中3物理【水圧】

このページでは「水圧とは何か」「水圧の問題で押さえておきたいこと」について解説しています。

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1.水圧

■水圧

水の重さによる圧力のこと。


■水圧で押さえたいポイント

 ①水圧は水面からの深さのみで決まる

 ②水深1cmで100Paの水圧

 ③水圧は水と接するすべて面に垂直にはたらく

 

水中にある円柱にはたらく水圧を図でイメージすると以下のようになります。

深くなればなるほど水圧は大きくなるのです。

水圧は水面からの深さのみで決まります。

なぜそうなるのかを説明していきます。

長い計算になるので飛ばしたいひとは→次←

 

水圧は本当に深さのみで決まるのか?

例①

次のような水そうに水が入っていたとします。

この水には重さがあります。

つまり、この水そうの底面にはその重さによる圧力がはたらきます。

 

この水は

$$水の体積(cm^3)=20cm×20cm×10cm=4000cm^3$$

 

水の密度は1g/cm3ですから

$$水の質量(g)=4000cm^3×1g/cm^3=4000g$$

 

100g→1Nとすると

$$水の重さ(N)=40N$$

となります。

 

$$圧力(N/m^2)=力(N)÷面積(m^2)$$

なので

$$面積=400cm^2=\frac{400}{10000}m^2$$

$$水の重さによる圧力=40N÷\frac{400}{10000}m^2$$

$$水の重さによる圧力=1000N/m^2$$

となります。

 

例②

では次の図の場合はどうでしょう。

 

 

水の量が増えましたね。この水そうの底面にはたらく圧力を求めましょう。

 

この水は

$$水の体積(cm^3)=40cm×20cm×10cm=8000cm^3$$

 

水の密度は1g/cm3ですから

$$水の質量(g)=8000cm^3×1g/cm^3=8000g$$

 

100g→1Nとすると

$$水の重さ(N)=80N$$

となります。

 

$$圧力(N/m^2)=力(N)÷面積(m^2)$$

なので

$$面積=800cm^2=\frac{800}{10000}m^2$$

$$水の重さによる圧力=80N÷\frac{800}{10000}m^2$$

$$水の重さによる圧力=1000N/m^2$$

となります。

 

つまり「水の量が増えたから圧力も増加する」とは限らないわけです。

※こんな計算しなくても「力が2倍・面積も2倍→圧力は変わらない」とわかればOK。

 

 

例③

では次の場合。

これも水の量は増えていますね。

 

この水は

$$水の体積(cm^3)=20cm×20cm×20cm=8000cm^3$$

 

水の密度は1g/cm3ですから

$$水の質量(g)=8000cm^3×1g/cm^3=8000g$$

 

100g→1Nとすると

$$水の重さ(N)=80N$$

となります。

 

$$圧力(N/m^2)=力(N)÷面積(m^2)$$

なので

$$面積=400cm^2=\frac{400}{10000}m^2$$

$$水の重さによる圧力=80N÷\frac{400}{10000}m^2$$

$$水の重さによる圧力=2000N/m^2$$

となります。

 

つまり水の量が上へ上へと増えていけば(=深さが増す)圧力は増えるわけです。

※こんな計算しなくても「力は2倍・面積は変化なし→圧力は2倍」とわかればOK。

 

まとめると・・・

・水の重さによる圧力は水面からの深さのみで決まる

・その大きさは水深10cmで1000N/m2水深1cmで100N/m2=100Pa

となります。

 

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2.水圧に関する実験

水圧が水深によって決まることを確かめる実験が2つあります。

 

実験①

ペットボトルにa~cの3か所に穴を開けておき、セロハンテープでふさいでおきます。

このペットボトルに水を入れておきます。(↓の図)

 

a~cのセロハンテープをいっせいにはがすとき、最も勢いよく水が出るのはどの穴でしょう?

・・・

 

答はcです

cは最も水深が深いため、水圧も最も大きいです。

よってcに一番大きな水圧がかかっているため、もっとも勢いよく水が飛び出ます。(↓の図)

 

実験②

下の図のような両端にゴム膜を張った筒があります。

これを水中に沈めることを考えます。

下の図のように沈めたときゴム膜a~dはどうなるでしょうか。

 

まずゴム膜はすべてへこみます。(ふくらむことはない!)

それは、水圧を受けるためです。

 

そしてaとbで比べてみるとaよりもbが深いです。

よってaよりもbの方がへこみが大きいということになります。

 

次にcとdで比べてみるとどちらも同じ深さです。

よってcとdのへこみは同じということになります。(↓の図)

 

 

 

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3.水圧の有名例題

例題1

次のような容器に水を入れたとき、A点・B点・C点にはたらく水圧の向きと大きさを答えよ。

 

(答)

水圧の大きさは水深のみによって決まります

またその大きさは水深1cmで100Paです。

 

それを利用して

A点は水面から5cmの深さです。よって左向きに500Paです。

B点は水面から7.5cmの深さです。よって下向きに750Paです。

C点は水面から2.5cmの深さです。よって上向きに250Paです。

 

 

POINT!!

水圧は水面からの深さのみで決まる

水深1cmで100Paの水圧

水圧は水と接するすべての方向から垂直にはたらく

以上を覚えておく。

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ScienceTeacher
小中高生に数・理を教えている関西の現役塾講師です。
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