エネルギーとは
1ジュールで100 gのリンゴを約1 m持ち上げられます。時速90 kmで走る1,000 kgの車は、その約310,000倍のエネルギーを持っています。
物を変化させる能力
転がるボール、伸ばした輪ゴム、温かいお茶、充電したスマートフォンの電池には共通点があります。どれも、物を押す、持ち上げる、温める、光らせるといった変化を起こせます。物理学では、この能力をエネルギーと呼び、ジュール（J）という共通の単位で測ります。ジュールという名前は、1840年代に力学的な仕事と熱が同じ量の異なる形であると示したジェームズ・プレスコット・ジュールに由来します。
1ジュールは小さな量です。OpenStaxでは、100 gほどの小さなリンゴを約1 m持ち上げるエネルギーとして説明しています。第4単元で学ぶ式で確かめると、0.1 kg × 9.8 m/s² × 1 m = 0.98 Jとなり、ほぼ1 Jです。食物のエネルギーには、より大きな単位を使います。食品の1キロカロリー（kcal）は4,186 Jで、成人の1日分の食事の推奨エネルギー量は約1.2 × 10⁷ J、つまり1,200万ジュールです。
さまざまな形を取る同じ量
エネルギーには多くの形があり、その名前はどこに蓄えられているかを表します。動く物には運動エネルギーがあります。重力に逆らって物を持ち上げると重力による位置エネルギーが蓄えられ、ばねや弓を変形させると弾性エネルギーが蓄えられます。燃料、食物、電池には化学エネルギーがあります。熱エネルギーは原子や分子の不規則な運動で、私たちは温度として感じ取ります。電気エネルギーは電線を通って伝わり、放射エネルギーは光として進みます。核エネルギーは原子核が分裂したり融合したりするときに放出されます。
運動エネルギーと位置エネルギーを合わせて、力学的エネルギーと呼びます。ブランコやジェットコースターで変化がよく分かる2つの形で、このコースでも主に扱います。力学的エネルギーが別の形へ移るとき、最もよく現れるのは熱です。
エネルギーは生まれず、消えない
エネルギーについて最も役立つ性質は、総量が変わらないことです。OpenStaxはエネルギー保存則を、どのような過程でもエネルギーの総量は一定であり、形が変わったり別の系へ移ったりしても総量は変わらない、と説明しています。車がブレーキをかけても、運動エネルギーは消えません。ブレーキディスクの熱エネルギーになり、ディスクが熱くなります。スマートフォンの充電では電気エネルギーが電池の化学エネルギーになり、後に画面の光や熱に変わります。
エネルギーが保存されるなら、なぜ「使い切る」と言うのでしょうか。それは形によって使いやすさが違うからです。空気中に熱として広がったエネルギーは残っていますが、集めて再利用するのは困難です。石炭火力発電所で電気に変わるのは、燃料の化学エネルギーの約40%で、残りは熱として外へ出ます。第5単元では、この割合を効率という数値で表します。
ドラッグで回転、スクロールまたはピンチで拡大・縮小。
1ジュールはどのくらいか
この表では、OpenStaxの表7.1から身近なエネルギーの量を並べています。その幅は非常に大きく、飛んでいる蚊の運動エネルギーは約100万分の1ジュールですが、1ガロンのガソリンには約1億ジュールが含まれます。科学的記数法を使うと、こうした数値を読みやすく書けます。1.2 × 10⁸は1.2の小数点を8桁右に動かした1億2000万を表します。
| 物体・出来事 | エネルギー（J） |
|---|---|
| 0.5 m/sで飛ぶ蚊（10⁻² g） | 1.3 × 10⁻⁶ |
| 時速100 kmのテニスボール | 22 |
| 脂肪1 g | 3.9 × 10⁴ |
| 時速90 kmの1,000 kgの車 | 3.1 × 10⁵ |
| 成人の1日分の食事 | 1.2 × 10⁷ |
| ガソリン1ガロン | 1.2 × 10⁸ |
車の行は自分でも確かめられます。時速90 kmは25 m/sで、運動エネルギーは½ × 1,000 × 25² = 312,500 J、丸めると3.1 × 10⁵ Jです。第3単元で、この式の成り立ちを説明します。
エネルギーは形を変えずに移ることもあります。熱い鍋は熱伝達で取っ手を温め、電池は電線を通して電球にエネルギーを送り、太陽光は宇宙空間を通って地球へエネルギーを運びます。物理学では「変換」と「移動」を区別します。変換は化学エネルギーが運動エネルギーになるように形が変わることです。移動は、仕事（力が物を動かすこと）や熱（高温から低温への流れ）によって、エネルギーが別の物体や系へ移ることです。次の単元では、仕事を扱います。
| ジュール（J） | エネルギーと仕事の単位：1 J = 1 N·m |
| 運動エネルギー | 運動によるエネルギー |
| 位置エネルギー | 位置や形によって蓄えられるエネルギー（高さや伸ばしたばねなど） |
| 熱エネルギー | 原子や分子の不規則な運動 |
| エネルギー保存則 | 形が変わっても総量は一定 |
| 食品の1キロカロリー（kcal） | 4,186 J |
- エネルギーは物を変化させる能力で、単位はジュールです。
- エネルギーには運動、位置、化学、熱、電気、放射、核などの形があります。
- 力学的エネルギー = 運動エネルギー + 位置エネルギー。
- エネルギーの総量は保存され、形が変わったり移動したりするだけです。
- 熱として広がったエネルギーを再利用するのは困難です。
- エネルギーのSI単位はどれですか？
- ジュール
- ワット
- ニュートン
- ケルビン
- 走っている自転車が主に持っているのは、どの形のエネルギーですか？
- 運動エネルギー
- 核エネルギー
- 弾性エネルギー
- 化学エネルギー
- 車がブレーキで停止すると、運動エネルギーの大部分は何になりますか？
- ブレーキの熱
- 何にもならず消える
- 燃料の化学エネルギー
- 核エネルギー
- 0.1 kgのリンゴを1 m持ち上げるには、何ジュール必要ですか？(g = 9.8 m/s²、小数第2位まで)
- 食品の2キロカロリー（kcal）は何ジュールですか？
- 25 m/sで走る1,000 kgの車の運動エネルギーは何ジュールですか？
- 力学的エネルギーは、何と何の和ですか？
- 運動エネルギーと位置エネルギー
- 熱エネルギーと化学エネルギー
- 電気エネルギーと核エネルギー
- 光エネルギーと音エネルギー
- 実験室で摩擦を加えると、合計の棒はどうなりますか？
- 変わらない
- ゼロまで縮む
- 伸びる
- 上下に変動する
- 石炭火力発電所は燃料のエネルギーの約40%を電気に変えます。残りの大部分はどうなりますか？
- 周囲へ放出される熱になる
- 消滅する
- 新しい石炭に戻る
- 核エネルギーになる
- ガソリン1ガロンと成人の1日分の食事では、どちらが多くのエネルギーを含みますか？
- ガソリンの方が約10倍多い
- 食事の方が約10倍多い
- 同じ
- どちらにもエネルギーはない
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