進み具合

このコースについて

試験の答案を書いたり重いかばんを持ち続けたりすると、ひどく働いたように感じますが、物理学ではどちらも仕事にはなりません。仕事には厳密な意味があります。力が物体に仕事をするのは、物体が動くときだけで、力のうち運動方向を向く成分だけが関わります。仕事が行われるとエネルギーが移ります。このつながりが、仕事という概念が重要な理由です。

6つの単元は、エネルギーとは何か、力と距離の積としての仕事、運動エネルギー、位置エネルギー、エネルギー保存とジェットコースター、仕事率です。庭師が水平より35°下向きの取っ手に沿って75.0 Nで芝刈り機を25.0 m押すと、仕事は75.0 × 25.0 × cos 35° = 1536 Jで、食品のエネルギーなら0.37 kcalです。運動エネルギーは速度の2乗に比例するので、60 km/hから90 km/hは速度が1.5倍でも制動距離は2.25倍です。式を逆に使うと、100 km/hで約22 Jのテニスボールの質量は57 gとなり、実物の質量に一致します。エネルギーの実験室では、エネルギー棒グラフと摩擦スライダー付きのジェットコースターを動かし、荷物を押したり持ち上げたりして仕事と仕事率を見られます。

コースターが下ると位置エネルギーが運動エネルギーに変わり、次の坂を上ると元へ戻ります。実際のレールや空気は負の仕事をするのでKE + PEは徐々に減りますが、エネルギーは消えません。KE + PE + 熱は一定です。仕事率の単元では1 hp = 746 Wを示し、60 Wの白熱電球が光にするのは約5 Wだけだと説明します。

はじめる前に

仕事は力と距離の積なので、力でニュートンとは何か、運動で速さを知っておくと役立ちます。式には運動エネルギーの2乗と、芝刈り機の問題でのコサインが出てきて、ほとんどの答えに電卓が必要です。

終わったら

力と距離から仕事を、車の運動エネルギーを、箱を持ち上げたりばねを縮めたりして蓄えられる位置エネルギーを計算できるようになります。速さが2倍になると運動エネルギーが4倍になる理由を説明し、ジェットコースターが坂の下で出す速さを予測し、階段を駆け上がる人の仕事率を求め、パソコンの1日の使用量を kWh に直せます。

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このコースの出典 (8)

OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 7.1 Work: the scientific definition (W = F d cos θ, briefcase cases, 1 J = 1 N·m, 1 J lifts a 100 g apple about 1 m, lawn mower 75.0 N at 35° for 25.0 m = 1.54 × 10³ J, 1 kcal = 4186 J, under 10% of food energy goes into work)
7.2 Kinetic energy and the work-energy theorem (KE = ½ m v², 30.0 kg package at 0.500 m/s = 3.75 J, 120 N push with 5.00 N friction over 0.800 m = 92.0 J net, final speed 2.53 m/s, a car at 100 km/h has four times the KE it has at 50 km/h)
7.3 Gravitational potential energy (ΔPE = m g h, reference level, path independence, 0.500 kg cuckoo clock weight raised 1.00 m = 4.90 J, 60.0 kg person landing stiffly from 3.00 m, roller coaster 20.0 m hill: 19.8 m/s, and 20.4 m/s with a 5.00 m/s start, mass cancels)
7.4 Conservative forces and potential energy (spring PE = ½ k x², 0.100 kg toy car, k = 250 N/m, 4.00 cm, 0.180 m rise)
7.5 Nonconservative forces (friction turns mechanical energy into thermal energy)
7.6 Conservation of energy (statement of the law, forms of energy, Table 7.1: 1000 kg car at 90 km/h 3.1 × 10⁵ J, tennis ball at 100 km/h 22 J, mosquito 1.3 × 10⁻⁶ J, daily food intake 1.2 × 10⁷ J, 1 gallon gasoline 1.2 × 10⁸ J, 1 g fat 3.9 × 10⁴ J; efficiency, Table 7.2: cycling and climbing 20%, swimming at the surface 2%, gasoline engine 30%, diesel 35%, coal power plant 42%, electric motor 98%, solar cell 10%)
7.7 Power (P = W ÷ t, 1 W = 1 J/s, 1 hp = 746 W, 60.0 kg woman up 3.00 m stairs in 3.50 s reaching 2.00 m/s = 538 W, Table 7.3: Sun 4 × 10²⁶ W, car 8 × 10⁴ W, person at rest 100 W, heart at rest 8 W, clothes dryer 4 × 10³ W, a 60 W incandescent bulb gives 5 W of light, power plants turn 35 to 40% of fuel energy into electricity, E = P t, 0.200 kW computer 6.00 h a day for 30.0 days = 36.0 kWh, $4.32 at $0.120 per kWh)
g = 9.8 m/s² as in OpenStax examples (NIST standard gravity 9.80665 m/s², physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?gn).

確認日: 2026-10-17