ポイント
仕事の原理は、自転車のギアにも似ています。重いギアだと少しこぐだけで長い距離を進めます。反対にギアを軽くすれば少しの力でこげますが、同じ距離を進むにはそれだけ多くこぐ必要があります。
１．仕事と仕事率
①仕事
・物体に力を加えて物体を移動させること
・単位はジュール(Ｊ)
・公式：仕事(J)＝力の大きさ(N) × 動いた距離(m)
②仕事率
・単位時間あたりの仕事
・単位はワット(Ｗ)
・公式：仕事率(W)＝仕事(J)÷かかった時間(s)
※同じ仕事ならかかった時間が短いほど仕事率は大きい
２．仕事の原理
・道具を使っても、仕事の大きさは変わらない
例１：500gの物体を1m動かす(持ち上げる)場合の仕事を求める
※100gの物体にはたらく重力を1Nとする
→500gであれば5N
(仕事の公式：仕事(J)＝力の大きさ(N)×距離(m))
①直接持ち上げる場合
5N × 1m = 5J
②定滑車を使う場合
5N × 1m = 5J
③動滑車を使う場合
2.5N × 2m = 5J
※動滑車を使うと、必要な力は半分(2分の1)の2.5Nですむが、動かす距離は2倍の2mになる
→仕事そのものは5Jで変わらない(仕事の原理)
例２：仕事率を求める
・例１の、500gの物体を1m持ち上げる場合の仕事は、5N×1m＝5J
・１秒で持ち上げた場合の仕事率
→5J ÷ 1s ＝ 5W
・2秒で持ち上げた場合の仕事率
→5J ÷ 2s ＝ 2.5W
・5秒で持ち上げた場合の仕事率
→5J ÷ 5s ＝ 1W
となる。時間がかかるほど仕事率は小さくなる。反対に、短い時間で同じ仕事をするのであれば仕事率は大きくなる
３．エネルギー
・ほかの物体に仕事をすることができる能力
※力を加えて動かしたり変形させたりすること
①位置エネルギー
・高いところにある物体がもっているエネルギー
・物体の位置が高いほど位置エネルギーは大きい
・物体の質量が大きいほど位置エネルギーは大きい
②運動エネルギー
・運動している物体がもっているエネルギー
・物体の速さが速いほど運動エネルギーは大きい
・物体の質量が大きいほど運動エネルギーは大きい③力学的エネルギー
・位置エネルギーと運動エネルギーの和
④力学的エネルギーの保存
・位置エネルギーと運動エネルギーはたがいに移り変わり、その和である力学的エネルギーは一定に保たれるということ(摩擦や抵抗などがない場合)
例：振り子の運動
A点
・位置エネルギー最大
・運動エネルギー０(速さが０)
A→B
・位置エネルギーが減少
・運動エネルギーが増加(加速)
※位置エネルギーが運動エネルギーに移り変わる
B点
・位置エネルギー０
・運動エネルギー最大(速さが最大)
B→C
・運動エネルギーが減少(減速)
・位置エネルギーが増加
※運動エネルギーが位置エネルギーに移り変わる
C点
・位置エネルギー最大
・運動エネルギー０(速さが０)
↓位置エネルギーと運動エネルギーの移り変わり
(位置エネルギーと運動エネルギーの和は常に等しい：力学的エネルギーの保存)
