ふりこによる力学的エネルギーの保存

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 「力学的エネルギーの保存」の実験です。エネルギーの概念を言葉だけで理解するのは難しいことです。私は「エネルギーの概念を理解するためには、計算することが不可欠である。」と思います。計算して初めて、増えたり減ったりしない何かがあることを理解できるからです。
 そこで、計算をともなう実験を行っています。ふりこを使って、最高点での位置エネルギーと最下点での運動エネルギーが等しいことを、計算して求めさせます。


実験のポイント

 ふりこの糸をV字型にして、ふりこが安定して振れるようにする。
イ 糸を長くすると、ふりこがゆっくりと大きく振れるので、演示実験として迫力がある。
ウ おもりはできるだけ質量が大きいものにすると正確な値になる。少なくとも100g以上のものにする。

 
 

準備物

おもり(100g) 水糸 ヒートン(2個)  
ビースピ  ものさし50cm スタンド


実験方法

① 天井にヒートンをつけ、おもりをつるす。糸はV字型にする。(天井のヒートンの間隔は70cm、ふりこの長さは約2m)
② 高さ30cmのところから振り子をふる。
③ おもりが最下点に来たときの速さをビースピで測る。

(注)おもりがビースピを1回通り過ぎたら、速やかにビースピを取り除く。


実験結果

最下点での速さは、2.41~2.43(m/s)程度になる。
よって、運動エネルギーは、下の表のようになる。


速さ  運動エネルギー
2.41(m/s)   1/2×0.1kg×2.41m/s×2.41m/s≒0.29(J) 
2.42(m/s)  1/2×0.1kg×2.42m/s×2.42m/s≒0.29(J) 
2.43(m/s)  1/2×0.1kg×2.43m/s×2.43m/s≒0.29(J) 


また、100gの物体にはたらく重力は正確には0.98Nなので、
位置エネルギーは、 0.98N×0.3m≒0.29(J)となる。

この結果から、位置エネルギーが減少した分だけ、運動エネルギーが増加したことが分かる。



その他

実際の授業では、計算によって最下点での速さを予想させてから、実験して確かめる展開にしている。また、100gのおもりにはたらく重力を約1N、として計算させている。(下記参照)

課題 「ふりこの振り始めの高さが30cmだったとすると、おもりが一番低くなった時の速さは何m/sになるだろうか。」 (ただし100gにはたらく重力を約1Nとすること。また、√6≒2.4として計算すること。)

1(N)×0.3(m) =1/2×0.1(kg) ×X^2
0.6=0.1×X^2
6=X^2
X=√6
X≒ 2.4(m/s)
よって 最下点での速さは、約2.4(m/s)

計算した後、実験して、最下点での速さが、約2.4(m/s)であることを確かめる。


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