教科書(物理) 問1:気体の圧力

解法

直感的理解

気体の圧力は、無数の分子が容器の壁に衝突して力を及ぼすことで生じます。圧力 \(p\) は「単位面積あたりの力」で、分子の速さが大きいほど衝突の力積が大きくなり、圧力が上がります。

Step 1:圧力の定義

気体の圧力 \(p\) は、容器の壁の単位面積あたりに気体分子が及ぼす力です:

$$ p = \frac{F}{S} $$

単位は Pa(パスカル)= N/m² です。

Step 2:大気圧の値

標準大気圧は:

$$ 1 \text{ atm} = 1.013 \times 10^5 \text{ Pa} \fallingdotseq 1.0 \times 10^5 \text{ Pa} $$

Step 3:具体的な数値計算

面積 \(S = 0.010\) m² の壁に \(F = 1.0 \times 10^3\) N の力がかかるとき:

$$ p = \frac{F}{S} = \frac{1.0 \times 10^3 \text{ N}}{0.010 \text{ m}^2} = 1.0 \times 10^5 \text{ Pa} $$

これは大気圧(\(1.013 \times 10^5\) Pa)とほぼ同じ値です。

答え:
\(p = 1.0 \times 10^5\) Pa
補足:圧力の様々な単位換算

圧力には複数の単位が使われます:

$$ 1 \text{ atm} = 1.013 \times 10^5 \text{ Pa} = 760 \text{ mmHg} = 1013 \text{ hPa} $$

天気予報のヘクトパスカル (hPa) は 1 hPa = 100 Pa です。水銀柱 760 mmHg はトリチェリの実験で決まった値です。

Point

圧力の単位 Pa = N/m²。大気圧 \(1.013 \times 10^5\) Pa は必ず覚えましょう。シミュレーションで分子の速さを上げると衝突回数が増え、壁が受ける力(=圧力)が大きくなることを確認できます。