エネルギーは、物体の運動や位置によってさまざまな形で存在します。中学3年生の理科では、「位置エネルギー」と「運動エネルギー」という2つのエネルギーの概念が重要になります。位置エネルギーは、高いところにある物体が持つエネルギーで、運動エネルギーは動いている物体が持つエネルギーです。これらのエネルギーはどのように変化し、計算できるのでしょうか？ 本記事では、エネルギーの移り変わりの仕組みをわかりやすく解説し、テスト頻出の計算問題を交えてポイントを整理します。しっかり理解して、テスト対策に役立てましょう！
- レベル★★☆☆
- 重要度★★☆☆
- ポイント：質量や高さ、速さとの関係
エネルギーとは？
エネルギーとは、他の物体に仕事をする能力のことです。
もっと簡単にいうと、動いている物体にぶつかったり、熱いものに触ったり、電流が流れている導線などに触るとダメージを受けます。このダメージをあたえる能力をエネルギーといいます。ダメージをあたえられるということは何かしらのパワーを物体が持っています。これをエネルギーというのです。
位置エネルギー
高い場所にある物体が落下して自分にぶつかると、ダメージを受けます。手元にある鉢植えは怖くありませんが、3階のベランダに置いてある鉢植えには恐怖を感じます。これは、高い場所にある物体がエネルギーを持っているためです。この高い場所にある物体が持つエネルギーを、位置エネルギーといいます。
●位置エネルギーは高さに比例する。
●位置エネルギーは質量に比例する。
位置エネルギーは高さと質量に比例します。高ければ高いほど、質量が大きければ大きいほど、落下してきた物体にぶつかったときの衝撃は激しくなります。
質量100gの物体を20cmの高さから落とすと、床にさしてあるくぎが1cm食い込んだ。質量200gの物体を60cmの高さから落とすと、釘は何cm食い込むか。
解答6cm
質量が2倍、高さが3倍になっているので、2×3＝6倍釘が食い込みます。
運動エネルギー
止まっている車は怖くありませんが、動いている車はぶつかるとものすごい衝撃を受けます。交通事故です。命を落とすことさえあります。この動いている車が持つエネルギーを運動エネルギーといいます。
●運動エネルギーは質量に比例する。
●運動エネルギーは速さの2乗に比例する。
交通事故を考えた場合、どういう車にぶつかると激しい事故になるでしょうか。それは、質量が大きいほど、速さが速いほど激しい交通事故になるはずです。つまり、運動エネルギーは、物体の質量に比例し、速さの2乗に比例するのです。
速さの2乗に比例するとは、速さが2倍になれば運動エネルギーは2²倍で4倍、速さが3倍になれば3²倍で9倍になるということです。
3tの自動車が60km/hで壁に衝突したときの衝撃は、1tの自動車が30km/hで壁に衝突したときの何倍になるか。
解答12倍
質量が3倍、速さが2倍になっているので、3×2²＝12倍
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