ミッション 3

動滑車

動滑車の数を変えて、引く力と引く距離の変化を見る。

  1. 「引く」を押して、ひもを引いた距離と、物体が動いた距離をくらべよう。
  2. 「計算する」を押そう。
  3. 動滑車を2個にして、もう一度。

見るところ動滑車の数と、引く力・引く距離の関係。

やってみたら開こう:わかること

動滑車を1個使うと、引く力は半分になるが、ひもを引く距離は2倍になる。仕事の量は変わらない(仕事の原理)。

ミッション 4

摩擦があると?

摩擦をつけて、入力の仕事と出力の仕事をくらべる。

  1. 「計算する」を押そう。
  2. 入力の仕事と出力の仕事はどちらが大きい?
  3. 差の分のエネルギーはどこへいった?

見るところ摩擦があるときの、入力と出力の仕事の差。

やってみたら開こう:わかること

摩擦があると、摩擦に逆らう分だけ余計に仕事が必要になり、入力の仕事が出力の仕事より大きくなる。差の分は熱などになる。

この道具でわかること

道具引く力引く距離仕事
斜面小さくなる長くなる変わらない
定滑車同じ(向きが変わる)同じ変わらない
動滑車1個1/22倍変わらない

仕事[J]= 力[N]× 力の向きに動いた距離[m]。道具を使っても仕事の量が変わらないことを「仕事の原理」といいます(摩擦などがないとき)。ここでは100gの物体にはたらく重力を1Nとして計算しています。

この実験道具は、現役の理科の先生が作ったシミュレーターを、作者の許可を得て理科ラボ向けに編集したものです。値や動きは学習用の模型で、実際の実験の結果と同じになるとは限りません。