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Motion, forces and energy · ⁨運動、力およびエネルギー⁩

IGCSE Physics · ⁨IGCSE 物理⁩ · Topic 1 · ⁨トピック 1⁩

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23:51

運動、力とエネルギー

周囲を見回してみてください。車が加速する。ボールが落下する。コップがテーブルの上で静止している。物理はこれらすべてを、数値を用いて正確に記述できます。そして、そのすべては…

English narration · English + 中文 subtitles burned in · ⁨英語ナレーション・英語+中文字幕 burning-in⁩

1.1

Measurement 测量 · ⁨測定⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 Describe the use of rulers and measuring cylinders to find a length or a volume
2 Describe how to measure a variety of time intervals using clocks and digital timers
3 Determine an average value for a small distance and for a short interval of time by measuring multiples (including the period of oscillation of a pendulum)
4 Understand that a scalar quantity has magnitude (size) only and that a vector quantity has magnitude and direction
5 Know that the following quantities are scalars: distance, speed, time, mass, energy and temperature
6 Know that the following quantities are vectors: force, weight, velocity, acceleration, momentum, electric field strength and gravitational field strength
7 Determine, by calculation or graphically, the resultant of two vectors at right angles, limited to forces or velocities only
日本語
コア サプリメント
1 定規やメジャーシリンダーを使用して長さや体積を求める使い方を説明する
2 クロックやデジタルタイマーを用いて様々な時間間隔を測る方法を説明する
3 複数の測定(単振動の周期などを含む)によって短い距離および短い時間の平均値を求める
4 スカラー量 が大きさ(サイズ)のみを持ち、ベクトル量 が大きさと方向を持つことを理解する
5 以下の物理量がスカラー量であることを知る: 距離、速さ、時間、質量、エネルギー、温度
6 以下の物理量がベクトルであることを知る:力、重量、速度、加速度、運動量、電場強度、重力場強度
7 2つの垂直なベクトルの合成ベクトルを計算または図示によって求める。対象は力と速度に限定する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English
Resolving a vector into components

Length and volume

Use a ruler 直尺 to measure length. Read the scale with your eye straight in front of the mark to avoid a reading error.

Use a measuring cylinder 量筒 to measure the volume of a liquid. Read the scale at the bottom of the curved surface (the meniscus 弯月面), with your eye level with it.

Measuring time

Use a stopwatch 秒表 or a digital timer 数字计时器 to measure a time interval. A clock is fine for long times (minutes or hours). A stopwatch is started and stopped by hand, so each reading has a reaction time 反应时间 error of about 0.2 s. To make this error matter less, time a long interval, or time many repeats and divide (see below).

Measuring small amounts

A single small length or a short time is hard to measure well. The trick is to measure many and divide 测多个再相除:

  • To find the thickness of one page, measure 100 pages and divide by 100.
  • To find the time for one swing of a pendulum 摆, measure the time for 20 swings and divide by 20. One full swing is called the period 周期.

This makes the uncertainty 不确定度 (the size of the error) much smaller.

Scalars and vectors

A scalar quantity 标量 has size (magnitude 大小) only. A vector quantity 矢量 has size and direction.

  • Scalars: distance, speed, time, mass 质量, energy 能量, temperature 温度.
  • Vectors: force 力, weight 重力, velocity 速度, acceleration 加速度, momentum 动量, electric field strength 电场强度, gravitational field strength 重力场强度.

To add two vectors at right angles (90°), draw them as two sides of a rectangle. The resultant 合矢量 is the diagonal. Find its size with Pythagoras and its direction with trigonometry.

$$R = \sqrt{a^2 + b^2}$$
日本語
ベクトルの成分への分解

長さ・体積

定規を使って長さを測る。目盛り錯誤を防ぐため、視線を目盛りの真前に合わせてスケールを読む。

不規則な固体をメスシリンダーに沈める様子。水位の上昇分がその体積である
不規則な固体が押し出す水量がその体積を示す
弯月面の下端を视线と同一高さにしてメスシリンダーを読む
メニスカスの下端で、目の高さを合わせてメジャリングシリンダーを読む

量筒を使って液体の体積を測る。湾曲面(メニスカス)の下端でスケールを読み、視線をそれに合わせる。

時間の測定

ストップウォッチやデジタルタイマーを使って時間を測る。長い時間(分や時)には時計でも構わない。手動で開始・停止するため、各測定値には約0.2秒の反応時間誤差が含まれる。この誤差を小さくするには、長い間隔を測るか、多くの反復を測って平均をとる(以下参照)。

少量の測定

非常に短い長さや短暂な時間は正確に測定するのが困難です。その解決策は 多数を測定して割り算する ことです:

  • 一枚の紙の厚さを知るには、100枚分を測定して100で割ります。
  • 振り子 の一振りの時間を求めるには、20振りの時間を測定して20で割ります。一振りは 周期 と呼ばれます。

これにより 不確かさ(誤差の大きさ)が大幅に小さくなります。

スカラー量とベクトル量

スカラー量 は大きさ(magnitude)のみを持ちます。ベクトル量 は大きさ および 方向を持ちます。

  • スカラー:距離、速さ、時間、質量、エネルギー、温度。
  • ベクトル例:力、重力、速度、加速度、運動量、電界の強さ、重力場の強さ。

直角(90°)の二つのベクトルを加えるには、それらを長方形の二辺として描きます。合成ベクトル は対角線になります。大きさは三平方の定理で、方向は三角関数で見つけられます。

$$R = \sqrt{a^2 + b^2}$$
二つの垂直なベクトルが長方形の辺として描かれ、合成ベクトルが対角線になっている図
直角にある二つのベクトルは、長方形の対角線である合成ベクトル $R$ に加算される
Explore · ⁨探索⁩

Scalars & vectors · ⁨スカラー & ベクトル⁩

resultant = a + b · ⁨合力 = a + b⁩

Add two vectors tip-to-tail to find the resultant. · ⁨ベクトルを先頭と尾を接続して足し合わせ、合成ベクトルを求める。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
magnitude/ˈmæɡnɪtjuːd/ 大きさ
vector quantity/ˈvektə ˈkwɒntɪti/ ベクトル量
1.2

Motion 运动 · ⁨運動⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 Define speed as distance travelled per unit time; recall and use the equation
$$v = \frac{s}{t}$$
2 Define velocity as speed in a given direction
3 Recall and use the equation
$$\text{average speed} = \frac{\text{total distance travelled}}{\text{total time taken}}$$
9 Define acceleration as change in velocity per unit time; recall and use the equation
$$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$
4 Sketch, plot and interpret distance–time and speed–time graphs
5 Determine, qualitatively, from given data or the shape of a distance–time graph or speed–time graph when an object is: (a) at rest (b) moving with constant speed (c) accelerating (d) decelerating 10 Determine from given data or the shape of a speed–time graph when an object is moving with: (a) constant acceleration (b) changing acceleration
6 Calculate speed from the gradient of a straight-line section of a distance–time graph 11 Calculate acceleration from the gradient of a speed–time graph
7 Calculate the area under a speed–time graph to determine the distance travelled for motion with constant speed or constant acceleration
12 Know that a deceleration is a negative acceleration and use this in calculations
8 State that the acceleration of free fall $g$ for an object near to the surface of the Earth is approximately constant and is approximately $9.8\text{ m/s}^2$ 13 Describe the motion of objects falling in a uniform gravitational field with and without air/ liquid resistance, including reference to terminal velocity
日本語
コア サプリメント
1 速さを単位時間あたりに移動した距離として定義し、式
$$v = \frac{s}{t}$$
を思い出し用いる
2 速度を特定の方向を持つ速さとして定義する
3 式
$$\text{average speed} = \frac{\text{total distance travelled}}{\text{total time taken}}$$
を思い出し用いる
9 加速度を単位時間あたりの速度の変化として定義し、式
$$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$
を思い出し用いる
4 距離–時間グラフおよび速度–時間グラフのスケッチ、プロット、解釈を行う
5 与えられたデータや距離–時間グラフ、速度–時間グラフの形状から、物体が次の状態にあるかどうかを定性的に判断する:(a) 静止している (b) 一定の速さで動いている (c) 加速している (d) 減速している 10 与えられたデータや速度–時間グラフの形状から、物体が次の状態にあるかどうかを判断する:(a) 一定の加速度で動いている (b) 変化する加速度で動いている
6 距離–時間グラフの直線部分の傾きから速さを計算する 11 速度–時間グラフの傾きから加速度を計算する
7 速度–時間グラフの下の面積を計算して、一定の速さまたは一定の加速度での移動における移動距離を求める
12 減速は負の加速度であり、これを計算に用いることを知る
8 地球表面付近の物体の自由落下の加速度 $g$ はほぼ一定であり、約 $9.8\text{ m/s}^2$ であることを述べる 13 空气/液体抵抗の有無を含む一様重力場における落下物体の運動を説明し、終端速度にも触れる

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Speed and velocity

Speed 速率 is the distance travelled per unit time.

$$v = \frac{s}{t}$$

Velocity is speed in a stated direction. So velocity is a vector but speed is a scalar.

$$\text{average speed} = \frac{\text{total distance}}{\text{total time}}$$

Acceleration

Acceleration is the change in velocity per unit time.

$$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$

Here $\Delta v$ means "the change in velocity". A deceleration 减速 (slowing down) is a negative acceleration.

Worked example. A car speeds up from $8\ \text{m/s}$ to $20\ \text{m/s}$ in $4.0\ \text{s}$. Find its acceleration.

$$a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{20 - 8}{4.0} = 3.0\ \text{m/s}^2$$

Motion graphs

A distance–time graph 距离-时间图 shows how far an object has gone:

  • A flat (horizontal) line means the object is at rest 静止.
  • A straight slope means constant speed. The gradient 斜率 (steepness) is the speed.
  • A curve that gets steeper means the object is speeding up.

A speed–time graph 速度-时间图 shows how fast an object is going:

  • A flat line means constant speed.
  • A straight slope means constant acceleration. The gradient is the acceleration.
  • The area under the line 线下面积 is the distance travelled.

Falling objects

Near the Earth the gravitational field is uniform 均匀 (the same strength everywhere), so all objects speed up as they fall at the same rate. This is the acceleration of free fall 自由落体加速度, $g \approx 9.8\ \text{m/s}^2$.

When an object falls through air, air resistance 空气阻力 (a drag force) acts upward. As it speeds up, air resistance grows. When air resistance equals the weight, the resultant force is zero and the object stops speeding up. It then falls at a steady terminal velocity 收尾速度.

日本語

速さと速度

速さ は単位時間あたりに移動した距離です。

$$v = \frac{s}{t}$$

速度 は指定された方向を持つ速さです。したがって速度はベクトルですが、速さはスカラーです。

$$\text{average speed} = \frac{\text{total distance}}{\text{total time}}$$

加速度

加速度 は単位時間あたりの速度の変化量です。

$$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$

ここで $\Delta v$ は「速度の変化」を意味します。減速(遅くなること)は負の加速度です。

** worked example.** 車が $8\ \text{m/s}$ から $20\ \text{m/s}$ まで $4.0\ \text{s}$ で加速しました。加速度を求めよ。

$$a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{20 - 8}{4.0} = 3.0\ \text{m/s}^2$$

運動グラフ

距離–時間グラフ は物体がどれだけ進んだかを示します:

  • 水平な線は物体が 静止中 であることを意味します。
  • 直線的な傾きは一定速を表します。勾配(急さ)が速さに相当します。
  • 曲線が次第に急になることは、物体が加速していることを意味します。
水平な線、直線的な傾き、そして次第に急になる曲線の三つの距離–時間グラフ
距離–時間の線の形状:水平は静止、直線的な傾きは一定速、上昇する曲線は加速

速度–時間グラフ は物体がどれほど速く動いているかを示します:

  • 水平な線は一定速を表します。
  • 直線的な傾きは一定加速度を表します。勾配が加速度です。
  • 線の下側の 面積 が移動距離です。
傾いた線を持ち、その勾配が加速度で、陰影部分の面積が距離を表す速度–時間グラフ
速度–時間グラフにおいて、勾配は加速度であり、線の下側の面積は移動距離

落下する物体

地球付近では重力場は 均一(どこでも同じ強さ)なので、すべての物体は同じ割合で加速しながら落下します。これを 自由落下の加速度 といい、$g \approx 9.8\ \text{m/s}^2$ です。

物体が空気中を落下するとき、上向きの 空気抵抗(Drag force)が働きます。速さが増すと空気抵抗も大きくなります。空気抵抗と重力が等しくなると合力はゼロになり、物体はそれ以上加速しません。その後、一定の 終端速度 で落下します。

重量と空気抵抗の矢印付きの落下物体の図(直後と終端速度時)
当初は重量が空気抵抗より大きいため物体は加速しますが、終端速度では両者が等しくなり、速度は一定になります
Explore · ⁨探索⁩

Velocity–time graph · ⁨速度–時間グラフ⁩

Change u and a. The gradient is the acceleration; the area under the line is the distance travelled. · ⁨u と a を変更します。勾配は加速度を表し、曲線下の面積は移動距離を表します。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
force/fɔːs/ 力
weight/weɪt/ 重力
velocity/vəˈlɒsɪti/ 速度
acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ 加速度
speed/spiːd/ 速さ
deceleration/dɪˌseləˈreɪʃn/ 減速
distance–time graph/ˈdɪstəns taɪm ɡræf/ 距離-時間グラフ
at rest/æt rest/ 静止している
gradient/ˈɡreɪdɪənt/ 傾き
speed–time graph/spiːd taɪm ɡræf/ 速度-時間グラフ
area under the line/ˈeərɪə ˈʌndə ðə laɪn/ 曲線下の面積
uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ 均一
acceleration of free fall/əkˌseləˈreɪʃn ɒv friː fɔːl/ 自由落下加速度
air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ 空気抵抗によるもの
terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ 終末速度
matter/ˈmætə/ 物質
1.3

Mass and weight · ⁨質量と重さ⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 State that mass is a measure of the quantity of matter in an object at rest relative to the observer
2 State that weight is a gravitational force on an object that has mass 5 Describe, and use the concept of, weight as the effect of a gravitational field on a mass
3 Define gravitational field strength as force per unit mass; recall and use the equation
$$g = \frac{W}{m}$$
and know that this is equivalent to the acceleration of free fall
4 Know that weights (and masses) may be compared using a balance
日本語
コア サプリメント
1 質量が、観測者に対して静止している物体に含まれる物質の量を表す指標であることを述べる
2 重さが、質量を持つ物体に働く重力であることを述べる 5 重さを、重力場が質量に及ぼす効果として概念を用いて説明する
3 重力場強度を単位質量あたりの力として定義し、式
$$g = \frac{W}{m}$$
を思い出し用いること、およびこれが自由落下の加速度と等価であることを知る
4 重量(および質量)を天平を用いて比較できることを知る

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Mass is the amount of matter 物质 in an object. It is measured in kilograms (kg) and does not change when you move the object.

Weight is the force of gravity on a mass. It is measured in newtons (N). Weight can change: it is smaller on the Moon because the Moon's gravity is weaker.

Gravitational field strength is the force per unit mass:

$$g = \frac{W}{m}$$

This $g$ has the same value as the acceleration of free fall ($\approx 9.8\ \text{N/kg}$). You can compare masses with a balance 天平.

日本語

質量 は物体に含まれる 物質 の量です。キログラム (kg) で測られ、物体の位置を変えても変わりません。

重さ は質量にかかる重力の力です。ニュートン (N) で測られます。重さは変化します:月の重力が弱いため、月では重さが小さくなります。

重力場の強さ は単位質量あたりの力です:

$$g = \frac{W}{m}$$

この $g$ は自由落下の加速度($\approx 9.8\ \text{N/kg}$)と同じ値を持ちます。天平 を用いて質量を比較できます。

实验室天平是测量质量的工具;重是该质量所受的引力
实验室天平是测量质量的工具;重是该质量所受的引力
Explore · ⁨探索⁩

Weight and mass · ⁨重力と質量⁩

W = mg

Weight is proportional to mass — the gradient is the gravitational field strength g (about 10 N/kg on Earth). · ⁨重力は質量に比例する — 傾きは重力場強度 g (地球では約 10 N/kg)。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
mass/mæs/ 質量
balance/ˈbæləns/ バランス
1.4

Density 密度 · ⁨密度⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 Define density as mass per unit volume; recall and use the equation
$$\rho = \frac{m}{V}$$
2 Describe how to determine the density of a liquid, of a regularly shaped solid and of an irregularly shaped solid which sinks in a liquid (volume by displacement), including appropriate calculations
3 Determine whether an object floats based on density data 4 Determine whether one liquid will float on another liquid based on density data given that the liquids do not mix
日本語
コア サプリメント
1 密度 を単位体積あたりの質量として定義し、方程式
$$\rho = \frac{m}{V}$$
を暗記して使用する
2 液体、規則的な形状の固体、および液体中で沈む不規則な形状の固体(浮遊法による体積測定)の密度を求める方法、適切な計算を含めて説明する
3 密度データに基づいて物体が浮くかどうかを判断する 4 液体が混ざり合わないことが条件で、密度データに基づいて一方の液体が他方の上に浮くかどうかを判断する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Density is the mass per unit volume.

$$\rho = \frac{m}{V}$$

The symbol $\rho$ is the Greek letter "rho". The unit is $\text{kg/m}^3$ or $\text{g/cm}^3$.

To find density: measure the mass with a balance, find the volume, then divide.

  • Regular solid 规则固体 (like a box): measure the sides and calculate the volume.
  • Irregular solid 不规则固体 (a strange shape): lower it into water in a measuring cylinder. The rise in water level is its volume. This is the displacement method 排水法.
  • Liquid: put an empty measuring cylinder on the balance and read its mass. Pour in the liquid, read the volume on the cylinder, and read the mass again. The mass of the liquid is the difference between the two mass readings.

An object floats 漂浮 if its density is less than the density of the liquid. It sinks if its density is greater. In the same way, one liquid floats on top of another (if the two do not mix) when its density is lower: oil floats on water.

Worked example. A stone of mass $54\ \text{g}$ is lowered into a measuring cylinder. The water level rises from $20\ \text{cm}^3$ to $40\ \text{cm}^3$. Find the density of the stone.

The volume of the stone is the rise in water level, $40 - 20 = 20\ \text{cm}^3$, so

$$\rho = \frac{m}{V} = \frac{54}{20} = 2.7\ \text{g/cm}^3$$
日本語

密度 は単位体積あたりの質量です。

$$\rho = \frac{m}{V}$$

記号 $\rho$ はギリシャ文字「ロー(rho)」です。単位は $\text{kg/m}^3$ または $\text{g/cm}^3$ です。

密度を求めるには:天平で質量を測定し、体積を求めてから割り算します。

  • 規則的な固体(箱など):辺の長さを測定して体積を計算します。
  • 不規則な固体(変形した形):水量器に入った水に沈めます。水位の上昇量が体積です。これを 排水法 といいます。
  • 液体:空の水量器を天平に乗せて質量を読みます。液体を注いで水量器の目盛りで体積を読み、再度質量を読みます。液体の質量は二回の質量読みの差です。

物体の密度が液体の密度より小さい場合、物体は 浮上 します。密度が大きい場合は沈みます。同様に、互いに混ざり合わない液体同士では、密度の低い方が上に浮きます:油は水の上に浮きます。

** worked example.** 質量 $54\ \text{g}$ の石を水量器に沈めました。水位は $20\ \text{cm}^3$ から $40\ \text{cm}^3$ に上がりました。石の密度を求めよ。

石の体積は水位の上昇量 $40 - 20 = 20\ \text{cm}^3$ なので、

$$\rho = \frac{m}{V} = \frac{54}{20} = 2.7\ \text{g/cm}^3$$
氷山は大部分が水中に隠れて怎麼いている: 氷の密度は水よりわずかに低い
氷山は大部分が水中に隠れて怎麼いている: 氷の密度は水よりわずかに低い
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Floating and density · ⁨浮力と密度⁩

Change the object's density and the liquid: it floats if it's less dense, and the denser it is the more sits underwater. Iron sinks in water but floats on mercury. · ⁨物体と液体の密度を変えると、密度が小さい場合は浮き、大きいほど水中に沈む部分が増える。鉄は水に沈むが水銀上には浮く。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
density/ˈdensɪti/ 密度
regular solid/ˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ 正多面体
irregular solid/ɪˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ 不規則立体
displacement method/dɪˈspleɪsmənt ˈmeθəd/ 排水法
floats/fləʊts/ 浮く
shape/ʃeɪp/ 形
extension/ekˈstenʃn/ 伸長
load–extension graph/ləʊd ekˈstenʃn ɡræf/ 荷重-伸びグラフ
limit of proportionality/ˈlɪmɪt ɒv prəˌpɔːʃəˈnælɪti/ 比例限度
spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ バネ定数
resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ 合力
circular motion/ˈsɜːkjʊlə ˈməʊʃn/ 円運動
radius/ˈreɪdɪəs/ 半径
friction/ˈfrɪkʃn/ 摩擦力
1.5

Forces · ⁨力⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

1.5.1 Effects of forces

Core Supplement
1 Know that forces may produce changes in the size and shape of an object 9 Define the spring constant as force per unit extension; recall and use the equation
$$k = \frac{F}{x}$$
2 Sketch, plot and interpret load–extension graphs for an elastic solid and describe the associated experimental procedures 10 Define and use the term ‘limit of proportionality’ for a load–extension graph and identify this point on the graph (an understanding of the elastic limit is not required)
3 Determine the resultant of two or more forces acting along the same straight line 11 Recall and use the equation $F = ma$ and know that the force and the acceleration are in the same direction
4 Know that an object either remains at rest or continues in a straight line at constant speed unless acted on by a resultant force
5 State that a resultant force may change the velocity of an object by changing its direction of motion or its speed 12 Describe, qualitatively, motion in a circular path due to a force perpendicular to the motion as: (a) speed increases if force increases, with mass and radius constant (b) radius decreases if force increases, with mass and speed constant (c) an increased mass requires an increased force to keep speed and radius constant ($F = \frac{mv^2}{r}$ is not required)
6 Describe solid friction as the force between two surfaces that may impede motion and produce heating
7 Know that friction (drag) acts on an object moving through a liquid
8 Know that friction (drag) acts on an object moving through a gas (e.g. air resistance)

1.5.2 Turning effect of forces

Core Supplement
1 Describe the moment of a force as a measure of its turning effect and give everyday examples
2 Define the moment of a force as $\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$; recall and use this equation
3 Apply the principle of moments to situations with one force each side of the pivot, including balancing of a beam 5 Apply the principle of moments to other situations, including those with more than one force each side of the pivot
4 State that, when there is no resultant force and no resultant moment, an object is in equilibrium 6 Describe an experiment to demonstrate that there is no resultant moment on an object in equilibrium

1.5.3 Centre of gravity

Core Supplement
1 State what is meant by centre of gravity
2 Describe an experiment to determine the position of the centre of gravity of an irregularly shaped plane lamina
3 Describe, qualitatively, the effect of the position of the centre of gravity on the stability of simple objects
日本語

1.5.1 力の効果

コア サプリメント
1 力が物体の大きさや形状を変化させることがあることを知る 9 ばね定数を単位伸びあたりの力として定義し、式
$$k = \frac{F}{x}$$
を思い出し用いる
2 弾性固体の荷重–伸びグラフのスケッチ、プロット、解釈を行い、関連する実験手順を説明する 10 荷重–伸びグラフにおける比例限界の用語を定義・使用し、グラフ上でその点を特定する(弾性限界の理解は不要)
3 同一直線上に作用する2つ以上の力の合成力を求める 11 式 $F = ma$ を思い出し用い、力と加速度が同じ向きであることを知る
4 合成力が働かない限り、物体は静止したままか一定の速さで一直线上に動き続けることを知る
5 合成力は物体の進行方向や速さを変えることでその速度を変化させると述べる 12 運動に垂直な力によって生じる円周運動を定性的に説明する:(a) 質量と半径が一定の場合、力が増加すれば速さが増加する (b) 質量と速さが一定の場合、力が増加すれば半径が減少する (c) 速さと半径を一定に保つには質量が増加すれば力も増やす必要がある($F = \frac{mv^2}{r}$ は不要)
6 固体摩擦を、2つの面間に働き運動を妨げたり発熱を生じたりする力として説明する
7 液体中を動く物体に摩擦力(抵抗力)が働くことを知る
8 気体(例:空気抵抗)中を動く物体に摩擦力(抵抗力)が働くことを知る

1.5.2 力の回転効果

コア サプリメント
1 力のモーメントをその回転効果の度量として説明し、日常の例を挙げる
2 力のモーメントを $\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$ と定義し、この式を思い出し用いる
3 支点の両側にそれぞれ1つの力が働く状況、ビームの釣り合いを含む力のモーメントの原理を適用する 5 支点の両側に複数の力が働く他の状況も含め、力のモーメントの原理を適用する
4 合成力がゼロで合成モーメントもゼロの場合、物体は**釣合(平衡)**状態にあると述べる 6 釣合状態にある物体には合成モーメントが働かないことを示す実験を説明する

1.5.3 重心

コア サプリメント
1 重心の意味を述べる
2 不規則な形状の平面板の重心の位置を求める実験を説明する
3 重心の位置が単純な物体の安定性に与える影響を定性的に説明する

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English
The principle of moments
Hooke's law & the elastic limit

A force is a push or a pull. A force can change the shape 形状, the speed, or the direction of an object.

Stretching (Hooke's law)

When you hang a load on a spring, it stretches. The stretch is called the extension 伸长量.

On a load–extension graph 载荷-伸长图 the line is straight at first: extension is proportional to load. The point where the line stops being straight is the limit of proportionality 比例极限.

The experiment. Hang the spring from a clamp and stand a ruler beside it. Read the position of the bottom of the spring with no load: this is the original length. Add loads one at a time (for example 1 N each) and record the new length each time. The extension is the new length minus the original length. Plot load on the y-axis against extension on the x-axis.

The spring constant 弹簧常数 is the force per unit extension:

$$k = \frac{F}{x}$$

A large $k$ means a stiff spring.

Resultant force and Newton's laws

Add forces on a straight line to get the resultant force 合力 (forces one way are positive, the other way negative).

  • If the resultant force is zero, the object stays at rest or keeps moving in a straight line at constant speed. (Newton's first law.)
  • If the resultant force is not zero, the object accelerates in the direction of the force:
$$F = ma$$

Worked example. A $1200\ \text{kg}$ car has a $3000\ \text{N}$ driving force and $600\ \text{N}$ of friction. Find its acceleration.

First find the resultant force: $3000 - 600 = 2400\ \text{N}$. Then

$$a = \frac{F}{m} = \frac{2400}{1200} = 2.0\ \text{m/s}^2$$

Motion in a circle

A resultant force at right angles to the motion does not change the speed. It changes the direction, so the object moves in a circle at a steady speed. This is circular motion 圆周运动. The force always points towards the centre of the circle: the pull of the string on a whirling ball, or the gravity of the Sun on a planet.

For an object moving in a circle:

  • a bigger force is needed to keep the same mass moving at a higher speed in a circle of the same radius 半径;
  • a bigger force makes the same mass at the same speed move in a smaller circle (a smaller radius);
  • a bigger mass needs a bigger force to keep the same speed and the same radius.

Friction

Friction 摩擦力 is the force between two surfaces that touch. It tries to stop motion and makes things heat up. Drag (friction in a liquid or gas, like air resistance) also slows objects down.

Moments — the turning effect

The moment 力矩 of a force is its turning effect about a pivot 支点.

$$\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$$

The unit is the newton metre (N m).

Principle of moments 力矩原理: when an object is balanced (in equilibrium 平衡),

$$\text{total clockwise moment} = \text{total anticlockwise moment}$$

An object is in equilibrium when there is no resultant force and no resultant moment.

Worked example. A $30\ \text{N}$ weight sits $0.20\ \text{m}$ to the left of a pivot. How far to the right must a $20\ \text{N}$ weight sit to balance the beam?

Balanced, so anticlockwise moment $=$ clockwise moment:

$$30 \times 0.20 = 20 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{6.0}{20} = 0.30\ \text{m}$$

Checking the principle by experiment. Balance a metre rule at its centre on a pivot. Hang a known weight on each side and move them until the rule balances again. Measure each distance from the pivot. Force × distance on the left equals force × distance on the right, within the small errors of measurement, so there is no resultant moment on a balanced object.

Centre of gravity

The centre of gravity 重心 is the single point where all the weight of an object seems to act.

For a flat shape (lamina 薄片), hang it from a pin and let it settle; draw a vertical line down from the pin using a plumb line. Repeat from another point. The centre of gravity is where the lines cross.

The stability 稳定性 of an object depends on where its centre of gravity is. An object is more stable 稳定 when its centre of gravity is low and its base is wide. It tips over when a vertical line down from the centre of gravity passes outside the base.

日本語
モーメントの原理
フークの法則と弾性限度

力は押しまたは引きです。力は物体の形状、速さ、または方向を変えることができます。

伸長(フークの法則)

バネに荷重をかけると伸びます。この伸びを変位と呼びます。

荷重-変位グラフでは、最初は直線になります:変位は荷重に比例します。直線から外れる点が比例限界です。

荷重-伸びグラフ:原点を通る直線が、ある点を超えると曲がる様子が描かれている
荷重は比例限界まで伸びに比例する。それ以降、直線は曲がる

実験のやり方。 クランプからスプリングを吊るし、その隣に定規を立てる。荷重をかけないときのスプリング下端の位置を読み取り、これが元の長さである。荷重を1つずつ加える(例:1 Nごと)。そのたびに新しい長さを記録する。伸びは「新しい長さ − 元の長さ」で求める。y軸に荷重、x軸に伸びをとってプロットする。

ばね定数とは、単位伸びあたりの力である:

$$k = \frac{F}{x}$$

大きな$k$は、硬いスプリングを意味する。

合力とニュートンの法則

一直線上にある力を足して合力を求める(一方向きを正、他方を負とする)。

  • 合力がゼロなら、物体は静止したまままたは一定の速さで一直線に進む。(ニュートンの第一法則。)
  • 合力がゼロでなければ、物体は力の向きに加速する:
$$F = ma$$
地面にある箱に4つの矢印が描かれた図:垂直抗力が上、重力が下、押す力が右、摩擦力が左
自由体図では、箱にかかっているすべての力が矢印とラベルで示されている

** worked example.** $1200\ \text{kg}$ の車が $3000\ \text{N}$ の駆動力と $600\ \text{N}$ の摩擦を受けている。加速度を求めよ。

まず合力を求める:$3000 - 600 = 2400\ \text{N}$。次に

$$a = \frac{F}{m} = \frac{2400}{1200} = 2.0\ \text{m/s}^2$$

円運動

運動方向に直角な合力は速さを変えない。しかし向きを変えるため、物体は一定の速さで円を描くように動く。これを円運動という。力は常に円の中心に向かう(回転するボールへの紐の張力や、太陽の惑星に対する重力など)。

円運動をする物体について:

  • 同じ質量を同じ半径の円でより速く保つには、より大きな力が必要である;
  • より大きな力は、同じ質量・同じ速さの物体をより小さい円(より小さな半径)で動かす;
  • 質量が大きいほど、同じ速さと同じ半径を保つにはより大きな力が必要である。

摩擦力

摩擦力とは、接触している2つの表面の間で働く力である。運動を妨げようとし、物を熱くする。ERA(液体や気体中での摩擦、空気抵抗など)も物体を減速させる。

モメント — 回転効果

力のモメントとは、支点回りの回転効果のことである。

$$\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$$

単位はニュートンメートル (N m) である。

モーメントの原理: 物体がつり合っている(平衡状態)とき、

$$\text{total clockwise moment} = \text{total anticlockwise moment}$$

合力および合力モーメントがゼロのとき、物体は平衡状態にある。

中央の支点につり合ったビームに、両側に力と距離が描かれた図
時計回りのモーメントと反時計回りのモーメントが等しいとき、ビームはつり合う

** worked example.** $30\ \text{N}$ の重りが支点の左側 $0.20\ \text{m}$ に置かれている。 $20\ \text{N}$ の重りを右側に何cmおけばビームがつり合うか?

つり合っているので、反時計回りのモーメント $=$ 時計回りのモーメント:

$$30 \times 0.20 = 20 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{6.0}{20} = 0.30\ \text{m}$$

実験による確認。 メートル定規を支点で中央につり合わせる。両側に既知の重りを吊るし、定規が再びつり合うように移動させる。支点からの距離を測定する。左側の「力 × 距離」と右側の「力 × 距離」は、測定誤差の範囲内で等しくなる。つまり、つり合った物体には合力モーメントがない。

重心

重心とは、物体の全重量が作用しているかのように見える単一の点である。

平面形状(板状物)については、ピンで吊るして静寂させ、鉛直糸を使ってピンの位置から垂直線を引く。別の点でも繰り返す。交わった点が重心である。

物体の安定性は重心の位置に依存する。重心が低く、底面が広いほど安定している。重心から下ろした垂直線が底面の外に出たときに転倒する。

Explore · ⁨探索⁩

Forces & Newton's laws · ⁨力とニュートンの法則⁩

F = ma (resultant) · ⁨F = ma (合力)⁩

The resultant force sets the acceleration; balanced forces ⇒ none. · ⁨合力が加速度を決め、釣り合った力则有 ⇒ 加速度なし。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
moment/ˈməʊmənt/ 時点
pivot/ˈpɪvət/ 支点
principle of moments/ˈprɪnsɪpl ɒv ˈməʊmənts/ モーメントの法則
equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ 平衡
centre of gravity/ˈsentə ɒv ˈɡrævɪti/ 重心
lamina/ˈlæmɪnə/ 薄板(ラミナ)
stability/stəˈbɪlɪti/ 安定性
stable/ˈsteɪbl/ 安定
1.6

Momentum · ⁨運動量⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
Core Supplement
1 Define momentum as mass $\times$ velocity; recall and use the equation $p = mv$
2 Define impulse as force $\times$ time for which force acts; recall and use the equation $\text{impulse} = F\Delta t = \Delta(mv)$
3 Apply the principle of the conservation of momentum to solve simple problems in one dimension
4 Define resultant force as the change in momentum per unit time; recall and use the equation $F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English
Conservation of momentum in a collision

Momentum is mass times velocity. It is a vector.

$$p = mv$$

Impulse 冲量 is the force times the time it acts, and it equals the change in momentum:

$$\text{impulse} = F\,\Delta t = \Delta(mv)$$

So the resultant force is the change in momentum per unit time:

$$F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$$

Conservation of momentum 动量守恒: when objects collide and no outside force acts, the total momentum before equals the total momentum after.

$$m_1 u_1 + m_2 u_2 = m_1 v_1 + m_2 v_2$$

(Here $u$ is a velocity before and $v$ is a velocity after.)

Worked example. A $2.0\ \text{kg}$ trolley moving at $3.0\ \text{m/s}$ hits a stationary $1.0\ \text{kg}$ trolley and they stick together. Find their common velocity afterwards.

Total momentum is conserved, so

$$(2.0 \times 3.0) + (1.0 \times 0) = (2.0 + 1.0)\,v \quad\Rightarrow\quad v = \frac{6.0}{3.0} = 2.0\ \text{m/s}$$
日本語
衝突における運動量の保存

運動量は質量×速度である。ベクトルである。

$$p = mv$$

インパルスとは、力が働いた時間との積であり、運動量の増分に等しい:

$$\text{impulse} = F\,\Delta t = \Delta(mv)$$

したがって、合力は単位時間あたりの運動量の増分である:

$$F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$$

運動量の保存: 物体が衝突して外力が働かない場合、衝突前の運動量の総和は衝突後の運動量の総和に等しい。

$$m_1 u_1 + m_2 u_2 = m_1 v_1 + m_2 v_2$$

(ここで $u$ は衝突前の速度、$v$ は衝突後の速度である。)

** worked example.** $2.0\ \text{kg}$ のカートが $3.0\ \text{m/s}$ で走っており、静止している $1.0\ \text{kg}$ のカートに衝突して一体化する。その後の共通速度を求めよ。

運動量は保存されるので、

$$(2.0 \times 3.0) + (1.0 \times 0) = (2.0 + 1.0)\,v \quad\Rightarrow\quad v = \frac{6.0}{3.0} = 2.0\ \text{m/s}$$
Explore · ⁨探索⁩

Momentum in a collision · ⁨衝突時の運動量⁩

Set the masses and speeds and collide them. Total momentum is conserved. · ⁨質量と速度を設定して衝突させます。運動量の保存則が成立します。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
momentum/məʊˈmentəm/ 運動量
electric field strength/ɪˈlektrɪk fiːld streŋθ/ 電界の強さ
gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ 重力場の強さ
resultant/rɪˈzʌltənt/ 合力
motion/ˈməʊʃn/ 運動
impulse/ˈɪmpʌls/ lv ra
conservation of momentum/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv məʊˈmentəm/ 運動量の保存
stored/stɔːd/ 存储的
kinetic/kɪˈnetɪk/ 運動エネルギー
gravitational potential/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl/ 重力ポテンシャル
chemical/ˈkemɪkl/ 化学エネルギー
elastic (strain)/ɪˈlæstɪk/ 弾性(ひずみ)
nuclear/ˈnjuːklɪə/ 原子核
electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ 静電気的
internal (thermal)/ɪnˈtɜːnl/ 内部(熱)エネルギー
transferred/trænsˈfɜːd/ 移る(transferred)
principle of conservation of energy/ˈprɪnsɪpl ɒv ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ エネルギー保存の法則
Sankey diagram/ˈsæŋki ˈdaɪəɡræm/ サンキー図
wasted/ˈweɪstɪd/ 無駄
work done/wɜːk dʌn/ 気体が行う仕事
joule/dʒuːl/ ジュール
1.7

Energy, work and power · ⁨エネルギー、仕事、出力⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English

1.7.1 Energy

Core Supplement
1 State that energy may be stored as kinetic, gravitational potential, chemical, elastic (strain), nuclear, electrostatic and internal (thermal)
2 Describe how energy is transferred between stores during events and processes, including examples of transfer by forces (mechanical work done), electrical currents (electrical work done), heating, and by electromagnetic, sound and other waves
4 Recall and use the equation for kinetic energy $E_k = \frac{1}{2}mv^2$
5 Recall and use the equation for the change in gravitational potential energy $\Delta E_p = mg\Delta h$
3 Know the principle of the conservation of energy and apply this principle to simple examples including the interpretation of simple flow diagrams 6 Know the principle of the conservation of energy and apply this principle to complex examples involving multiple stages, including the interpretation of Sankey diagrams

1.7.2 Work

Core Supplement
1 Understand that mechanical or electrical work done is equal to the energy transferred
2 Recall and use the equation for mechanical working $W = Fd = \Delta E$

1.7.3 Energy resources

Core Supplement
1 Describe how useful energy may be obtained, or electrical power generated, from: (a) chemical energy stored in fossil fuels (b) chemical energy stored in biofuels (c) water, including the energy stored in waves, in tides and in water behind hydroelectric dams (d) geothermal resources (e) nuclear fuel (f) light from the Sun to generate electrical power (solar cells) (g) infrared and other electromagnetic waves from the Sun to heat water (solar panels) and be the source of wind energy including references to a boiler, turbine and generator where they are used 4 Know that radiation from the Sun is the main source of energy for all our energy resources except geothermal, nuclear and tidal
2 Describe advantages and disadvantages of each method in terms of renewability, availability, reliability, scale and environmental impact 5 Know that energy is released by nuclear fusion in the Sun
6 Know that research is being carried out to investigate how energy released by nuclear fusion can be used to produce electrical energy on a large scale
3 Understand, qualitatively, the concept of efficiency of energy transfer 7 Define efficiency as: (a) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful energy output)}}{\text{(total energy input)}} (\times 100\%)$ (b) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful power output)}}{\text{(total power input)}} (\times 100\%)$ recall and use these equations

1.7.4 Power

Core Supplement
1 Define power as work done per unit time and also as energy transferred per unit time; recall and use the equations (a) $P = \frac{W}{t}$ (b) $P = \frac{\Delta E}{t}$
日本語

1.7.1 エネルギー

コア サプリメント
1 エネルギーが運動エネルギー、重力位置エネルギー、化学エネルギー、弾性(歪み)エネルギー、核エネルギー、静電気エネルギー、および内部(熱的)エネルギーとして蓄えられることを述べる
2 事象やプロセス中でのエネルギーの移動について記述し、力のによる移動(機械的仕事)、電流による移動(電気的仕事)、加熱、および電磁波、音波その他の波による移動の例を含む
4 運動エネルギーの方程式 $E_k = \frac{1}{2}mv^2$ を暗記して使用する
5 重力ポテンシャルエネルギーの変化の方程式 $\Delta E_p = mg\Delta h$ を暗記して使用する
3 エネルギー保存の原理を理解し、単純な例(簡単なフロー図の解釈を含む)に適用する。 6 複雑な例(複数の工程を含む、サンキー図の解釈を含む)にエネルギー保存の原理を適用できる。

1.7.2 仕事

コア サプリメント
1 機械的または電気的仕事は、移動したエネルギーに等しいことを理解すること
2 機械的仕事の式$W = Fd = \Delta E$を記憶して適用すること

1.7.3 エネルギー資源

コア サプリメント
1 以下の方法による有用エネルギーの生成または電気電力の発生について説明する: (a) 化石燃料に蓄積された化学エネルギー (b) バイオ燃料に蓄積された化学エネルギー (c) 水、および波、潮、水力発電ダムの背後に蓄積されたエネルギー (d) 地熱資源 (e) 核燃料 (f) 太陽からの光による電気電力発生(太陽電池) (g) 太陽からの赤外線および他の電磁波による給湯(太陽熱パネル)および風力発生源としての役割(ボイラー、タービン、発電機の使用時を含める)。 4 地熱、原子力、潮汐以外のすべてのエネルギー源の主なエネルギー源は太陽放射であることを知る。
2 各方法の再生可能性、入手可能性、信頼性、規模、環境影響の観点からの利点と欠点を説明する。 5 太陽では核融合によってエネルギーが放出されることを知る。
6 核融合によって放出されるエネルギーを大規模に電気エネルギーに変換する方法の研究が進められていることを知る
3 エネルギー転換の効率性の概念を、定性的に理解する 7 効率性を次のように定義する:(a) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful energy output)}}{\text{(total energy input)}} (\times 100\%)$ (b) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful power output)}}{\text{(total power input)}} (\times 100\%)$ これらの式を記憶し、使用できる

1.7.4 出力

コア サプリメント
1 出力を、単位時間あたりの仕事、および単位時間あたりのエネルギー移動として定義し、以下の式を記憶して適用すること:(a) $P = \frac{W}{t}$ (b) $P = \frac{\Delta E}{t}$

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Energy stores

Energy can be stored 储存 in different ways: kinetic 动能, gravitational potential 重力势能, chemical 化学能, elastic (strain) 弹性势能, nuclear 核能, electrostatic 静电能, and internal (thermal) 内能.

Energy is transferred 转移 between stores by forces (mechanical work), by electric currents, by heating, and by waves (such as light and sound).

Kinetic and potential energy

Kinetic energy is the energy of a moving object:

$$E_k = \frac{1}{2}mv^2$$

The change in gravitational potential energy when an object goes up or down by a height $\Delta h$:

$$\Delta E_p = mg\,\Delta h$$

Conservation of energy

The principle of conservation of energy 能量守恒定律 says energy is never made or destroyed; it only moves between stores. A falling object turns gravitational potential energy into kinetic energy. A Sankey diagram 桑基图 shows how the input energy splits into useful energy and wasted 浪费 energy.

Worked example. A $0.50\ \text{kg}$ ball is dropped from a height of $1.8\ \text{m}$. Ignoring air resistance, find its speed just before it lands. (Take $g = 10\ \text{m/s}^2$.)

All the gravitational potential energy becomes kinetic energy, so $\tfrac{1}{2}mv^2 = mg\,\Delta h$. The mass cancels, leaving $v^2 = 2g\,\Delta h$:

$$v = \sqrt{2 \times 10 \times 1.8} = \sqrt{36} = 6.0\ \text{m/s}$$

Because the mass cancels, every object dropped from this height would land at the same speed.

Work

Work done 做功 equals the energy transferred. When a force moves an object:

$$W = Fd = \Delta E$$

The unit of work and energy is the joule 焦耳 (J).

Power

Power 功率 is the work done (or energy transferred) per unit time.

$$P = \frac{W}{t} = \frac{\Delta E}{t}$$

The unit is the watt 瓦特 (W). $1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$.

Efficiency

Efficiency 效率 tells you how much of the input energy becomes useful energy.

$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} \times 100\%$$

Efficiency is always less than 100% because some energy is always wasted (usually as heat). The same idea works with power:

$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful power output}}{\text{total power input}} \times 100\%$$

Worked example. A motor is supplied with $200\ \text{J}$ of electrical energy and lifts a load, giving it $150\ \text{J}$ of gravitational potential energy. Find its efficiency.

$$\text{efficiency} = \frac{150}{200} \times 100\% = 75\%$$

Energy resources

We generate electricity from many energy resources. Most spin a turbine that drives a generator – often by boiling water to make steam (fossil fuels, nuclear fuel, geothermal, biofuels), or directly by moving water or air (hydroelectric, waves, tides, wind). Solar cells make electricity from sunlight directly; solar panels heat water.

Resource Renewable? Notes
fossil fuels (coal, oil, gas) no reliable, high output, but CO₂ and pollution
nuclear fuel no huge output, no CO₂, but radioactive waste
biofuels yes roughly carbon-neutral if replanted
hydroelectric yes reliable, but a dam floods land
wind yes clean, but intermittent
solar yes clean, but only in daylight
geothermal / tidal yes reliable but limited to certain places

When you compare resources, use these five ideas: renewability 可再生性 (will it run out?), availability 可用性 (is it always there? the wind can drop and the Sun sets), reliability 可靠性 (does it give a steady output?), scale 规模 (how much energy can it supply?) and environmental impact 环境影响 (pollution, carbon dioxide, land flooded by a dam).

Most of these trace back to the Sun (fossil fuels are ancient stored sunlight; wind and waves come from solar heating) – the exceptions are geothermal, nuclear, and tidal energy. The Sun itself is powered by nuclear fusion 核聚变, joining hydrogen nuclei into helium. Scientists are researching how to use fusion in power stations on Earth, but no fusion reactor yet gives out more electrical energy than it uses.

日本語

エネルギー貯蔵

エネルギーは異なる方法で蓄えられる:運動エネルギー、重力ポテンシャルエネルギー、化学エネルギー、弾性(歪み)エネルギー、核エネルギー、静電エネルギー、内部エネルギー(熱エネルギー)。

エネルギーは力(機械的仕事)、電気回路、加熱、波(光や音など)によって貯蔵間を移動する。

青空の下、海に立つ白い風力発電タービンの列
風力発電タービンは、動く空気の運動エネルギーから電気エネルギーへ変換する

運動エネルギーとポテンシャルエネルギー

運動エネルギーとは、動く物体の持つエネルギーである:

$$E_k = \frac{1}{2}mv^2$$

物体が高さ$\Delta h$ だけ上昇または下降したときの重力ポテンシャルエネルギーの変化:

$$\Delta E_p = mg\,\Delta h$$

エネルギー保存則

エネルギー保存の法則は、エネルギーは創生も消滅もしず、ただ貯蔵間を移動するのみであると述べる。落下する物体は重力ポテンシャルエネルギーを運動エネルギーに変換する。サンキー図は、入力エネルギーが有効エネルギーと散逸エネルギーにどのように分配されるかを示す。

振り子の最高点2つと最低点を示した図で、振動の高さが記されている
エネルギーは重力位置エネルギー(最高点)と運動エネルギー(最低点)の間で移動する
カーブしたレールを下りるローラーコースター、背後には高い丘がある
ローラーコースターでは、山の頂上に蓄えられた重力位置エネルギーが、車両が加速して下りる際に運動エネルギーに変換される

** worked example.** $0.50\ \text{kg}$のボールを高さ$1.8\ \text{m}$から落下させる。空気抵抗を無視して、着地直前の速度を求めよ。($g = 10\ \text{m/s}^2$とする。)

すべての重力位置エネルギーが運動エネルギーになるため、$\tfrac{1}{2}mv^2 = mg\,\Delta h$となる。質量は約分され、$v^2 = 2g\,\Delta h$が残る:

$$v = \sqrt{2 \times 10 \times 1.8} = \sqrt{36} = 6.0\ \text{m/s}$$

質量が約分されるため、この高さから落下するあらゆる物体は同じ速度で着地する。

仕事

行われた仕事は移転されたエネルギーに等しい。ある力が物体を動かすとき:

$$W = Fd = \Delta E$$

仕事とエネルギーの単位はジュール (J) である。

出力

出力とは、単位時間あたりに行われた仕事(または移転されたエネルギー)のことである。

$$P = \frac{W}{t} = \frac{\Delta E}{t}$$

単位はワット (W) である。$1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$。

効率

効率は、入力エネルギーのうち有効なエネルギーにどれだけ変化したかを示す。

$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} \times 100\%$$

効率は常に100%未満である。なぜなら、必ず何らかの形でエネルギーが散逸するからである(通常は熱として)。同じ考え方は出力にも当てはまる:

$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful power output}}{\text{total power input}} \times 100\%$$

** worked example.** モーターに$200\ \text{J}$の電気エネルギーが供給され、負荷を持ち上げて重力位置エネルギー$150\ \text{J}$を与えた。その効率を求めよ。

$$\text{efficiency} = \frac{150}{200} \times 100\% = 75\%$$
広い入力帯が有効な帯と散逸した帯に分かれるサンキー図
このモーターのサンキー図:帯の幅はエネルギーに比例しており、200 Jの入力は150 Jの有効エネルギーと50 Jの熱としての散逸エネルギーに分割される

エネルギー資源

私たちは様々なエネルギー資源から電力を生産している。多くはタービンを回転させ、それが発電機を駆動する——水蒸気を作るために水を沸騰させることで(化石燃料、核燃料、地熱、バイオ燃料)、または水や空気の動きで直接駆動することで(水力発電、波浪、潮位差、風力)。太陽電池は日光から直接電力を作り、太陽光パネルは水を加熱する。

資源 再生可能? 備考
化石燃料(石炭、石油、天然ガス) いいえ 安定性が高く、大規模だが、CO₂と汚染を含む
核燃料 いいえ 巨大な出力、CO₂排出なし、しかし放射性廃棄物あり
バイオ燃料 はい 再植栽すればほぼカーボンニュートラル
水力発電 はい 安定性が高いが、ダムにより土地が濫する
風力 はい 清浄だが、間欠的である
太陽光 はい 清浄だが、日中のみ利用可能
地熱 / 潮汐 はい 安定性が高いが、特定の地域に限定される

資源を比較する際は、以下の5つの観点を用いる:再生可能性(枯渇するか?)、可用性(常に存在するか? 風が弱まったり太陽が沈んだりすることもある)、信頼性(安定した出力を得られるか?)、スケール(どの程度のエネルギーを供給できるか)、および環境影響(汚染、二酸化炭素、ダムの氾濫による土地損失)。

これらのほとんどの源は太陽に由来する(化石燃料は古代に蓄積された日光であり、風や波浪は太陽熱によるものである)。例外は地熱、核エネルギー、潮汐エネルギーである。太陽自体は核融合によって動力を得ており、水素原子核が結合してヘリウムになっている。科学者たちは地球の発電所で融合を利用する方法を研究しているが、まだ融合炉で得られる電気エネルギーが消費量を上回るものは存在しない。

Explore · ⁨探索⁩

Energy flow & efficiency · ⁨エネルギーの流れと効率⁩

Input energy splits into useful output and wasted energy; efficiency is the useful fraction, and the total is always conserved. · ⁨入力エネルギーは有用な出力と散逸エネルギーに分かれ、効率は有用な割合であり、総エネルギーは常に保存される。⁩

Explore · ⁨探索⁩

Conservation of energy · ⁨エネルギー保存の法則⁩

Drop the object: GPE turns into KE, and the total stays the same when there's no friction. · ⁨物体を落下させます:重力位置エネルギーが運動エネルギーに変換され、摩擦がない場合総エネルギーは一定です。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
measurement/ˈmeʒəmənt/ 測定
ruler/ˈruːlə/ 支配者
measuring cylinder/ˈmeʒərɪŋ ˈsɪlɪndə/ メジャーリングカップ
meniscus/ˈmenɪskəs/ 弯月面
stopwatch/ˈstɒpwɒtʃ/ ストップウォッチ
digital timer/ˈdɪdʒɪtl ˈtaɪmə/ デジタルタイマー
reaction time/rɪˈækʃn taɪm/ 反応時間
measure many and divide/ˈmeʒə ˈmeni ænd dɪˈvaɪd/ 多数測定して平均を取る
pendulum/ˈpendjʊləm/ 振り子
period/ˈpɪərɪəd/ 周期の変化率である
uncertainty/ʌnˈsɜːtənti/ 不確実性
scalar quantity/ˈskeɪlə ˈkwɒntɪti/ スカラー量
energy/ˈenədʒi/ エネルギー
temperature/ˈtemprɪtʃə/ 温度
power/ˈpaʊə/ 電力
watt/wɒt/ ワット
efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ 効率
renewability/rɪˌnjuːəˈbɪlɪti/ 再生可能性
availability/əˌveɪləˈbɪlɪti/ 可用性
reliability/rɪˌlaɪəˈbɪlɪti/ 信頼性
scale/skeɪl/ スケール
environmental impact/enˌvaɪrənˈmentl ˈɪmpækt/ 環境への影響
nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ 核融合
1.8

Pressure 压强 · ⁨圧力⁩

Syllabus · ⁨シラバス⁩
English
Core Supplement
1 Define pressure as force per unit area; recall and use the equation $p = \frac{F}{A}$
2 Describe how pressure varies with force and area in the context of everyday examples
3 Describe, qualitatively, how the pressure beneath the surface of a liquid changes with depth and density of the liquid 4 Recall and use the equation for the change in pressure beneath the surface of a liquid $\Delta p = \rho g \Delta h$
日本語
コア サプリメント
1 圧力を、単位面積あたりの力として定義し、式$p = \frac{F}{A}$を記憶して適用すること
2 日常の例の文脈において、圧力が力および面積とともにどのように変化するかを記述すること
3 液体表面下における圧力が深さと密度にどのように変化するかを、定性的に説明する 4 液体表面下の圧力の変化に関する式 $\Delta p = \rho g \Delta h$ を記憶し、使用できる

Source: Cambridge International syllabus · ⁨出典: Cambridge International シラバス⁩

English

Pressure is the force per unit area.

$$p = \frac{F}{A}$$

The unit is the pascal 帕斯卡 (Pa). $1\ \text{Pa} = 1\ \text{N/m}^2$.

A small area gives a large pressure (a sharp knife cuts well). A large area gives a small pressure (snowshoes stop you sinking).

Pressure in a liquid

In a liquid, pressure increases with depth 深度 and with the liquid's density:

$$\Delta p = \rho g \,\Delta h$$

This is why a dam is built thicker at the bottom, where the water pressure is greatest. Pressure in a liquid acts in all directions.

Worked example. Find the extra pressure at a depth of $2.0\ \text{m}$ in water (density $1000\ \text{kg/m}^3$, $g = 10\ \text{N/kg}$).

$$\Delta p = \rho g\,\Delta h = 1000 \times 10 \times 2.0 = 20\,000\ \text{Pa}$$
日本語

圧力とは、単位面積あたりの力である。

$$p = \frac{F}{A}$$

単位はパスカル (Pa) である。$1\ \text{Pa} = 1\ \text{N/m}^2$。

小さな面は大きな圧力を生む(鋭利なナイフはよく切れる)。大きな面は小さな圧力を生む(雪上靴は沈み込むのを防ぐ)。

液体中の圧力

液体中では、圧力は深さと液体の密度とともに増加する:

$$\Delta p = \rho g \,\Delta h$$

これがダムの下部が厚く造られている理由である。水深最深的部分で水圧が最大だからだ。液体中の圧力はあらゆる方向に働く。

側壁の外側へ矢印が突き出ている液体タンク、矢印の長さは深さとともに増える
液体が深いほど圧力も大きくなるため、壁に対する外向きの押し出しは深さとともに増大する
湖を堰き止める巨大な湾曲コンクリート壁のフーバーダム
実際のダムは下部が非常に厚く造られており、最も深いところで水が最も強く押し寄せてくるためである

** worked example.** 水深$2.0\ \text{m}$における追加の圧力を求めよ(水密度$1000\ \text{kg/m}^3$、$g = 10\ \text{N/kg}$)。

$$\Delta p = \rho g\,\Delta h = 1000 \times 10 \times 2.0 = 20\,000\ \text{Pa}$$
Explore · ⁨探索⁩

Pressure · ⁨圧力⁩

p = ρg·h

Pressure in a liquid is proportional to depth. · ⁨液体の圧力は深さに比例する。⁩

Vocabulary · ⁨語彙⁩ Train · ⁨練習する⁩
English 日本語
pressure/ˈpreʃə/ 圧力
pascal/ˈpæskl/ パスカル
depth/depθ/ 奥行き
1.8

Exam tips · ⁨試験対策⁩

English
  • On a distance–time graph the gradient is the speed; on a speed–time graph the gradient is the acceleration and the area under the line is the distance travelled. Never read one graph as if it were the other.
  • Mass (kg) is the amount of matter and is the same everywhere; weight (N) is the force of gravity, $W = mg$. On the Moon your mass is unchanged but your weight is smaller.
  • Speed is a scalar; velocity is a vector. Something moving at steady speed around a curve is still accelerating, because its direction keeps changing.
  • In Hooke's law, load is proportional to extension only up to the limit of proportionality. Use the extension (stretched length − original length), never the whole length.
  • Momentum $p = mv$ is conserved in a collision. Give each velocity a $+$ or $-$ sign for its direction before you add them.
  • Convert units first (cm → m, g → kg). Use $p = F/A$ for a solid pressing on a surface, but $p = \rho g h$ for the pressure inside a liquid — they are different formulas.
日本語
  • 距離–時間グラフの傾きは速度、速度–時間グラフの傾きは加速度であり、線の下にある面積は移動した距離である。一つのグラフを別のグラフのように読み取ってはいけない。
  • 質量 (kg) は物質の量を表し、どこでも一定である;重量 (N) は重力の力であり、$W = mg$。月面上では質量は変わらないが、重量は小さくなる。
  • 速さはスカラー、速度はベクトルである。一定の速さでカーブを描いて動く物体でも、方向が常に変化するため、依然として加速している。
  • フークの法則において、負荷は比例限度まで伸長に比例する。伸長(引き伸ばされた長さ − 元の長さ)を使用し、全長を使用してはいけない。
  • 運動量$p = mv$は衝突時に保存される。加算する前に、各速度に対して$+$または$-$の符号を方向として与える。
  • まず単位を変換する(cm → m, g → kg)。固体が表面を押す場合、$p = F/A$を使用するが、液体内部の圧力については$p = \rho g h$を使用する——これらは異なる式である。

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