液体圧力バーチャルラボ ガイド
物理学中級所要時間: 3 分
概要
なぜ深海潜水士は重い耐圧服を着なければならないのでしょうか？なぜダムは底に行くほど幅広く作られているのでしょうか？その答えは液体の奥深くにあります。この実験では、微小圧力計（U字管圧力計）を使って水中へといざない、液体圧力の大きさを決める「3つの重要な変数」を直感的に測定し、探究します。
背景
液体圧力の研究は、フランスの科学者ブレーズ・パスカル（Blaise Pascal、1623-1662年）と切り離すことはできません。1648年、パスカルは有名な「樽の実験」を行いました。彼は水で満たされた密閉された木樽の上部に細長い管を挿入しました。高いところからその細い管に少量の水を注ぐと、なんと樽は巨大な内部圧力によって破裂してしまったのです！この実験は、液体圧力が液体の総量ではなく、深さのみに依存することを鮮やかに証明しました。パスカルはまた「パスカルの原理」も発見しました。密閉された液体に加えられた圧力は、大きさ変わらずにあらゆる方向に伝わるという原理で、これは今日でも油圧プレスやジャッキの基礎となっています。彼の功績を称え、圧力の国際単位は「パスカル」（Pa）と名付けられました。
基本概念
圧力計 (Manometer)
液体圧力を測定するための機器。プローブのゴム膜が圧力を感知し、それがU字管の両側の液面に高低差を生じさせます。高低差が大きいほど、圧力は大きくなります。
液体圧力 (Liquid Pressure)
液体が重力と流動性によって、その内部および容器の壁に及ぼす圧力。
公式と導出
液体圧力の計算式
圧力 は、液体の密度 、重力加速度 、深さ に依存します。注意：液体の質量、体積、容器の形状には依存しません。
実験手順
- 1
気密性の確認
実験の前に、プローブのゴム膜を優しく押してください。U字管の液面に明らかな高低差が現れ、手を離すと元に戻る場合、装置の気密性は良好です。 - 2
深さと圧力の探究
プローブを清水に垂直に入れ、「プローブの深さ」を変えます。深さ が増すにつれて、U字管の高低差がどのように変化するかを観察します。 - 3
方向の等価性の検証
同じ深さを保ち、「プローブの向き」（上、下、左、右）を切り替えます。このとき、高低差が一定に保たれるかどうかを観察し、確認します。 - 4
異なる液体の比較
同じ深さで、液体を「清水」から「塩水」または「灯油」に切り替えます。異なる密度が圧力に与える影響を比較します。
学習目標
- 水中の同じ点において、あらゆる方向への圧力が等しいことを確認する
- 圧力が深さとともに直線的に増加するという法則を習得する
- 同じ深さにおいて、液体の密度が大きいほど圧力が大きくなることを検証する
- 測定プロセスにおける「連通管」の原理の応用を理解する
応用例
- 三峡ダム：深い水位での巨大な水平圧力に耐えるため、底部が非常に幅広くなるように設計されています
- 潜水の限界：通常のダイバーと深海探査機の設計の違いは、まさに異なる静水圧に対処するためです
- 給水塔：高低差を利用して圧力を生み出し、高層階の住民に水を供給します
よくある誤解
誤解
大きなバケツの水の底の圧力は、常に小さなコップの水の底の圧力よりも大きい
正解
必ずしもそうではありません。圧力は深さと密度のみに依存します。もし部分的に満たされた大きなバケツの水位がコップの水位よりも低い場合、バケツの底の圧力は実際には小さくなります。
誤解
液体圧力は下向きにのみ作用する
正解
間違いです。液体は流動性があるため、側壁に圧力を及ぼし、さらには上向きの浮力の原理により、物体の底面に上向きの圧力さえも及ぼします。
参考文献
準備はいいですか？
基礎知識を理解したら、インタラクティブな実験を始めてみましょう！