まとめ
- 金属で作られた球体であり、理科の実験において密度や浮力の測定、熱の伝導などの学習に広く用いられる教材です。
- 液体に沈めた際、物体が押しのけた液体の重さと同じだけの浮力を受けるという「アルキメデスの原理」を視覚的に理解するために活用されます。
- ばねはかりで吊るした際の重さの変化や、台はかりにかかる荷重の変化を測定することで、力のはたらきと反作用の関係を学ぶことができます。
解説
金属球を水に沈める実験では、物体の体積と浮力の関係を正確に把握することが重要です。例えば、重さ100g、体積10cm3の金属球を水に沈める場合、球が完全に水中にあるときには、押しのけた水10cm3の重さに相当する10g分の浮力が上向きにはたらきます。このとき、球を吊るしているばねはかりの目盛りは、元の重さから浮力を引いた90gを示します。
一方で、水が入ったビーカーを載せている台はかりの数値は、浮力の反作用によって変化します。水が球を10gの力で押し上げるとき、同時に球も水を10gの力で押し下げています。そのため、台はかりの数値は「ビーカーと水の重さ」に「浮力と同じ10g」を加えた値になります。もし水とビーカーの合計が200gであれば、台はかりは210gを示します。このように、浮力は「吊るしている側」からは引き算、「支えている側」からは足し算として現れるのが特徴です。
金属球を半分だけ沈めた場合、水に浸かっている体積は5cm3となるため、生じる浮力も半分の5gになります。この場合、ばねはかりは95g、台はかりは205gを指します。また、金属球がビーカーの底に完全に付いてしまった場合は、ばねはかりの糸が緩み、数値は0g（または糸の重さのみ）となります。このとき、台はかりには金属球の全重量100gが加わるため、合計で300gを示すことになります。
実生活では、巨大な鉄製の船が海に浮かぶのもこの原理によるものです。金属球そのものは密度が大きいため沈みますが、形状を工夫して大きな体積を確保し、自重以上の浮力を得ることで、重い金属でも水に浮かせることが可能になります。
金属球（きんぞくきゅう）は、理科の実験で使う金属のボールのことです。水の中に物を入れたときに、重さがどのように変わるかを調べる実験でよく使われます。
水の中に物を入れると、水が下から物を押し上げようとする「浮力」という力がはたらきます。例えば、重さが100gある金属球を水に入れると、水に押されて少し軽くなります。このとき、軽くなった分だけ、水が入っている入れ物は重くなります。これは、水がボールを押し上げる代わりに、ボールも水を同じ力で押し返しているからです。
もしボールを全部沈めずに、半分だけ水に入れたときは、押し上げる力も半分になります。実験では、ボールをどこまで沈めるかによって、はかりの数字がどう変わるかを観察して、目に見えない力の大きさを計算します。
鉄でできた重いボールは水に沈みますが、同じ鉄でできている大きな船は海に浮いていますよね。これは、船の形を工夫して、たくさんの水を押しのけるように作られているからです。押しのける水の量が多いほど、大きな「浮力」が生まれて、重い船も持ち上げることができるのです。
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