教員必見！初めての運動エネルギーと仕事の実験ガイド（中３理科・高１物理基礎）
今回は「運動エネルギーと仕事の関係」について行った実験の方法やその結果のまとめ例を紹介します。中３理科１分野や、高１の物理基礎で使える実験です。初めて実験をする先生方も、その一例として実験を見ていただいたり、参考にしていただければと思います。
解析データも公開します。こちらからダウンロードをしてみてください。
運動エネルギーと仕事の実験データ（エクセル）
「エネルギー」は、物体が「仕事をする能力」を持っていることを指します。つまり、動いている物体がどれだけの「仕事」をすることができるのか、それを実験で調べていきます。今回は、速さと質量を変えて、どれくらいの仕事ができるのかを確認しました。実験はシンプルで、必要な道具も身近なものばかりですよ。
今回使用したのは、レールと単三電池、そして物体を転がすためのボールです。
ここで重要なのがビースピですね。これは必ず用意したいところです。色々な実験で使うことができます。
ビースピv
具体的には、ビー玉、鉄球、真鍮の球など、異なる質量のものを用意し、生徒たちが好きなボールを選んで実験を行います。実験では、ボールを転がして単三電池にぶつけ、その時の「速さ」と「電池がどれくらい動いたか」を測定します。
大きいビー玉を使う時は、下駄をはかせるとうまくいきます。
質量を測る時には、カップを使うと便利です。
電子天秤とカップ
グラフを描いてみよう！
ここで重要なのは、ボールが電池にぶつかる直前の速さと、電池がどれくらい動いたかの関係です。縦軸に電池が動いた距離、横軸にボールの速さをとってグラフを描くと、面白いことが分かります。
生徒のとったデータはこちらです。
生徒のグラフ作成例
いくつかのデータをとると、グラフはきれいな曲線を描きます。
この曲線を詳しく調べていくと、速さを二乗したデータを横軸に取ると、グラフがまっすぐ伸びるんです！
これで、速度の二乗に比例して、電池が動いた距離（＝仕事）が決まることがわかりました。
質量との関係もチェック！
さらに、同じ速さでもボールの質量によって動く距離が変わります。例えば、同じ速さで転がした場合、質量が大きいボールほど、電池が遠くまで動くんです！この関係については、上のデータの数式から2m/sの時の速さの時の動いた距離を拾ってきて、グラフにしてみると、質量と仕事は直線的に比例することが見えてきます。
まとめ
今回の実験からわかったのは、「仕事は質量と速度の二乗に比例する」ということです。これは物理のエネルギー式「1/2mv^2」とも関係があるんです。でも、実験では1/2の部分までは正確に到達しません。なぜなら、実際の実験では摩擦やエネルギーの損失が影響してくるからです。
ちょっと難しい内容かもしれませんが、こうした実験を通じて、運動エネルギーや仕事の関係を体感できるのは、とても面白いんですよね！
以下は生徒が行った実験例のデータです。
また位置エネルギーと仕事の実験については、こちらをご覧ください。杭打ち器を買うべきか悩んでいます。
こちらはレールに高さをつけて位置エネルギーと仕事について調べた実験の結果です。
