浮く力と密度のクイズ
第1問へ小さな金属の塊は沈むのに、大きな船は水に浮かびます。この違いを考えるときは、重さだけでなく体積、そして押しのける水にも目を向けると整理できます。このクイズでは、密度と浮力の基本から、荷物を積んだ船や水中の物体へ10問で進みます。水は静かで密度が一定、物体は形が変わらず、水を吸わないものとします。小さな針を支える表面張力、流れによる力、底との接触は考えません。計算に使う数値は仕組みを見るための例です。実験で水に入る必要はありません。回答後の図で、上向きの力と下向きの力、浮かぶ深さの関係を見比べてみましょう。
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0 / 10問 回答済み
第1問 ／ 10問
物体の密度を求める基本の計算は？
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答え：質量÷体積
密度は、一定の体積にどれだけの質量が含まれるかを表す量です。質量を体積で割って求め、例えばg/cm³のような単位で表します。大きくて重い物でも、体積も大きければ密度が高いとは限りません。浮くか沈むかを考える際は、物体と液体の密度を同じ単位で比べます。
参考にした資料
- OpenStax「Density」確認日 2026-10-05
- 米国化学会「What is Density?」確認日 2026-10-05
第2問 ／ 10問
質量60 g、体積100 cm³の物体の平均密度は？
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答え：0.6 g/cm³
密度の定義に従って60÷100＝0.6 g/cm³です。一立方センチメートル当たりに直すと何グラムか、という見方になります。60 gという質量だけでは浮き沈みを判断できません。体積を合わせて考えれば、密度1.0 g/cm³の水より平均密度が小さいと比較できます。
参考にした資料
- OpenStax「Density」確認日 2026-10-05
- 米国化学会「What is Density?」確認日 2026-10-05
第3問 ／ 10問
平均密度0.6 g/cm³の物体を、密度1.0 g/cm³の水に置く。条件は導入文のとおり。どうなる？
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答え：水面に一部を出して浮く
物体の平均密度が水より小さいので、全体を沈める前に必要な浮力が得られ、水面に一部を出して浮きます。平均密度は中の空洞も含めた物体全体で考えます。重いか軽いかを日常の印象だけで決めるのではなく、同じ体積の水と比べることが判断の手がかりです。
参考にした資料
- OpenStax「Archimedes’ Principle」確認日 2026-10-05
- 米国化学会「Density: Sink and Float for Solids」確認日 2026-10-05
第4問 ／ 10問
水面で静止して浮く物体に、重力と浮力だけが鉛直に働く。二つの力の大きさは？
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答え：等しい
静止して浮いているとき、上向きの浮力と下向きの重力はつり合っています。浮いているから浮力がいつも重力より大きい、というわけではありません。もし上向きの合力が残れば上向きに加速します。水面で止まった状態と、沈めてから放して上がる途中の状態を区別します。
水面に浮かび静止する物体に、浮力と重力だけが働く場合の模式図です。上向きの浮力と下向きの重力は等しい大きさ。水面と物体の比率は特定の密度を表していません。
参考にした資料
- OpenStax「Archimedes’ Principle」確認日 2026-10-05
- NASA Glenn Research Center「Buoyancy: Archimedes Principle」確認日 2026-10-05
第5問 ／ 10問
アルキメデスの原理では、浮力は何の重さに等しい？
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答え：物体が押しのけた液体の重さ
浮力は、物体が占めた場所から押しのけられた液体に働く重力と同じ大きさです。容器全体の水量を使うのではありません。物体が一部だけ沈んでいるなら、その沈んだ部分が押しのける体積に注目します。質量と力は別の量なので、力として表すときはニュートンなどの単位を使います。
参考にした資料
- OpenStax「Archimedes’ Principle」確認日 2026-10-05
- NASA Glenn Research Center「Buoyancy: Archimedes Principle」確認日 2026-10-05
第6問 ／ 10問
浮いている船に荷物を少し追加し、船は沈没せず再び静止した。押しのける水の量は？
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答え：増える
荷物を加えると船全体に働く重力が増えます。再びつり合うには浮力も増える必要があるので、船は以前より深く沈み、より多くの水を押しのけます。水面から上に見える高さが小さくなるのはこのためです。ここでは船の中に水が入らず、浮かぶ余裕がある範囲を考えています。
同じ船が荷物を加える前後に静止して浮く模式図です。水面を破線で示します。下段は荷物を積み、船体がより深く沈んでいます。船が浸水せず浮かぶ余裕がある場合を表し、荷物の重さや沈む深さは縮尺通りではありません。
参考にした資料
- OpenStax「Archimedes’ Principle」確認日 2026-10-05
- NASA Glenn Research Center「Buoyancy: Archimedes Principle」確認日 2026-10-05
第7問 ／ 10問
同じ物体が淡水と、それより密度の高い液体で静止して浮く。沈んでいる体積が小さいのは？
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答え：密度の高い液体
物体の重力は同じなので、必要な浮力も同じです。密度の高い液体なら、少ない体積でも同じ重さの液体を押しのけられるため、沈む部分の体積は小さくなります。液体が変わると物体自体の質量が軽くなるわけではありません。押しのけた液体の重さをそろえて比較する問いです。
参考にした資料
- OpenStax「Archimedes’ Principle」確認日 2026-10-05
- NASA Glenn Research Center「Buoyancy: Archimedes Principle」確認日 2026-10-05
第8問 ／ 10問
体積が等しい鉄球とアルミ球を、同じ水中に完全に沈めて保持した。浮力の大きさは？
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答え：等しい
どちらも完全に沈み、体積が同じなら押しのける水の体積も同じです。同じ場所の同じ水なので、押しのけた水の重さと浮力も等しくなります。ただし球自体の重力は材質によって異なるため、保持するのに必要な力まで同じとは限りません。物体の重さと浮力を分けて比較します。
参考にした資料
- OpenStax「Archimedes’ Principle」確認日 2026-10-05
- NASA Glenn Research Center「Buoyancy: Archimedes Principle」確認日 2026-10-05
第9問 ／ 10問
体積の変わらない物体を、密度が一定の水中に完全に沈めたまま深く移す。浮力は？
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答え：変わらない
完全に沈んだ物体の体積と水の密度が変わらなければ、押しのけた水の重さも変わらず浮力は一定です。深い場所では周囲の圧力自体は増えますが、上下面の圧力差から生じる浮力とは区別します。圧縮される空気入りの物体など、体積が変わる場合はこの問いの条件から外れます。
参考にした資料
- OpenStax「Archimedes’ Principle」確認日 2026-10-05
- NASA Glenn Research Center「Buoyancy: Archimedes Principle」確認日 2026-10-05
第10問 ／ 10問
重力10 Nの物体を水中で静止させ、浮力が4 N働いた。上向きに支える力は？
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答え：6 N
下向きの重力10 Nに対して、上向きには浮力4 Nと支える力が働きます。つり合うには残りの6 Nを支えればよく、10−4＝6 Nです。水中で軽く感じても、物体の質量や重力そのものが消えたわけではありません。水が上向きの力を分担したと捉えると整理できます。
参考にした資料
- NASA Glenn Research Center「Buoyancy: Archimedes Principle」確認日 2026-10-05
- OpenStax「Archimedes’ Principle」確認日 2026-10-05
10問、最後まで考えました。
今回の結果
気になった解説を読み返して、発見を持ち帰りましょう。
