💡 エネルギー完全まとめ
直感的に理解しよう
エネルギーは絶対に消えません。形が変わるだけです。電気が消費されるという表現は正確ではなく、光・熱・運動エネルギーに変換されています(エネルギー保存の法則)。
先に学ぶこと
- 物理の基礎（physics.html — ニュートンの法則）
1. エネルギーとは
エネルギー：仕事をする能力。単位はジュール(J)。
- 運動エネルギー(Ek)：運動する物体が持つエネルギー → Ek = ½mv²（m：質量[kg]、v：速度[m/s]）
- 位置エネルギー(Ep)：高さによる重力エネルギー → Ep = mgh（g = 9.8 m/s²、h：高さ[m]）
- 力学的エネルギー：Ek + Ep = 一定（摩擦なし）
- 熱エネルギー：粒子の熱運動によるエネルギー
- 化学エネルギー：化学結合に蓄えられたエネルギー（燃料・食物）
- 電気エネルギー：電荷の移動によるエネルギー
- 核エネルギー：原子核の結合エネルギー（核分裂・核融合）
2. エネルギーの変換
エネルギーは異なる形に変換されます。主な変換例：
- 太陽電池：光エネルギー → 電気エネルギー
- 自動車エンジン：化学エネルギー（燃料）→ 運動エネルギー + 熱エネルギー
- 水力発電：位置エネルギー → 運動エネルギー → 電気エネルギー
- 光合成：光エネルギー → 化学エネルギー（グルコース）
- 電球(LED)：電気エネルギー → 光エネルギー（+ わずかな熱）
3. エネルギー保存則 共通テスト
エネルギー保存の法則：エネルギーは新たに生まれたり消えたりせず、形を変えるだけです。孤立系の総エネルギーは常に一定。
力学的エネルギー保存：摩擦がなければ、Ek + Ep = 一定（高さが変わっても合計は保存）。
例題：質量2kgの物体を高さ5mから静かに放す（g = 10 m/s²）。
落下前のEp = mgh = 2 × 10 × 5 = 100 J
地面到達時 Ek = 100 J（全てEkに変換） → v = √(2×100/2) = 10 m/s
落下前のEp = mgh = 2 × 10 × 5 = 100 J
地面到達時 Ek = 100 J（全てEkに変換） → v = √(2×100/2) = 10 m/s
4. 熱力学の法則 共通テスト
- 第1法則（エネルギー保存）：ΔU = Q − W（内部エネルギー変化 = 加えた熱 − 系がした仕事）
- 第2法則（エントロピー）：熱は自然に高温→低温へ移動。孤立系のエントロピー（乱雑さ）は増大する。
- 重要な含意：100%効率のエンジンは実現不可能——必ず熱として失われるエネルギーがある。
5. 再生可能エネルギーと非再生可能エネルギー
| 再生可能 | 非再生可能 |
|---|---|
| 太陽光・風力・水力 | 石炭・石油・天然ガス |
| 地熱・潮力・バイオマス | ウラン（核分裂） |
| 自然に補充される、CO₂排出少 | 有限量、温室効果ガス排出 |
練習問題
問題1：質量3kgの物体が速度4m/sで運動している。運動エネルギーはいくらか？
解答：Ek = ½mv² = ½ × 3 × 4² = ½ × 3 × 16 = 24 J
解答：Ek = ½mv² = ½ × 3 × 4² = ½ × 3 × 16 = 24 J
問題2：ジェットコースターが高さ10mの頂上で持つ位置エネルギーが5000Jのとき、摩擦なしで底に達したときの運動エネルギーはいくらか？
解答：エネルギー保存より Ek = 5000 J（全てEkに変換）
解答：エネルギー保存より Ek = 5000 J（全てEkに変換）
💡 学習のヒント：エネルギー計算では単位に注意。Ek = ½mv²はmがkg、vがm/sのときのみJになります。保存則の問題は「最初のEp + Ek = 最後のEp + Ek」の表を作って整理すると解きやすくなります。
試験直前 5分チェックリスト
- エネルギー保存の法則: 形が変わるだけで総量は一定
- 熱エネルギー: 高温→低温へ自然移動（逆は不可）
- 波動式: v=fλ（速度=振動数×波長）
- 再生可能エネルギーvs化石燃料: CO₂排出の有無
エビングハウス忘却曲線に基づく復習
学んだ内容を長期記憶に定着させるには、間隔を空けて繰り返し復習しましょう。
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