問3 図1 から読み取ることができる内容として正しいものはどれか。次の1 ~3 …
問1 ~問6 に答えよ。 雨粒の落下について,AさんとBさんが次のように会話をしている。 Aさん 雨雲は,地表面からおよそ2000 ~7000 m の高さにあるから,地表面に達すると きには,雨粒はとても速くなりそうだけど,どのぐらいの速さになるのだろう? 地表面から2000 m の位置にある雨雲から自由落下したとすると,地表面に達する ときの速さは ア m/s になるね。 Bさん でも,雨粒の速さを調べてみると,直径0.5 mm の雨粒の終端速度は約2 ~3 m/s で, 直径3.0 mm の大きな雨粒になると,終端速度は約7 ~8 m/s になるみたいだよ。 Bさんが求めた速さと違ってしまうのは,実際には空気抵抗の影響があるからだね。 終端速度というのは,落下中の雨粒の加速度が0 になって,速さが一定の大きさに なるときの速度のことだね。 Bさん 大きい雨粒は質量が大きいから,終端速度が大きくなると考えて良いのかな? それでは,形を変えずに質量を変えて実験をしてみようよ。 Bさん AさんとBさんは,空気抵抗を受ける落下運動について,実験を通して理解を深めることにした。 <実験1 > 内容 同じ形で同じ厚さのアルミカップを用意し,1 枚だけのものと5 枚重ねたものを,床 から2 m の高さより同時に手をはなして,落下させた。 質量1 g(0.2 g × 5 枚) 質量0.2 g 結果 5 枚重ねのものの方が,1 枚だけのものよりも先に床に達した。 AさんとBさんは,アルミカップが落下するようすをスマホで撮影し,そのデータをもとに, 手をはなしてから床に達するまでの0.1 s ごとのアルミカップの位置を示した図1 をつくった。 なお,手をはなした瞬間が時刻0 s である。 高さ 高さ 高さ 高さ 0 s 0 s 0.1 s 0.1 s 0.3 s 0.3 s 0.5 s 0.5 s 0.6 s 0.6 s 0.7 s 0.7 s 0.8 s 0.8 s 0.9 s 0.9 s 1.0 s 1.0 s 1.1 s 1.2 s 1.3 s 1.4 s 1.5 s 1.6 s 1.7 s 1.8 s 1.9 s 0.2 s 0.2 s 0.4 s 0.4 s 1.5 m 2 m 1.0 m 0.5 m 0 m 床 等間隔 少しずつ間隔が 広がっている 1 枚だけの アルミカップ 5 枚重ねの アルミカップ 図1
問3 図1 から読み取ることができる内容として正しいものはどれか。次の1 ~3 のうちから 一つ選べ。
- 1 時刻0.8 s の1 枚だけのアルミカップと時刻0.5 s の5 枚重ねのアルミカップは,ほぼ同じ位置にあるので,両者のその位置での速さは等しいといえる。同じ位置にあっても、そのときの速さが同じとは限りません。
- 2 時刻0.6 s 以降の1 枚だけのアルミカップは,ほぼ等間隔に並んでいるので,時刻0.6 s 以降の1 枚だけのアルミカップの力学的エネルギーは保存されているといえる。等間隔は等速を示すだけで、力学的エネルギーの保存は言えません。
- 3 時刻0 s から時刻0.6 s までの5 枚重ねのアルミカップの間隔は,少しずつ広がっているので,その間は,5 枚重ねのアルミカップは加速を続けているといえる。間隔が広がっているので、加速を続けていると読み取れます。
この問題は問題の図(写真・図・表など)を見て答えます。図はこちらに転載していないため、下の出典のページから公式のPDFをご覧ください。解説だけでも読み取り方が分かるように書いています。
解説
正解は3です。落下する物体の位置を一定の時間ごとに記録したとき、その間隔が少しずつ広がっていれば、速さが増している、つまり加速を続けているといえます。5枚重ねのアルミカップは空気抵抗の影響を受けにくいため、0.6 sまでは加速を続けています。1は同じ位置でも速さが同じとは限らず、2の等間隔は等速であることを示すだけで、力学的エネルギーの保存までは言えません。
出典:文部科学省ホームページ(https://www.mext.go.jp/a_menu/koutou/shiken/kakomon/1411255_00018.htm)を加工して作成