沈む物体：重さと最大浮力
1 · 予測
金属のおもりを水に落とすと、完全に水中に沈んで底で静止する。完全に沈んだ後、おもりを重くすると沈み方は変わるか？
- 重いおもりはさらに沈む（100%を超える）。
- すでに完全に沈んでいる（100%）ので、質量を増やしてもこれ以上沈まない。
- 重いおもりは速く落ちるため、沈む割合は小さくなる。
2 · 準備
- fluid-sink プリセットを開き、「リセット」を押す。おもりは水中を落下し、タンクの底で静止する。
- おもりの水中に沈んだ割合のプローブを有効にする。
- 各試行のおもりの質量を設定し、落ち着かせてから、水中に沈んだ割合を記録する。
3 · データ収集
| おもりの質量 m (kg) | 重さ mg (N) | 水中に沈んだ割合 |
|---|---|---|
| 3.00 | ||
| 4.00 | ||
| 5.00 |
3回の試行について、水中に沈んだ割合（縦軸）を重さ（横軸）に対してプロットする。
4 · 分析
- 半径（0.4 m）からおもりの全体積を計算し、水の密度 1000 kg/m³ を用いて最大浮力 ρ·g·V_full を求める。各試行の重さと比較する。
- 重さが最大浮力を超えると、おもりがどれだけ重くなっても水中に沈んだ割合が 1.0（100%）で上限になる理由を説明する。
5 · 発展
- このおもりの最大浮力は約 24.6 N であり、約 2.5 kg 未満の質量なら浮く。これを fluid-float 実験と比較し、物体が浮くか沈むかを決めるものは何か説明する。
- 海水は淡水より密度が大きい。淡水で完全に沈むおもりは、海水でも必ず完全に沈むか？浮力の式を使って説明する。
この実験の物理
アルキメデスの原理（最大値の場合）
物体が受けられる最大の浮力は ρ·g·V_full、つまり完全に水中に沈んだ場合に押しのける流体の重さである。物体の重さがこの上限を超えると、物体は沈んで完全に水中に留まる。全体積をすでに押しのけているため、質量を増やしてもこれ以上沈まない。