【中3理科】浮力・水圧の計算としくみを徹底解説！現役教師がテストに出した問題で演習

「水圧って何？そもそも圧力すら分からない…」
「浮力の計算が理解できないからおしえて！」

この記事で分かること 1.水圧は深くなるほど大きくなる 2.浮力は深くても大きさが変わらない 3.浮力・水圧の計算のコツ

中3理科の浮力・水圧は、多くの生徒が苦手意識を持つ分野です。

計算問題は浮力と水圧の両方の理解が必要で、テストや入試で差がつくポイントでもあります。

そこで、現役教師である私が、徹底的に分かりやすく解説します。

基本や実験、練習問題をとおして、徹底的にやさしく解説します。

浮力と水圧は、解くコツさえ分かれば、得意分野にすることも可能です。

けい先生

この記事で苦手意識を克服し、理科のテストで高得点を目指しましょう

この記事で分かること

【水圧のしくみ】深いほど大きくなる
【浮力のしくみ】深くても浅くても変わらない
【テスト対策】浮力と水圧の計算のコツ
【まとめ】浮力と水圧の重要ポイント

【水圧のしくみ】深いほど大きくなる

私たちの身のまわりでも影響を与えている水圧には、次のようなしくみと性質があります。

【水圧とは】

水圧 = 水中の物体が水から受ける圧力
深いところほど大きくなる
※同じ深さでは、あらゆる向きに同じ大きさではたらく

この後、水圧のしくみや性質について詳しく解説しますね。

水圧とは？水の重さによる力

水圧（すいあつ）とは、水中の物体がまわりの水から受ける圧力のことです。

プールに深くもぐったときに感じる、体全体にかかるような水のはたらきが、まさに水圧。

水圧は、ある深さにおいて、その地点より上にある水の重さによって生じる圧力です。

深くなるほど、上にある水の量が増え、その重さが増すため、水圧も大きくなるのです。

水圧には、次の重要な性質があります。

【水圧の性質】

深いところほど大きくなる
同じ深さでは、あらゆる向きに同じ大きさではたらく

実験で分かる水圧の性質

水圧がどのようにはたらくのかを、確認できる実験があります（下図）。

上図のように、水槽に水を入れた状態で、ゴム膜を張った筒を沈めます。結果は次のようになります。

【結果】

筒を深く沈めるほど、ゴム膜は内側に大きくへこむ
同じ深さで筒の向きを変えても、ゴム膜のへこみ方は変わらない

この実験で分かる水圧の性質は、次の2点です。

【実験で考察される水圧の性質】

深いところほど水圧が大きくなる
水圧はあらゆる向きに、同じ大きさではたらく

【復習】力や圧力のしくみ

水圧の理解を深めるために、1年で学んだ力(ちから)、2年で学んだ圧力(あつりょく)について復習しておきましょう。

力（ちから）とは

力は、物体を動かすなどできるはたらきのことです。力には、

【力のはたらき】

物体の形を変える
物体の動き（速さ・向き）を変える
物体を支える

という、3つのはたらきがあります。

力の単位はN（ニュートン）で表されます。

100gの物体にはたらく地球上での重力の大きさは、およそ1Nです（正確には0.98N）。

【力の求め方】

100g=1Nとすると、1kg= 10N

ばねのように、変形した物体が元に戻ろうとする力は弾性力と呼ばれます。フックの法則（ばねののびは、ばねにはたらく力の大きさに比例する）も、力と変形の関係を表す重要な法則です。

圧力（あつりょく）とは

圧力は、単位面積あたりにはたらく力の大きさのことです。どれくらいの力が、どれくらいの面積に集中してはたらいているかを示します。

圧力の単位にはPa(パスカル)が用いられ、1 Pa = 1 N/m²(ニュートンまい平方メートル)です。

【圧力の公式】

圧力[Pa] ＝圧力[N/㎡]
＝面に垂直にはたらく力[N] ÷ 力を受ける面積[㎡]
1 Pa ＝ 1 N/㎡
1 hPa(ヘクトパスカル) ＝ 100 Pa

はたらく力が同じでも、力を受ける面積が小さいほど、圧力は大きくなります。

けい先生

がびょうの先がとがっているのは、小さな面積に力を集中させて大きな圧力を生み出し、かべにささりやすくするためですよ

【浮力のしくみ】深くても浅くても変わらない

ものの浮き沈みに関係がある浮力（ふりょく）には、次のような性質があります。

【浮力とは】

浮力＝水中の物体に水からはたらく上向きの力
浮力の大きさは、水中の物体の体積の大きさで決まる
浮力の大きさは、物体を沈める深さに関係しない
物体の浮き沈みは、重力と浮力の大小関係で決まる

けい先生

水中に物体を入れると、まるで軽くなったように感じた経験はありませんか？これも浮力で説明ができますよ

この章では、浮力のしくみと、水圧との関係、具体的な浮力の計算方法について詳しく解説します。

浮力とは？水圧の差により生じる力

浮力とは、水中の物体に水からはたらく上向きの力のことです。

けい先生

浮力のおかげで、物体が水に浮いたり、軽く感じられたりするのです

なぜ浮力が生まれるのでしょうか？その答えは、水圧の差にあります。

物体を水中に沈めると、その物体にはあらゆる方向から水圧がはたらきます。ここで大切なのは深いところほど水圧が大きいという点です。

物体の上面では、浅いところの水圧が下向きにはたらく
物体の下面では、深いところの水圧が上向きにはたらく

「下面にはたらく上向きの水圧」と「上面にはたらく下向きの水圧」の間に力の差が生まれます。この力の差が、物体を上向きに押し上げる力「浮力」となるのです。

$\ 「力の合成」から考える / 浮力が生じるしくみ浮力の大きさ =下面にかかる力ー上面にかかる力 ※同じ深さのところでは、側面にかかる水圧が同じなので、側面にはたらく力がつり合い、合力は０になる$

上面と下面との間を長くすると、より大きな差が生まれ、浮力が大きくなります。つまり、浮力の大きさが物体が水に沈んでいる部分の体積によって決まることがわかります。

沈んでいる部分の体積が同じであれば、上面と下面の水圧の差は変わらないため、深く沈めても浅く沈めても浮力の大きさは変わらないのです。

浮力の性質をまとめると次のとおりです。

【浮力の性質】

物体が水に沈んでいる部分の体積が大きいほど、浮力は大きくなる
浅く沈めても深く沈めても、浮力は変わらない
物体が浮くか沈むかは、重力と浮力の大小関係で決まる

【公式】浮力の求め方

浮力の大きさは、下図のようにばねばかりを使った簡単な実験で求められます。

浮力測定実験模式図・空中では0.8N ・水中に一部分を沈めたら0.6N ・（浅い）水中に物体をすべて沈めたら0.3N ・（深い）水中に物体をすべて沈めたら0.3N ※水槽、ばねばかり、80gのおもりを用いた

まず、物体を空気中でばねばかりにつるすと、ばねばかりは物体にはたらく重力の大きさを示します。

次に、物体を水中に完全に沈めると、ばねばかりの値は小さくなります。これは、物体には「重力」と「ばねばかりが引く力」に加えて、上向きに浮力がはたらいているためです。

物体が水中で静止しているとき、物体にはたらく3つの力はつり合います。

【水中の物体にはたらく力のつり合い】

下向きの力: 重力（空気中でのばねばかりの示す値）
上向きの力: 水中でばねばかりが引く力（水中で示す値）＋浮力

この関係は、次の式で表すことができます。

重力 = 水中でばねばかりが引く力 + 浮力

上の式から、浮力を求める公式が分かります。

【浮力の公式】

浮力(N) = 空気中での重さ(N) − 水中での重さ(N)

つまり、空気中での重さと水中での重さの差がそのまま浮力の大きさになるのです。

【中3理科】力の合成と分解の作図！合力・分力を平行四辺形で求める方法をやさしく解説理科バリーclub

【中3理科】力の合成と分解の作図！合力・分力を平行四辺形で求める方法をやさしく解説中3理科の力の合成・分解が苦手な方必見！現役教師が、合力・分力の平行四辺形の作図や浮力・斜面の問題を徹底解説。テストで差がつくコツを分かりやすく図解します。...

実験で分かる浮力の大きさ

浮力の大きさを測定する2つの実験をとおして、浮力の性質を解説します。

実験1：浮力の大きさと、物体の深さや質量との関係

浮力測定実験の模式図ばねばかりに物体を吊るし、空気中で測定する様子と、その物体を水中に沈めて再度ばねばかりの値を測定している

上図のような装置と、質量の異なる2つのおもり（小）とおもり（大）を使って、次の手順で実験を行います。

【実験手順】

おもりをばねばかりにつるし、空気中での重力をはかる
おもりを少しずつ水中に沈め、半分水中、水中（浅い）、水中（深い）でのばねばかりの値を記録する

実験の結果の例は、下の表のようになります。

【実験結果の例】

	空気中 (N)	半分水中 (N)	水中（浅い） (N)	水中（深い） (N)
おもりA	0.45	0.40	0.35	0.35
おもりB	0.80	0.70	0.60	0.60

上記の結果より、次のことが考察できます。

【実験の考察】

水中では、物体に上向きに浮力がはたらいている
[理由]ばねばかりが示す値が、物体が水中にあるときの方が、空気中にあるときよりも小さくなっているため
水中に沈む体積が増えるほど、浮力が大きくなる
[理由]おもりが半分だけ沈んでいる状態よりも、完全に沈んでいる状態のほうが、ばねばかりの値が小さくなっているため
浮力の大きさは、水中に沈んでいる深さには関係しない
[理由]おもりが完全に沈んでいる状態であれば、「水中（浅い）」でも「水中（深い）」でも、ばねばかりが示す値が同じであるため