物理を苦手な人が克服するために意識したいこと②

こんにちは、理系のための大学受験塾SoRa代表の百瀬です。
前回に続いて、物理が苦手な人が克服するために意識してほしいこと②をご紹介していきます。

前回の記事はこちらから
物理が苦手な人が克服するために意識してほしいこと①

前回は用語の定義をしっかりと理解しましょうという話でした。今回はそれが出来た上での話となります。

ある意味、物理の面白いポイントでもあるので、今回の内容を意識してくれれば、物理が嫌いな人も物理を好きになるチャンスです！

それでは行きます。

【この記事を読むべき人】

• 物理のテストの点数がよくない人
• 物理の苦手を克服したい人
• 物理をどのように勉強したらいいか知りたい人

【自己紹介】
百瀬 浩市
「理系のための大学受験塾SoRa」の代表。2024年までで多数の合格者を輩出。生徒の多くが物理が苦手として入塾するが、得意科目へと変えている。

物理の公式に隠されたストーリーを暗記せよ

物理というと、「教科書に書いてある公式を覚えればいいんじゃないの？」という認識があるかもしれませんが、単に覚えれば良い訳ではありません。

その公式がどのように導出されているのか、どんな事象を表した式なのかというストーリーを覚えないと物理を得意にすることはできません。

なかなかピンっと来ない話だと思うので、具体例を交えながらお話をしていきます。

たとえば、高校生の大半が苦手とする「浮力の公式」

浮力の公式自体は、

F=ρ_水Vg

ρ_水：密度 [g/m³]、V：物体の体積 [m³]、g:重力加速度 [m/s²]

となります。

密度ρ_水が「水の密度」であったり、力の向きが分からなかったりと、高校生を悩ませるポイントがいくつかあります。

そこで大事になってくるのが、浮力の公式がどんなストーリーを経て導出されたかです。そのストーリーをふまえずに結果だけ覚えようとすると、何が何だか分からなくなってしまいます。

浮力の公式は、まず、下のような直方体が水中に沈んでいる状況を考えます。

物体には重力がかかるわけなので、重力以外に何も力がかかっていなければ、地上の自由落下運動と同じように、どんどん加速して沈んでいきます。

しかし、実際には物体は地上の自由落下運動のようには落ちていきません。
なぜなら、浮力が上向きにかかっているからです。

では、この浮力の正体は何かと言うと、この物体にかかる水圧差です。

水圧というのは、水が直方体を押す圧力のことを指し、物体に対して全方向から垂直にかかります。水のなかに入ってきた物体を水が押しのけようと全方向から力を加えてきているイメージです。

浮力は、この上下からかかる水圧の差によって生じるので、

浮力＝（物体の上面にかかる水圧による力）ー（物体の下面にかかる水圧による力）

で求めることができます。

「物体の上面にかかる水圧による力」からまず求めていきます。

直方体の上に、同じ面積Sの水柱があると考えると、その水柱の重さ[N]が水圧による力となるので、

（物体の上面にかかる水圧による力の大きさ）
＝体積 × 水の密度 × 重力加速度 =ρ_水hSg[N]

となります。

同様に、「物体の下面にかかる水圧による力」を考えると、

（下面からの水圧による力の大きさ）
=体積 × 水の密度 × 重力加速度 =ρ_水(h+a)Sg[N]

となります。

※下図のように、物体があるところも含めて水柱があると考えます

よって、浮力の大きさは、

浮力＝（物体の上面にかかる水圧による力）ー（物体の下面にかかる水圧による力）

＝ρ_水(h+a)Sg－ρ_水hSg

＝ρ_水aSg

Ｖ＝a×Sなので、

浮力＝ρ_水Vg

これで浮力の公式が導かれました。

この流れを知っていると、物体にかかる浮力を求めるときに、物体の密度ではなく、水の密度を用いている理由が分かると思います。

このように、浮力の公式だけでなく、その公式がどのようなストーリーで求まるのかを覚えることが大切です。

ストーリーを覚えることのメリットは2つ

1つ目は、公式自体が忘れにくくなること。忘れても自分で導き出せるという方が正しいかもしれませんが、ストーリーを思い出しながら公式の導出を毎日のようにやっていると、自然と公式が頭の中にインプットされます。

２つ目は、公式の使い方が分かること。ストーリーとセットで公式を覚える最大のメリットだと思います。公式の導出方法を知っていると、その考え方をもとにして問題の解き方が分かるようになります。

たとえば、浮力の式の話しでいえば、以下のような問題があったとします。

【問題】物体がa/2だけ沈んで水面に浮かんでいる．このとき，物体にかかる浮力の大きさを求めよ．

このとき、公式をただ覚えている人は、

F=ρ_水Vg

ρ水：密度[g/m3]、V：物体の体積[cm3]、g:重力加速度[m/s2]

だったなと考えて、公式と同じ式をたてるはずです。

しかし、ストーリーとセットで覚えている人は、

「上面の水圧と下面の水圧の圧力差によって浮力が生じるよな、、だけど、今回の問題は上半分は地上に出てるから水圧がそもそもない。だから、ちょうど半分の高さのところで物体が半分に別れていると仮定して、下半分の物体の浮力を考えれば良いのか！」（下図参照）

と考えて、以下のような式をたてるはずです。

F=ρ_水(V/2)g

ρ_水：密度 [g/m³]、V：物体の体積 [cm³]、g:重力加速度 [m/s²]

このように、ストーリーとセットで覚えることで、より原理原則に基づいた解き方ができるようになります。もちろん、そういった発想ができるようにするための問題演習は必要ですが、考え方は公式の導出から学ぶことができます。

この姿勢が身に付いているかどうかは、物理が苦手な人と得意な人との決定的な差です。

公式のストーリーを自分で説明できるようになるまでは、何回も繰り返してください。一つの公式をマスターするのに、時間はかかると思います。

しかし、公式を丸暗記した状態でただ問題を解くよりは力がつきます。

物理は本質の原理原則に立ち返って考えるのが非常に重要な科目なので、まずは公式のストーリーという部分に注目して勉強してみてください！

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物理が苦手な人が克服するために意識してほしいこと①

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物理が苦手な人が克服するために意識してほしいこと③