1.バスケットボールは速く落ち、風船はゆっくり落ちる。だから重いものは速く落ち、軽いものは遅く落ちる。

2.走行中の電車内でにジャンプすれば前に進む力を出している電車と離れるのだから着地点は後ろになる。

3.自転車はこぎ続けなければ進まない。だから物は力を加え続けないと進まない。

これらはよくある間違いだと思うのですが難しい数式やら公式などを使わずにこれらが「どこがどう間違っている」と説明をすることはできるのでしょうか。
もちろんどれか1つだけでも結構です。
できれば小学生にもわかるような説明をお願いします。

A 回答 (6件)

昨日の回答に加え、一言補足させて頂きます。


ご質問にあるような間違いの例は、実は、間違えている本人が自分なりに自然を観察した経験に基づき推察を行っていることの現われです。自分なりの推理をせずに、本などの知識を使ってさっさと正解を出す生徒よりも、ある意味で科学的センスがいいとも言えます。ここで注意すべきと思うのは、うまい実験結果を見せて、「事実がそうなのだから反論の余地はないね」というような説得をしてしまうことの危険性です。氷上の物体がほぼ一定速度で走りつづけることも事実なら、引っ張るのを止めた荷車が速やかに停止するのも立派な事実です。都合のいい方だけを引き合いに出していると受け取られてしまうと(私にはそう感じた経験があります)、教育的に非常に具合悪いです。物理的なものの理解には、事象を、より本質的なもの要素的なものに還元していくというプロセスがどうしても必要になってきます。摩擦や空気抵抗のない状態が基本的で、そこからスタートすると最終的には摩擦現象まで含めて理解が可能になる、、このことを、頭ごなしでなしにどのように説明するか、、物理の教えるときの大テーマです。話しがご質問からそれまして申し訳ありませんでした。
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小学生ならば、目で見てわかる実験て説明するのがよいでしょう。


出来きるだけ、現実の世界で行えるものがいいと思います。
1.a-kumaさんのおしゃるように、ティッシュペーパーや紙で見せればよいでしょう。質量に関係ないことを示したければ、同じ形の明らかに質量に違う2つのボールで落下実験すればいいと思います。(多少面倒ですが。)ただし、ある程度の質量があるものを使うか、風がない場所で行ったほうがよいでしょう。手っ取り早いのは、鉄球か何かをなかに入れた紙のボールと、ただの紙のボールあたりでしょうか?
2.これは、簡単そうでなにげに難しかったり・・・。
実際に、電車でやってみるのが一番でしょう。ボールを軽く投げ上げるとか。他の乗客の迷惑にならない程度に。説明ならやはり新幹線とか飛行機での場合を想像してみる。もしそんなんだったら怖くて、新幹線も飛行機も乗れない。
3.出来るだけ平らで、長い廊下で、できるだけ小さいドライアイスを蹴ってみる。延々と進んでゆきます。小学生程度なら結構これで納得してしまいます。 
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直接の回答ではありませんが、子供の頃、同じような疑問にぶつかり、自分なりに解決した(ような気になっている)者から一言。


これらはすべて、慣性概念が欠けていることに深く関係しています。そして、慣性概念は、数式で理解するのでなく極めて直感的・感覚的に把握することが可能です。その直感力を養う秘訣:「全てのものを宇宙の真っただ中に浮かべて考えよう!」
(以下ヒントのみ)
1.宇宙に浮かんだと巨大な鉄の玉とスポンジ玉(風船は割れてしまう)、ひもをかけて同じ力で引っ張ってみることを想像しよう。スポンジはひょいと近づくが、鉄の玉はなかなか寄ってこない。あれ、地上で落ちるときと逆の効果が、、
2.すごい(一定の)速さで宇宙を飛ぶロケットに乗っている人が、宇宙遊泳のためそろりと船外に出た。とたんにその人は目にも止まらぬ速さで後ろに飛び去る、と思うかい。
3.省略
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期待している回答になるかどうかは自信がありませんが、小学生にも分かるように



> 難しい数式やら公式などを使わずにこれらが「どこがどう間違っている」と説明をする

ということであれば、身近な反例を挙げるのが一番分かりやすいんではないでしょうか?

> 1.バスケットボールは速く落ち、風船はゆっくり落ちる。だから重いものは速く落ち、軽いものは遅く落ちる。

ティッシュをぺらっとしたまま落としてみた後に、それを固く丸めて落としてみる。
同じものだから重さは同じなのに、落ちるスピードが違うのだから、落ちる速さは
重さだけで決るのではないとわかる(重さには関係ない、とまでは示せない)。

> 2.走行中の電車内でにジャンプすれば前に進む力を出している電車と離れるのだから着地点は後ろになる。

実際に走っている電車でやってみる。力加減で微妙にずれるのを嫌うのなら、ボールを
落としてみるのでも良い。

> 3.自転車はこぎ続けなければ進まない。だから物は力を加え続けないと進まない。

ボールを放り投げてみれば良いですね。空中にある間は力を加えていないのに、
上昇した後、落ちてまでくるんですから。

# 正しい答えを導くのは難しいよなあ、やっぱり
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1.については、次のような有名な方法があります。



重いものが軽いものより早く落ちる。即ち、
10kgの物体が1kgの物体より早く落ちると仮定する。・・・(仮定)

11kgは10kgより早く落ち、1kgより遅く落ちる・・・(1)

10kgと1kgをヒモで結んで落とすと、
10kgは1kgを早く落とそうとする力が働く、
1kgは10kgをゆっくり落とそうとする力が働く、
したがって、ヒモで結んだ10kgと1kgは10kgより遅く、
1kgより早く落ちることになる。・・・・・・・・・(2)
ゆえに、(1)と(2)は矛盾するので、最初の仮定が間違いで、
10kgの物体と1kgの物体は同時に落ちる。

このような実験は、実際には出来ませんが、大変有効な方法です。「思考実験」と言われています。

2.については、等速直線運動をしている慣性系での話ですから、ジャンプする人も、電車も同じスピードで運動しているので、電車の同じ場所に落下する。

3.については、昔、飛んでいる矢には絶えず力が働いていると言われていました。ガリレオが等速度運動しているものには力が働いていないといいました。これをニュートンの運動の第一法則といいます。
「力が働いていない物体は、運動しているものは、そのまま等速直線運動をつづけ、静止している物体は、そのまま静止しつづける。」
というものです。

後がお待ち兼ねのようですから、ここらへんで、失礼します。
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1.


1kgのボールと1kgの薄っぺらい板を落とすと落ちる速さは違う。
つまり重さではなく形状によって速さは違う!→空気の抵抗を受ける面積が違う
空気のない場所(真空状態)ではボールも羽毛も同じ速度で落ちる。
(真空中に風船を入れたら爆発しそう^^;)
この回答はちょっと曖昧ですね・・・

2.
電車と一緒に車内の空気も前に進んでいるので、ジャンプしても空気に押される。
水槽の中に金魚がいるとする。電車=水槽、金魚=人間、水=空気だとする。
金魚は水槽に接していない(=電車内でジャンプしてる状態)。その状態で水槽を動かす(=電車が走る)。しかし水槽内の金魚の位置は変わらない。(ただし金魚が動かないことが前提)
もし2の話しが本当なら、金魚は水槽の進行方向とは逆の壁面に押しつぶされないければいけないはず!


3.
自転車が前に進もうとすると空気の抵抗と摩擦抵抗がある。(厳密には自転車のパーツの駆動部分の摩擦もある)
摩擦は自転車の速度を落とそうとするので、自転車で進みつづけようとおもったら摩擦に巻けないようにこぎ続けないといけない。
しかし、もしそのような抵抗がなければこぎ続けなくても永遠に進み続ける。
例:宇宙空間で投げたボールは永遠と進み続ける(惑星の引力の影響がなければね)
※宇宙は空気抵抗も摩擦抵抗もありません。
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専門家の間では、平らな所で割ることは通説です。
理由もあります。

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平らな所で叩いて割るのと、殻が大きく割れます。
一方、角で割ると当たった所が陥没し、そこに細かな破片が生じます。
つまり、角で割ると卵の殻の小さな破片が中身と一緒に器に落ちてしまうのです。

この現象を証明しているのが、No.5さんの回答でしょう。
No.5さんの回答を抜粋すると
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http://2.pro.tok2.com/~t-hoso/lets_do_it/kousaku/baum.htm

http://wadakoji.cool.ne.jp/essei36.htm

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y=Vtsinθ-(1/2)gt^2+0.3 (5)、x=Vtcosθ (6)。水の落下地点をx=Mとすると(6)から着水時間t=M/(Vcosθ)が求まります。着水点はy=0ですから(5)にy=0と着水時間tを代入して方程式を解けばノズルの角度θが求まります。(5)(6)の方程式は何のことはない単位質点の放物運動の方程式ですね。ということで放物運動の力学を調べればあとの設問の答えはすぐ導くことができるはずです。TRYしてみてください。


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