この実験について
ブロックをばねばかりに吊るし、あふれ容器の中に沈めます。ブロックを沈めると、ばねばかりの値が下がり、液体が受け皿にあふれ出します。ばねばかりで測った重さの減少分は、常に受け皿に入った液体の重さと等しく、これがアルキメデスの原理です。材質や液体、ブロックの大きさを変えて、物体が浮くか沈むかを決める要因を調べましょう。
学習目標
- 空気中での重さと、液体中でのばねばかりの値との差として浮力を測定します
- 浮力が押しのけられた液体の重さと等しいことを確かめます
- ブロックが完全に沈んだ後は、浮力は深さではなく、水中に沈んだ体積に応じて大きくなることを確かめます
- ブロックの密度と液体の密度を比べて、浮くか沈むかを予測しましょう。
使い方
- 1アルミニウムのブロックを空気中に置き、ばねばかりで重さを読み取ります。
- 2ブロックを少しずつ下に引き、ばねばかりの値、浮力、受け皿を観察します。
- 3ブロックが完全に水中に沈んだ後も、さらに下げ続けます。グラフ上でどの力が一定に保たれるか確認しましょう。
- 4木とろうをさまざまな液体に入れて試し、ひもがたるんでブロックが浮く深さを見つけましょう。
モデル
前提条件
- ブロックは密度が均一な立方体で、沈める間も水平を保ちます。
- あふれ出し容器は注ぎ口まで液体で満たされているため、受け皿にはブロックが押しのけた液体がちょうど入ります。
- 液体は静止しており、どの深さでも密度は同じです。表面張力は無視します。
- ひもとばねばかりのフックには質量がなく、g = 9.8 N/kg です。
授業で試してみましょう
- Q1アルミニウムのブロックは空気中で13.2 N、水中で8.3 Nの重さがあります。押しのける水の体積はいくらですか？
- Q2ブロックが完全に水面下に沈むと、なぜはかりの表示は変わらなくなるのでしょうか？
- Q3ろうは水に浮きますが、エタノールには沈みます。密度を使ってその理由を説明してください。
- Q4アクリルは水に沈みますが、塩水には浮きます。水面上に出ている部分はどれくらいですか？
よくある質問
深いところにある物体ほど、大きな浮力を受けますか？
いいえ。深くなるほど圧力は大きくなりますが、物体の上面にかかる圧力も同じように大きくなります。上面と下面を押す力の差は変わらないため、完全に水中に沈んだ物体が受ける浮力は、深さによらず一定です。
重い鋼鉄製の船が浮くのはなぜですか？
船体は大量の空気を含む大きな体積を囲んでいるため、船全体の平均密度は水より低くなります。船は自重と同じ重さの水を押しのけるまで沈みます。
ブロックの質量によって浮力は変わりますか？
いいえ。浮力は、水中に沈んでいる体積と液体の密度だけで決まります。質量によって決まるのは、その力でブロックを浮かせておけるかどうかだけです。