問1

宇宙ステーションやスペースシャトルの中では無重量状態となっている。なぜ、そのような状態になるのか。最も適当に説明している文を、次の①～⑤の中から1つ選びなさい。

1. ①地表からはるか遠いところにあるため。
2. ②まわりに空気がないため。
3. ③遠心力の方が重力より大きいため。
4. ④重力にしたがって加速度運動しているため。
5. ⑤ロケットエンジンで推進力を得ているため。

問2

1. 宇宙ステーションの中で、宇宙飛行士は健康管理のため、毎日自分の体重を測定している。どのような方法で自分の体重を測定するのだろうか。最も適当な文を、次の①～⑤の中から１つ選びなさい。
2. ①地上にあるものと同じ体重計を用いる。
3. ②大きな天秤を用いる。
4. ③ばね定数が既知のばねの一端に体を固定し、振動させて周期を測る。
5. ④丈夫なひもの一端に体を固定し、振り子にして周期を測る。　
6. ⑤体を回転運動させて、その周期を測る。

問1解法「落下」が無重量状態を作り出す

問1の解法

地球に「落ち続ける」から「回り続ける」

水平に投げ出された物体は、スピードが遅いときは手前に、速いときは遠くに落ちます。スピードをとても速くすると、落ちるときの放物線（カーブ）が地球の形状（丸み）と一致して、地球を回り続けることができます（空気抵抗を無視できる場合）。もし地球に重力がなければ、物体はレーザー光線のようにまっすぐ進み、円運動にはなりません。

投げるスピードをどんどん速くすると、やがて地球の形状に沿って落ち続ける。

1. Aスピードが運いときは 前に落ちる
2. Bスピードが運いときは遠くに落ちる
3. Cスピードがとても速いとさは地球の丸みに沿つていつまでも落ち続ける
4. D重力がないときはレーザー光線のようにまっすぐ進む

問1解答④重力に従って加速度運動しているため。

解答の解説

物体が重力にしたがって落下（自由落下）すると、無重量状態となります。宇宙飛行士の訓練のひとつに、自由落下する飛行機の中で約25秒間の無重量状態を体感するものがあります。
この解答は観測者が地球にいるという前提で考えていますが、仮に宇宙ステーションやスペースシャトルにいた場合は、「重力と遠心力が等しい大きさになり無重量になる」という答えも成立します。ただし、③は遠心力の方が重力より大きいとあるので不正解です。

問2解法質量の性質に注目して考える

私たちが普段使っている体重計は、重量が下向きに働く性質を利用しています。無重量状態のスペースシャトルの中で体重を量るには、『質量の性質』を利用する必要があります。

問2の解法

重量と質量の違い
「重量」とは、重力によって生じる下向きの「力」のことです。月面では地球のおよそ1/6になり、無重量状態ではゼロになります。一方、「質量」は物質の「量」を表す単位で、宇宙のどんな場所でも一定です。地球上では重量と質量の値は同じですが無重量状態では異なり、重量と質量の性質の違いがはっきりと表れます。

質量を計る工夫
質量の大きさは「運動の変わりにくさ」と言うこともできます。重さのない無重量状態では、質量が小さい物体は簡単に動かせますが、大きい物体を動かすには大きな力が必要です。また、動いている物体も同様で、質量が小さければ簡単に止められますが、大きいものだと大変です。この点に注意して問題を整理してみます。

■重量の性質「下向きに働く力」を利用した装置

• ①体重計…重量で下向きに押し込まれたばねの変化を測る
• ②天　秤…互いに下向きに働く重量を比較して測る
• ④振り子…重量で往来する振り子の振動周期を測る

■質量の性質「運動の変わりにくさ」を利用した装置

• ③ばねの振動…ばねの反動で振動する周期を測る
• ⑤回転の周期…外力で体を回転させてその周期を測る

問2解答ばね定数が既知のばねの一端に身体を固定し、振動させて周期を測る

　以前に教えた生徒で、海外の学校にいて理科を習わないまま、中学2 年に編入してきた帰国生がいました。はじめは授業についていけず悩んでいたようですが「どんな本を読んだらいいですか？」と聞きに来たり、わからないことはすぐに質問したりするような生徒で、理解が深まるにつれ理科が好きになり、力もどんどんと伸びていきました。高校生になると学校外での実験イベントや天文学実習、さらに全国高校化学グランプリや物理チャレンジにも参加するようになりました。知識よりも思考力を試される科学オリンピックの難しい問題も、楽しみながら解いていたようです。日本代表には選出されませんでしたが、今も大学で化学を学んでいます。

　最初から理科が得意でなくても、自ら考え、探求することが好きなすべての子どもたちにとって、科学オリンピックは楽しみながら力を伸ばすことができる素晴らしい機会になると思います。

　国際科学オリンピックに出場したことで、自分より優秀な人たちや、自分がすごいと思っていた人をさらに上回るような人たちとたくさん出会いました。世界の広さを感じたと同時に、彼らと直接に出会えたことでその人柄がわかって、確かにみんなすごいけれど、やはり自分と同じ人間なんだと実感することができたんです。

　国際科学オリンピックに参加することは、けっして特別なことではありません。僕は、物理も情報もほぼゼロに近い知識レベルから挑戦し、予選、本選と各試験に向けて勉強するなかで段階的に力を伸ばしていきました。スタートラインは、みんな同じです。自分には無理だと決めつけず、少しでも興味があればまず受けてみてください。そこでしか出会えない仲間がきっと見つかると思います。