力の合成と分解・浮力の求め方｜平行四辺形の作図と水圧を確かめる教材
中学3年 / 第1分野 (5)運動とエネルギー (ア)力のつり合いと合成・分解
力の作図は、紙の上では1パターンしか描けません。角度を変えたらどうなるかは、もう1枚描き直すことになります。浮力の実験も、物体を替えるたびにやり直しです。
このツールは、力の矢印の先を指でつまんで動かせます。角度と大きさを変えると平行四辺形と合力が引き直されます。斜面は板の上端を、水そうは物体をつるしたばねばかりを動かします。
この単元で つまずくところ
- 合力は「大きいほう」ではない。 3Nと4Nの合力は7Nにも5Nにも1Nにもなります。角度しだいです。角度を連続で変えると、合力が7から1まで動くことが見えます。
- 斜面の分力は「重力を分ける」。 新しい力が生まれるのではありません。傾きを変えると、重力の矢印の長さは変わらないまま、2つの分力の比だけが変わります。
- 浮力は深さによらない。 深く沈めるほど大きくなると思われがちです。グラフを見ると、全部沈んだあとは水平になります。ここが試験でいちばん問われます。
- 浮力の正体は水圧の差。 上面と下面にかかる水圧が違うから上向きの力が出ます。水圧の矢印を出すと、下面のほうが長いことが見えます。
このツールで 何が見えるか
- 合成 ── 平行四辺形
- 2つの力の先をつまんで動かします。合力・2力の角が出ます。「1本で引くと」でつり合うばねばかりも出せます。
- 分解 ── 斜面
- 板の上端を動かして傾きを変えます。重力・斜面に平行な分力・斜面に垂直な分力が色分けされ、値は引き出し線で盤面の右に並びます。
- 南中高度のような角度も本当の角度で
- 斜面の角は分度器と同じ角として描かれます。
- 水圧の矢印
- 深さに比例して長くなります。上面・下面・側面すべてに出ます。
- 浮力とばねばかり
- 沈めるほどばねばかりが軽くなり、全部沈むと変わらなくなります。
- 深さとばねばかりのグラフ
- 水の上（水平）→入りかけ（斜め）→全部沈んだ（水平）の3段が1本の線で読めます。
授業での使い方
3Nと4Nの角度だけを0°から180°まで動かして、合力が7Nから1Nまで変わるのを見せます。
斜面の傾きを5点変えて、平行な分力を表にさせます。「傾きが大きいほど大きい」を自分の数字で確かめさせます。
「同じ物体でも、水の中では何N軽くなるか」を体積から予想させてから確かめます。質量を変えても浮力が変わらないことに気づけば十分です。
どの使い方でも、動かした条件はそのままURLに入ります。 画面の「リンクをコピー」を押して配れば、生徒の端末でも同じ画面が開きます。 生徒が見つけた条件のリンクを提出させれば、そのまま記録になります。
すぐ使える条件
あえて入れていないもの
中学校で教える形を優先して、省いている条件があります。 教科書や資料集の数値と合わないことがあるので、先に書いておきます。
- 質量100gにはたらく重力を1Nとしています（9.8は使いません）。中学の扱いと同じです。
- 斜面の高さは0〜40cmです。垂直にはできません。
- 水そうは深さ20cmで、底から少し上までしか下ろせません。
- 摩擦は扱いません。台車は糸で支えられて静止しています。
よくある質問
力の向きはどうやって変えますか？
矢印の先の丸をつまんで動かします。大きさだけならパネルのスライダーでも変えられます。
値がグラフや図から離れて右に並んでいるのはなぜですか？
3本の矢印がどれも同じ1点から出るので、名前を矢印のそばに置くとどうしても重なるからです。引き出し線でつないで、盤面の中で読み終わるようにしています。
浮力は水の密度を変えられますか？
変えられません。水（1g/cm³）だけです。密度を変える学習は1年の「密度と浮き沈み」で扱う予定です。
ほかの教材は 中学理科ラボの一覧 から。
直してほしいところは 改善の要望 から。ツールの画面の「要望を送る」を押せば、そのとき見ていた条件のURLが付いた状態で開きます。