高校物理の浮力とは?わかりやすく解説!計算方法や公式の覚え方、アルキメデスの原理など
船が水の上に浮いたり、プールや海で体が浮いたりするのは浮力があるおかげです。
今回はこの浮力について解説していきます。
例えば物体を水中に入れると、ありとあらゆる方向から圧力が働きます。
水の圧力は深さによって変わりますが、深いほど大きな圧力が働くので、物体の上面への圧力より下面への圧力が大きくなります。
この圧力差によって生じるのが浮力。
つまり浮力は物体への鉛直・上向きの力となります。
>>1ヶ月で早稲田慶應・難関国公立の英語長文がスラスラ読めるようになる方法はこちら
浮力の公式と覚え方
体積V[m3]、高さl [m]、上面と下面の面積をS[m2]、上面にかかる圧力をp1[Pa]、下面にかかる圧力をp2[Pa]、上面の深さをh1[m]、下面の深さをh2[m]、大気圧をp0[Pa]、水の密度をp[kg/m3]とします。
流体による圧力はその流体の密度を用いてと表されるので、上面と下面にかかる圧力はそれぞれ
p1=p0+ph1g
p2=p0+ph2g
と表されます。
浮力は下面にかかる力から上面にかかる力を引いたものなので
F=p2×S-p1×S
=(h2-h1)×pgS
=l×pgS
=pVg
となります。つまり、浮力は
F=pVg
という式で表されます。
>>1ヵ月で英語の偏差値が40から70に伸びた「秘密のワザ」はこちら
アルキメデスの原理とは
ここで浮力の公式をよくよく見てみると、水の密度、物体の体積、重力加速度しか含まれていないことがわかります。
ρが物体の密度ではなく、水の密度であるという点に要注意。
深さや物体の密度が含まれていないのは不思議ですね。
物体を水に沈めるとその分、水が押しのけられるため、この式に含まれるVは「物体によって押しのけられた水の体積」という解釈も出来ます。
すると式中のρVは「押しのけられた水の質量」ということになります。
質量×重力加速度は「重さ(重力の大きさ)」でしたので、浮力は「押しのけられた水にかかる重力の大きさ」ということですね。
これをアルキメデスの原理といいます。
テストなどで「アルキメデスの原理について説明せよ」という問題が出たときは「流体の中にある物体は、その物体が押しのけた流体の重さと同じ大きさ、上向きの浮力を受ける」と答えましょう。
浮き沈みの解説
何度も強調しますが、浮力は水中の物体の質量には依存しません。
つまり同じ体積であれば、金であれ、鉄であれ、発泡スチロールであれ、同じ大きさの浮力がかかります。
では何故、金属は沈み、発泡スチロールや人間は浮くのでしょうか。
物理的には「浮力が物体に働く重力より大きければ浮く」、「浮力が物体に働く重力より小さければ沈む」ということは前述の通り、理解していただけると思います。
同じ体積でも鉄と発泡スチロールであれば、鉄のほうが密度が大きいため、かかる重力は大きいですよね。
実際に鉄1m3にかかる重力と浮力を計算してみると重力の大きさの方が大きくなるので、鉄は沈みます。
発泡スチロールはその逆で浮力のほうが大きくなるので浮きます。
これを応用すると、「プールで太っている人のほうが浮きやすく、筋肉質な人は沈みやすい」ということも説明できますね。
また流体の密度が大きければ大きいほど、浮力は大きくなります。
例えば真水よりも海水のほうが密度は大きいので、プールで泳ぐよりも海で泳ぐほうが体は浮きやすいということになります。
浮力を理解するために
浮力は高校物理の中でも理解しにくい分野。
特に浮力の公式のVと、水による圧力の公式のhを混同してしまうミスが多いですね。
これを避けるために、上記のような数式による導出を一度学んだあとは、アルキメデスの原理から浮力を考えると良いでしょう。
アルキメデスの原理とは「流体の中にある物体は、その物体が押しのけた流体の重さと同じ大きさ、上向きの浮力を受ける」というものでした。
このことをしっかり頭に入れておけば、ρV×gは(質量)×(重力加速度)という意味と紐付けて覚えられます。
⇒1ヵ月で英語の偏差値が40から70に伸びた「秘密のワザ」はこちら
⇒【1カ月で】早慶・国公立の英語長文がスラスラ読める勉強法はこちら
⇒【速読】英語長文を読むスピードを速く、試験時間を5分余らせる方法はこちら
現役の時に偏差値40ほど、日東駒専に全落ちした私。
しかし浪人して1ヶ月で「英語長文」を徹底的に攻略して、英語の偏差値が70を越え、早稲田大学に合格できました!
私の英語長文の読み方をぜひ「マネ」してみてください!
・1ヶ月で一気に英語の偏差値を伸ばしてみたい
・英語長文をスラスラ読めるようになりたい
・無料で勉強法を教わりたい
こんな思いがある人は、下のラインアカウントを追加してください!
筆者は現役時代、偏差値40ほどで日東駒専を含む12回の受験、全てに不合格。
原因は「英語長文が全く読めなかったこと」で、英語の大部分を失点してしまったから。
浪人をして英語長文の読み方を研究すると、1ヶ月で偏差値は70を超え、最終的に早稲田大学に合格。
「1ヶ月で英語長文がスラスラ読める方法」を指導中。
⇒【秘密のワザ】1ヵ月で英語の偏差値が40から70に伸びた方法はこちら
⇒【1カ月で】早慶・国公立の英語長文がスラスラ読める勉強法はこちら
⇒【速読】英語長文を読むスピードを速く、試験時間を5分余らせる方法はこちら
この記事も読まれています
- 1
英語長文の読み方・解き方のコツを解説【大学受験】
模試の成績や判定が思うように上がらない。 1カ月で偏差値が70を超え、A判定が取れるようになる。 英語長文がどうしても読めず、失点してしまう。 英語長文をスラスラ読み解き、得点をガンガン稼げる。 スピ ...
- 2
英語長文でわからない単語が出た時の対処法!調べながら解く?推測のやり方!全部覚える?
はじめまして。 私は偏差値43、日東駒専を含む12回の受験で全落ちして浪人をして、早稲田大学に合格した経験があります。 全落ちをした時は本当に絶望的な気持ちでしたが、1ヶ月間、浪人して1ヶ月間、あるこ ...
- 3
英語長文を読んでいると眠くなる!集中力がなくて飽きる人へ。集中できない時の対処法
受験生長文を解いていると、途中で集中力が切れてしまうのですが、どうしたら良いでしょうか? 長文に集中できない理由は、大きく3つあります。この3つの原因と解決法を解説していきます!筆者 記事と筆者の信頼 ...
- 4
英語長文は毎日解く?1日何題解くペースが最適?高1/高2/高3/浪人生は1日1題?2題?3題【大学受験】
>>1ヶ月で早稲田慶應・難関国公立の英語長文がスラスラ読めるようになる方法はこちら 目次1 長文を何題解くか?の前に知るべき事2 長文が読めていないなら一度ストップ3 長文を攻略すると、 ...
- 5
英語の空所補充問題の解き方のコツと対策法!穴埋めが苦手でできない人の参考書&長文問題集
>>1ヶ月で早稲田慶應・難関国公立の英語長文がスラスラ読めるようになる方法はこちら 大学入試の英語で最も多く出題されるといっても過言ではない、空所補充問題。 英語長文がある程度理解できていても、穴埋め ...
- 6
早稲田大学の英語は難しい。学部別の難易度/勉強法と対策用の参考書!時間配分や過去問の配点/レベル
私は受験生の時に、全国記述模試で22位にランクインし、早稲田大学に合格しました。 早稲田の入試本番では8割以上の得点を取り、自ら学習サービスを立ち上げ、偏差値30台の受験生を難関大へ合格させてきました ...