チャンネル登録8万人!成績がUPするYouTubeチャンネルはここから!

【中学理科】エネルギー保存の法則といろいろなエネルギーを解説

エネルギー

このページは中学3年生で学習する「エネルギー保存の法則」「いろいろなエネルギー」の学習ページです。

  • いろいろなエネルギーを知りたい
  • エネルギー保存の法則を知りたい
  • 力学的エネルギー保存の法則との違いは何?

という人は、この記事を読めばバッチリです!

エネルギーの変換
ねこ吉

よろしくお願いします!

うん。よろしくね!

自己紹介

さわにい」といいます。元中学理科の教員

現在は毎月30万人が利用する理科サイトの運営者です。

登録者8万の教育YouTuberでもあります。

さわにいの無料学習相談こちらから!

それでは「いろいろなエネルギー」「エネルギー保存の法則」の解説スタートです!

タップできる目次

【中学理科】いろいろなエネルギーの種類

それでは「いろいろなエネルギー」について解説していくよ。

ねこ吉

先生!「エネルギー」って何ですか?

難しい言い方をすると「物体に対して仕事をすることができる能力」のことだよ。

ねこ吉

物体に対して仕事…?

うん。理科の言葉で仕事とは「物体に力を加え、その力の向きに動かすこと」だったね。

だけど、もっと簡単なイメージをもっていたほうがわかりやすいよ。

エネルギー」とは

  • 物を動かしたり
  • 光を出したり
  • 熱を出したり
  • 音を出す

ことができるものを「エネルギーをもっている」とイメージしておけばバッチリだよ!

いろいろなエネルギー
ねこ吉

エネルギーといっても、いろいろな種類があるんだね。

そういうこと。それではいろいろな種類のエネルギーを1つずつ確認していこう。

ここでは

  1. 光エネルギー
  2. 音エネルギー
  3. 熱エネルギー
  4. 電気エネルギー
  5. 化学エネルギー
  6. 弾性エネルギー
  7. 核エネルギー
  8. 運動エネルギー
  9. 位置エネルギー

の9つを紹介するよ。

光エネルギー

ソーラーカー

光がもつエネルギーを「光エネルギー」というよ。

ねこ吉

光は車を動かしたりもできる。エネルギーをもっているんだね!

音エネルギー

音エネルギー

音がもつエネルギーを「音エネルギー」というよ。

大きな音を出すと、窓ガラスが揺れたり、体に振動が伝わることがあるね。

音も物体を動かす力があるんだね!

熱エネルギー

蒸気機関車

熱がもつエネルギーを「熱エネルギー」というよ。

たとえば蒸気機関車は、発生した熱を利用して水蒸気を発生させ、その圧力を利用して走るんだよ。

このように、熱もエネルギーをもっているんだね。

電気エネルギー

ミニ四駆

電気がもつエネルギーを「電気エネルギー」というよ。

上の写真のようなミニ四駆は、電池の力でモーターを回して走るね。

このように電気にも、物体を動かすエネルギーがあるんだね!

化学エネルギー

車

化学変化によって取り出すことができるエネルギーを「化学エネルギー」というよ。

例えば車にガソリンを入れれば、そのガソリンを化学反応させて走ることができるよね。

ねこ吉

石油や石炭はたくさんの化学エネルギーをもっているんだね!

そうだね。ちなみに人間も、食べ物の化学エネルギーを利用して動いているんだよ。

弾性エネルギー

ぜんまいじかけのおもちゃ

バネやゴムなど、変形した物体がもつエネルギーを「弾性エネルギー」というよ。

上の写真のようなおもちゃは「ぜんまい」という金属の板をねじを巻くことで押し縮め、その力を利用して走るよ。

核エネルギー

原子力

原子核がもち、核分裂かくぶんれつなどの反応で取り出すことができるエネルギーを「核エネルギー」というよ。

特に上の図の写真のような原子力発電でよく利用されるんだ。

ねこ吉

原子力発電の原料は「ウラン」だね!

核エネルギーは非常にたくさんのエネルギーを得ることができるよ。

運動エネルギー

質量による運動エネルギーの変化

運動している物体がもつエネルギーを「運動エネルギー」というよ。

運動エネルギーは

  • 物体の速度が大きいほど大きくなる
  • 物体の質量が大きいほど大きくなる

んだよ。詳しくはこちらの記事も見てみてね!

位置エネルギー

質量による位置エネルギーの変化

高い位置にある物体がもつエネルギーを「位置エネルギー」というよ。

位置エネルギーは

  • 物体の位置が高いほど大きくなる
  • 物体の質量が大きいほど大きくなる

んだよ。詳しくはこちらの記事を見てみてね。

また「運動エネルギー」と「位置エネルギー」を足したものを「力学的エネルギー」というよ。

大切な言葉なので必ず押さえておこう。

ここで紹介した9つが、中学生の理科で学習する重要なエネルギーだよ。

ねこ吉

いろいろなエネルギーがあるんだね!

いろいろなエネルギーの移り変わりとその例

続いては「いろいろなエネルギーの移り変わり」について学習しよう。

ねこ吉

エネルギーの移り変わり?

うん。上で解説したエネルギーは、さまざまなエネルギーに変化するんだよ。

代表的なものを例として挙げていくね。

LED電球電気エネルギー → 光エネルギー
ガソリン車化学エネルギー → 運動エネルギー
アイロン電気エネルギー → 熱エネルギー
原子力発電核エネルギー → 電気エネルギー
水の蒸発〜雲熱エネルギー → 位置エネルギー
ばねで動くおもちゃ弾性エネルギー → 運動エネルギー

このようなものが代表的なエネルギーの移り変わりだね。

ねこ吉

エネルギーは次々に移り変わっていくんだね。

そうだね。とても面白いね!

おまけ①

電気エネルギーは「溜められる」「遠くに送ることができる」「量の調節がしやすい」など使い勝手が良いエネルギー。だから現代の人間は電気エネルギーをよく利用するんだよ。

おまけ②

地球上のエネルギーの大元は、太陽のエネルギーなんだ。太陽のエネルギーを元に、植物が光合成をしたり、地球が温まったり、天候が変化したりするんだね。

最後にエネルギーの移り変わりを表した図を紹介するね。

テストにもよく出るから、確認しておいてね!

最後に、エネルギーの変換をまとめた図を挙げておくね。

エネルギーの変換
ねこ吉

やっぱり電気エネルギーは便利だね!

エネルギー保存の法則とは

続いては「エネルギー保存の法則」について紹介するよ。

ねこ吉

エネルギー保存の法則?

うん。先ほどエネルギーの移り変わりの話をしたよね。

エネルギーが移り変わっても、エネルギーの総量は変化せず、一定に保たれるんだ。これを「エネルギー保存の法則」というんだよ。

エネルギー保存の法則
エネルギーが移り変わっても、エネルギーの総量は変化せず、一定に保たれること
ねこ吉

何だか難しい…。

言葉にすると難しいね。図を用いて説明するよ。

電球の変換効率

この図を見てごらん。

100Jの電気エネルギーを、電球で光エネルギーに変換しているね。

ねこ吉

だけど光エネルギーは10Jで、90Jは熱エネルギーに変換されているね。

そうだね。昔の白熱電球は、電気エネルギーのほとんどが熱エネルギーになってしまい、電気エネルギーを効率よく光エネルギーに変えることができなかったんだね。

だけど、光エネルギーと熱エネルギーの合計は100Jのままだね。

エネルギーの変化前と変化後では、どちらも合計は100Jで変化していないね!

ねこ吉

エネルギーの総量は変化しない。これがエネルギー保存の法則なんだね!

うん。そういうこと!

エネルギーの変換効率

先ほどの白熱電球は、100Jの電気エネルギーを光エネルギーに10Jしか変換できなかったね。

電球の変換効率

電球は明かりをつける目的のものだから、目的の10%しか光エネルギーに変換できていないね。

ねこ吉

90%は熱エネルギーに変わってしまい、無駄が多いね。

このように、元のエネルギーから目的のエネルギーに変換できる割合を、エネルギーの変換効率。

というんだね。

現在では多くが白熱電球からLEDライトに変わっているね。LEDライトの変換効率を図で見てみよう。

LEDの変換効率

今度は目的の光エネルギーに50%も変換できているね。つまり、白熱電球よりもLED電球のほうがエネルギーの変換効率がいいんだね。

ねこ吉

変化後のエネルギーの総量は100Jで、エネルギーは保存されているね!

エネルギー保存の法則と力学的エネルギー保存の法則の違い

最後にエネルギー保存の法則と、力学的エネルギー保存の法則の違いを解説するね。

一言でいうと力学的エネルギー保存の法則は「摩擦や空気抵抗を無視できると考えた時になりたつエネルギー保存の法則」のことなんだ。

ねこ吉

摩擦や空気抵抗を無視したときになりたつ?

うん。「力学的エネルギー保存の法則」でよくある実験を見てみよう。

力学的エネルギーの問題2

摩擦や空気抵抗が無視できるときは、Aから転がった鉄球は、Aと同じ高さのEまで上がるんだ。

同じように下の図では

力学的エネルギーの問題1

Bから転がった鉄球は、Bと同じ高さのDまで上がるんだよ。

ねこ吉

摩擦と空気抵抗が無視できる場合は、同じ高さまで上がるんだね。

うん。「位置エネルギー→運動エネルギー→位置エネルギー」とエネルギーが移り変わるんだね。

だけど

はじめと同じ高さまで上がるのは、摩擦や空気抵抗を無視した場合だけだよ。

つまり現実の世界では、摩擦や空気抵抗があるため、同じ高さまでは上がらないんだ。

なぜ同じ高さに上がらないか。それは、はじめの位置エネルギーが、摩擦や空気抵抗の影響で、音エネルギーや熱エネルギーに変化してしまうからなんだ。

力学的エネルギー保存の法則(摩擦や空気抵抗を無視できる場合)

位置エネルギー100J → 運動エネルギー100J

エネルギー保存の法則(摩擦や空気抵抗を無視しない場合)

位置エネルギー100J → 運動エネルギー90J+熱エネルギー5J+音エネルギー5J

このようなイメージだね。

ねこ吉

現実世界では、摩擦や空気抵抗があるから、力学的エネルギー保存の法則は成り立たないんだね。

そういうことだね。だけど力学的エネルギー保存の法則も、エネルギーを理解するには便利な考え方なんだね。

まとめ

摩擦や空気抵抗が無視できる→力学的エネルギー保存の法則

摩擦や空気抵抗を無視しない→エネルギー保存の法則

これでいろいろなエネルギーの解説を終わるよ。

エネルギーの種類や、エネルギーの変換効率・エネルギー保存の法則についてしっかりと確認しておいてね!

ねこ吉

またねー!

さわにいは、登録者7万人の教育YouTuberです。

中学の成績を上げたい人は、ぜひYouTubeも見てみてね!

また、2022年10月に学習参考書も出版しました。よろしくお願いします。

他のページも見たい人はトップページへどうぞ。

中学生におすすめ勉強アプリ

Rakumon(ラクモン)」というアプリを知っていますか?

チャットや画像を送るだけで質問ができるアプリです。10分で答えや解説が返ってきますよ。

3回は無料で使えるので、登録しておくと役立ちます!

ラクモンの詳しい説明はこちら

ラクモンの使い方
ラクモンはすぐに答えがくる
Rakumon(ラクモン)

Rakumon(ラクモン)

無料

この記事を書いた人

東京を拠点に活動する教育フリーランス  専門は理科教育学  所持教員免許は中学と高校の理科  

理科の教材や学習法を研究中!
さまざまな出版社の理科教材や解説を作成してます。

ツイッターでは理科のポイントや勉強の仕方、さわにいの考えを発信しています。

youtubeは2020年から勉強に役立つ理科動画を配信開始!ぜひ見てみてね☆

コメント

コメントする

CAPTCHA


タップできる目次