教科書(物理基礎) 問47

解法

直感的理解
物理での「仕事」は日常用語とは異なり、「力×力の向きへの移動距離」で定まる量です。9.8 N の力で 10 m 引けば、力と移動が同じ向きなので仕事は正の値になります。

仕事の定義式を用います。力 \(F\)〔N〕の向きに距離 \(x\)〔m〕だけ移動させたとき、

$$W = Fx$$

問題の条件 \(F = 9.8\,\text{N}\)、\(x = 10\,\text{m}\) を代入すると、

$$W = 9.8 \times 10 = 98\,\text{J}$$
答え:
$$W = Fx = 9.8 \times 10 = 98\,\text{J}$$
補足:仕事の単位 J(ジュール)について

仕事の単位ジュール(J)は、\(1\,\text{J} = 1\,\text{N} \cdot \text{m}\) です。1 N の力で物体を力の向きに 1 m 動かしたときの仕事が 1 J です。

この問題では \(9.8\,\text{N} \times 10\,\text{m} = 98\,\text{N}\cdot\text{m} = 98\,\text{J}\) となります。

重力に逆らって質量 \(m\) の物体を高さ \(h\) 持ち上げる場合、必要な力は \(F = mg\) なので \(W = mgh\) です。たとえば 1 kg を 10 m 持ち上げると \(W = 1.0 \times 9.8 \times 10 = 98\,\text{J}\) です。

Point

仕事 \(W = Fx\) は「力の大きさ」と「力の向きへの移動距離」の積です。力がはたらいていても移動しなければ仕事は 0、移動していても力が垂直なら仕事は 0 です。