高 1: 物理基礎で法則に出会う

高校の理科では、物理基礎・化学基礎・生物基礎・地学基礎のうち 3 科目を学ぶのが基本です。「科学と人間生活」を含めて 2 科目を学ぶ形もあります。物理基礎は標準 2 単位で、1 年で学ぶなら授業は週 2 時間ほどです。どの学年で学ぶかは、学校によって異なります。

内容は大きく 2 つに分かれます。前半の「物体の運動とエネルギー」では、速さと加速度、力と運動の法則、力学的エネルギーを学びます。後半の「様々な物理現象とエネルギーの利用」では、波、熱、電気、発電などのエネルギーの利用を学びます。

最初に学ぶのが「物理量の測定と扱い方」です。測った値のずれ(誤差)や有効数字、表とグラフの作り方を学びます。学習指導要領の解説は、人が歩く運動の時間と位置を測る例や、身の回りの物の密度を求める例を挙げています。物理基礎のすべての単元で使う道具です。

4 単位の「物理」は、原則として物理基礎を学んだ後に学びます。物理基礎は、高 2・高 3 で学ぶ物理の土台になる科目です。

物理基礎は、中学の理科の続きです。中 1 の「身近な物理現象」では、力の大きさと向き、ばねの伸び、光と音を学びました。中 2 の「電流とその利用」では回路と電流を、中 3 の「運動とエネルギー」では物の運動と力学的エネルギーを学んでいます。

中 3 では、斜面を下る台車がだんだん速くなることを確かめました。物理基礎では、速さの増え方を加速度という量で表します。1 秒ごとに秒速 2 m ずつ速くなるなら、加速度は 2 m/s² です。運動の様子は、位置と時間のグラフや、速度と時間のグラフで表します。

身近な乗り物も教材になります。学習指導要領の解説は、自転車や電車の動きを、人工衛星を使った位置情報や動画をもとにグラフにする例を挙げています。教科書の中の運動が、通学の電車の動きと同じ形のグラフで表せるのです。

力の扱い方も変わります。中 3 では、力の合成と分解を作図で学びました。物理基礎では、向きと大きさをもつ量(ベクトル)として力を計算します。解説は、小さなリングにいくつかのばねばかりをつけ、いろいろな向きに引いてつり合わせる実験を例に挙げています。

最初につまずきやすいのは、向きのある量です。速度や加速度、力には向きがあり、一直線の上では向きを + と − で表します。上向きを + にすると、真上に投げたボールの速度は +、0、− と変わります。一方、加速度はずっと −9.8 m/s² のままです。

グラフの読み方にも慣れが必要です。速度と時間のグラフでは、傾きが加速度、グラフと横軸の間の面積が進んだ距離を表します。速さが変わる運動では、「速さ × 時間」の掛け算ではなく、面積で距離を求めます。

解説は、生徒が経験からもちやすい誤った考えを 2 つ挙げています。1 つは、動いている物には動く向きに力が働き続けているという考えです。もう 1 つは、重い物ほど相手に大きな力を及ぼすという考えです。どちらも、運動の法則で正しく説明し直せます。

コツは、式を立てる前に、物に働く力を矢印で描くことです。触れている物から受ける力と、重力を描き出します。動く向きの矢印が見当たらなくても、物は慣性で動き続けます。

物理基礎を 1 年で学ぶなら、授業は週 2 回ほどです。単位数や時間割は学校によって異なります。下の図は、高 1 の 1 週間の例です。

物理基礎では、数学 I の内容もよく使います。二次関数のグラフに慣れておくと、落下する距離のグラフが読みやすくなります。斜面の上の物に働く力を分けるときには、三角比を使います。

実験の後には、レポートを書きます。解説も、話し合い、レポートの作成、発表を大切にしています。目的・方法・結果・考察の順に書き、結果は表とグラフにまとめます。予想と結果が違ったところこそ、考察の材料になります。