物理の基本クイズ：ニュートン力学、重力、エネルギーを学ぶ
物理の基本を試そう。ニュートンの運動法則、万有引力、エネルギー保存、光速、電磁気まで。各問に科学的根拠付きの解説を添えた本格クイズ。
12 問~6 分ja
Q1 / 12
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ニュートンの第二法則を正しく表す式はどれですか。
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Q1. ニュートンの第二法則を正しく表す式はどれですか。
- F = m × a
- E = m × c²
- F = m × v
- P = m × g
ニュートンが1687年に『プリンキピア』で示した第二法則は、力Fが質量mと加速度aの積に等しいことを述べています。SI単位ではFはニュートン（N）で表します。Q2. 地球の表面における重力加速度のおおよその値はどれですか。
- 約3.7 m/s²
- 約9.8 m/s²
- 約15.2 m/s²
- 約24.7 m/s²
地表での重力加速度は約9.81 m/s²で、自由落下する物体はこの加速度で速度を増します。火星では約3.7 m/s²、木星では約24.8 m/s²と惑星ごとに異なります。Q3. 真空中の光の速さはおおよそ毎秒何キロメートルですか。
- 約3万km/s
- 約30万km/s
- 約300万km/s
- 約3000km/s
真空中の光速cは正確に299792458 m/s、つまり約30万km/sです。1983年以降、メートルはこの定数を基準に定義されています。Q4. アインシュタインが1905年に発表した有名な質量とエネルギーの等価式はどれですか。
- E = mc²
- E = ½mv²
- E = mgh
- E = hf
特殊相対性理論の帰結として、質量mとエネルギーEはE = mc²で結ばれます。核反応では微小な質量欠損が膨大なエネルギーに変換されます。Q5. 質量2kgの物体が10m/sで動いているとき、運動エネルギーはいくらですか。
- 20 J
- 50 J
- 100 J
- 200 J
運動エネルギーは½mv²で計算します。½ × 2 × 10² = 100ジュール。1ジュールは1ニュートンの力で物体を1メートル動かす仕事量です。Q6. 万有引力の法則を発表した科学者は誰ですか。
- ガリレオ・ガリレイ
- アイザック・ニュートン
- ヨハネス・ケプラー
- ニコラウス・コペルニクス
アイザック・ニュートンは1687年に『自然哲学の数学的諸原理』で万有引力の法則を発表しました。二物体間の引力は質量の積に比例し、距離の二乗に反比例します。Q7. エネルギー保存の法則によると、エネルギーは何をしないのですか。
- 形を変える
- 伝わる
- 生成も消滅もする
- 蓄えられる
熱力学第一法則により、エネルギーは新たに生まれず、消えもしません。形態が変わるだけです。1842年にユリウス・マイヤーが提唱し、ジュールの実験で確認されました。Q8. 電流の単位はどれですか。
- ボルト（V）
- アンペア（A）
- オーム（Ω）
- ワット（W）
電流の単位はアンペアで、フランスの物理学者アンドレ＝マリ・アンペールにちなみます。1アンペアは1秒間に1クーロン（約6.24×10¹⁸個の電子）が流れる量です。Q9. 音の伝わる速さは空気中（20℃）でおよそ何m/sですか。
- 約143 m/s
- 約343 m/s
- 約1003 m/s
- 約3000 m/s
20℃の空気中で音速は約343 m/sです。温度が上がると速くなり、水中では約1480 m/s、鋼中では約5000 m/sと媒質によって大きく異なります。Q10. 量子力学で電子の位置と運動量を同時に正確に測れないとする原理は何ですか。
- パウリの排他原理
- ハイゼンベルクの不確定性原理
- ボーアの対応原理
- ドップラー効果
ヴェルナー・ハイゼンベルクが1927年に提唱した不確定性原理では、位置の不確かさ×運動量の不確かさがプランク定数の半分以上になります。量子の本質的な制限です。Q11. 熱力学第二法則と関係する量はどれですか。
- エンタルピー
- エントロピー
- モーメント
- インダクタンス
エントロピーは系の無秩序さを表す量で、孤立系では常に増加します。ルドルフ・クラウジウスが1865年に導入し、熱の流れの不可逆性を説明します。Q12. 質量100gの物体を地表で1m持ち上げる仕事はおよそ何ジュールですか。
- 約0.1 J
- 約1 J
- 約10 J
- 約100 J
位置エネルギーはmghで求めます。0.1kg × 9.8 m/s² × 1m ≈ 0.98ジュール、つまり約1Jです。これは、林檎を1メートル持ち上げる仕事に相当します。