予習シリーズ 小4理科（下）第9回「ばね」親子で押さえておきたいポイントまとめ
小4理科（下）の第9回は「ばね」です。目に見えない力を、ばねの「のび」という長さの変化から調べます。計算が多い単元ですが、まずは何を測っているのかをつかむことが大切です。
いちばんのポイントは、「のび」と「全長」を区別すること。比例する範囲では、おもりを2倍にすると、のびも2倍になります。しかし、もとの長さである自然長を含む全長は、2倍にはなりません。
もう一つの軸は力のつり合いです。つるしたおもりが止まり続けているときには、下向きの重力と、ばねが上向きに引く力がつり合っています。「止まっているから力がない」わけではありません。
この記事の数値例は、特に断りのない限り、ばね自体や取り付け具の重さを無視し、力とのびが比例する範囲を扱う学習用のものです。実際のばねには使える範囲があり、いくらでも伸ばせるわけではありません。
1 今回の単元、5つの柱
| 分野 | 押さえる内容 | 確認ポイント |
|---|---|---|
| 物にはたらく力 | 重力、支える力、ひもやばねが引く力 | どの物が、どの物に及ぼす力か |
| 静止とつり合い | 止まり続ける物と力の関係 | 2力の場合の大きさ・向き・作用線 |
| ばねののび | 力との比例関係 | のびが何倍になるか |
| ばねの長さ | 自然長・のび・全長 | 全長＝自然長＋のび |
| ばねの利用 | 衝撃の緩和、計量、物を動かす・押さえる | 道具と利用する性質 |
ポイント：計算に入る前に、ばねの図へ「自然長」「のび」「全長」を書き込みましょう。言葉の区別ができると、式も立てやすくなります。
2 全体像：ばねは「力のものさし」
| 段階 | 考えること |
|---|---|
| 力 | おもりにはどのような力がはたらくか |
| ばね | 加える力によって、のびがどう変わるか |
| 長さ | 全長から自然長を引いて、のびを求める |
| 利用 | のび縮みや元に戻ろうとする性質を、道具に利用する |
あらかじめ力とのびの関係を調べておけば、のびから力の大きさがわかります。これが、ばねばかりの基本的な考え方です。
ただし、ばねが伸びているだけでは、力がつり合っているとは限りません。おもりが上下に動いている途中にもばねは伸びます。計算では、揺れがおさまり、止まった状態かを確認します。
3 物にはたらく力：重力・支える力・引く力
① 重力
地表付近では、物には重力が下向きにはたらきます。小学校段階では「地球が物を引く力」として学びます。下向きは、その場所で物が落ちる向きで、おおむね地球の中心へ向かう向きです。
物を手から放すと落ちるのは、重力がはたらくためです。机や手で支えられていても、重力がなくなるわけではありません。
② 手や机が支える力
手の上でボールが静止しているとき、ボールには、下向きの重力と、手が上向きに支える力がはたらいています。机の上の物でも、机が支える力を考えます。
③ ひもやばねが引く力
1本のひもにおもりを鉛直につるして静止させた場合、空気の影響などを無視すると、おもりには次の2力がはたらきます。
| 力 | 向き | どの物が及ぼすか |
|---|---|---|
| 重力 | 下向き | 地球 |
| ひもが引く力 | 上向き | ひも |
これは2力で考えられる例です。物にはたらく力が、必ず2つとは限りません。また、ひもはその向きに沿って物を引くので、ひもが斜めなら力の向きも斜めになります。
4 静止と力のつり合い
静止とは、基準にしている場所に対して物が動かずに止まっている状態です。ここでは、机や地面に対して止まっている場合を考えます。
机の上で物が止まり続けているなら、物にはたらく力はつり合っています。同じ物にはたらく2つの力がつり合う条件は、次の3つです。
- 大きさが等しい。
- 向きが反対である。
- 同じ一直線上にはたらく。
ばねにつるしたおもりが静止していれば、おもりにはたらく上向きの力と下向きの重力の大きさが等しいと考えます。
「上へ動いているから、必ず上向きの力のほうが大きい」とは言えません。一定の速さでまっすぐ動く場合も、力はつり合います。また、動いている物が一瞬止まっただけの場合と、止まり続けている場合は区別しましょう。
ポイント：まず「どの物にはたらく力を考えるか」を決めましょう。おもりにはたらく2力と、おもりがばねを引く力を混ぜないことが大切です。
5 コラム：重さと質量、ばねばかりとてんびん
日常では「重さ100g」と言いますが、科学では次のように区別します。
| 言葉 | 意味 | 単位 |
|---|---|---|
| 質量 | 場所を移しても変わらない、物そのものの量 | g、kgなど |
| 重さ | 物にはたらく重力の大きさ | N（ニュートン）など |
小学生向けの問題では、慣例的に「おもりの重さ」をgで示すことがあります。この記事の計算もその表記に合わせます。同じ場所で比べれば、質量が2倍のおもりにはたらく重力も2倍になるためです。
地表付近の重力は、緯度などによって少し異なり、赤道より極に近い所で大きくなります。したがって、赤道で目盛りを合わせたばねばかりを、調整せずに極へ移すと、同じ物でも大きな値を示すことがあります。質量そのものが増えたわけではありません。
一方、等しい腕の長さのてんびんで物と分銅を比べる場合、両方が同じ場所の重力の影響を受けるため、つり合う質量の関係は変わりません。温度や浮力、器具の誤差などを無視した比較です。
「赤道で1000gなら北極で必ず1005g」と覚えるよりも、ばねばかりは力を利用して測り、てんびんは物と分銅を比較するという違いを押さえましょう。
6 ばねののび：力に比例する範囲
同じばねにおもりを少しずつ加え、静止したときの長さを測ります。全長から、何もつるさないときの長さを引いた値が「のび」です。
| おもりの重さ（g） | 0 | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| ばねののび（cm） | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
この例では、おもりを2倍、3倍にすると、のびも2倍、3倍になります。のび÷おもりの重さが一定で、比例の関係です。横軸をおもりの重さ、縦軸をのびにすると、グラフは原点を通る直線になります。
実際のばねは、強く引きすぎると比例関係が崩れたり、元に戻らなくなったりします。また、種類によっては伸び始めるまで一定の力が必要なものもあります。問題で示された表・グラフや、比例する範囲を確かめて使いましょう。
実験では、器具をしっかり固定し、指定された荷重を超えないようにします。おもりの落下や、ばねの跳ね返りにも注意してください。
7 例題①：のびを求める・重さを求める
10gのおもりで3cmのびるばねを使います。以下の範囲で、のびはおもりの重さに比例するものとします。
問1 50gのおもりでは何cmのびる？
| 手順 | 計算 |
|---|---|
| おもりの重さは何倍か | 50÷10＝5倍 |
| のびも5倍にする | 3×5＝15cm |
答え：15cm
問2 21cmのびたとき、おもりは何g？
| 手順 | 計算 |
|---|---|
| のびは何倍か | 21÷3＝7倍 |
| おもりの重さも7倍にする | 10×7＝70g |
答え：70g
ポイント：「重さの倍率」と「のびの倍率」を対応させます。別のばねに変えたときまで、同じ割合を使えるとは限りません。
8 ばねの縮み：条件を確かめて比例を使う
押し縮めて使うばねでも、一定の範囲で、加える力と縮みが比例する場合があります。例えば、台などの重さを考えなくてよい装置で、次の関係が与えられたとします。
| 加えるおもりの重さ（g） | 0 | 10 | 20 | 30 |
|---|---|---|---|---|
| 縮み（cm） | 0 | 2 | 4 | 6 |
10gから30gにすると3倍なので、縮みも2cmから6cmへ3倍です。計算の考え方は、のびと同じです。
ただし、同じ重さなら、どのばねでものびと縮みが同じになるわけではありません。ばねの種類や装置の条件が違えば、変形する量も違います。台の重さや、初めから縮められている分を含めるかも確認しましょう。強く押して巻いた部分どうしが接すると、それ以上は同じ規則で縮みません。
9 自然長・のび・全長：3つの長さ
| 用語 | 意味 | 例 |
|---|---|---|
| 自然長 | 外から引いたり押したりしていない、もとの長さ | 10cm |
| のび | 自然長から長くなった分 | 2cm |
| 全長 | ばね全体の長さ | 10＋2＝12cm |
ばね自体の重さを無視する学習問題では、「何もつるしていないときの長さ」を自然長として扱います。測る範囲にフックなどを含むかは、図の指定に従ってください。
全長＝自然長＋のび
のび＝全長−自然長
自然長＝全長−のび
押し縮めた場合は、全長＝自然長−縮みです。自然長は、同じばねを同じ条件で元に戻して使う場合の基準になります。引きすぎて変形したばねまで「いつでも同じ長さに戻る」とは言えません。
10 例題②：全長を求める
あるばねについて、比例する範囲で次の表が得られました。
| おもりの重さ（g） | 10 | 20 | 30 | 40 | 50 |
|---|---|---|---|---|---|
| のび（cm） | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 |
| 全長（cm） | 12 | 14 | 16 | 18 | 20 |
問1 10gのおもりで何cmのびる？
表から、2cmです。
問2 自然長は何cm？
全長−のび＝12−2＝10cmです。他の列でも14−4＝10cmと確かめられます。
問3 同じ比例関係が続くとして、70gのときの全長は？
| 手順 | 計算 |
|---|---|
| 重さの倍率 | 70÷10＝7倍 |
| のび | 2×7＝14cm |
| 全長 | 10＋14＝24cm |
答え：24cm
ポイント：「のび14cm」で計算を終えないこと。求めるものが全長なら、最後に自然長を足します。
11 最大の落とし穴：「のび」と「全長」の比例
自然長10cm、10gのおもりで1cmのびるばねを考えます。
| おもりの重さ | のび | 全長 |
|---|---|---|
| 10g | 1cm | 11cm |
| 20g | 2cm | 12cm |
| 30g | 3cm | 13cm |
おもりが2倍でも、全長は11cmから12cmになり、2倍ではありません。比例するのびに、一定の自然長が足されているためです。
また、「0から始まる量なら比例する」という覚え方は誤りです。0から始まっても、曲線になる関係などがあります。比例かどうかは、対応する値の比が一定か、グラフが原点を通る直線かを確認しましょう。
このばねの例では、のびのグラフは原点を通る直線、全長のグラフは自然長10cmから始まる直線です。
12 表とグラフの読み方：縦軸を確認する
自然長10cm、10gで1cmのびる同じばねの例です。
| おもりの重さ（g） | 0 | 10 | 20 | 40 | 60 | 100 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| のび（cm） | 0 | 1 | 2 | 4 | 6 | 10 |
| 全長（cm） | 10 | 11 | 12 | 14 | 16 | 20 |
同じ座標軸に2本のグラフを描くと、比例する範囲では平行になります。同じおもりの重さに対する、縦方向の値の差が自然長の10cmです。2本の直線の間を斜めに測った最短距離のことではありません。
- 横軸・縦軸の名前と単位を読む。
- 1目盛りがいくつかを確認する。
- 0gのときの全長から自然長を読む。
- おもりを一定量増やしたときの、のびの増加量を読む。
- 求める値が「のび」か「全長」かを確かめて計算する。
「10gあたりののび」と「グラフの1目盛り」は同じ意味ではありません。0gの値が表にない場合は、全長とのびの差や、与えられた比例関係から自然長を求めます。
13 コラム：フックの法則
ばねに加わる力とのびが、一定の範囲で比例する関係をフックの法則といいます。イギリスの科学者ロバート・フックの名にちなむ法則です。
ここで大切なのは、人物名だけでなく、「全長ではなく、のびが力に比例する」「成り立つ範囲がある」という内容です。押し縮めた量についても、条件が合う範囲では同じ考え方を使えます。
この比例関係は、力を測る道具などのしくみを理解する手がかりになります。
14 身近なばね①：衝撃をやわらげる・動きを戻す
| 道具 | ばねの役割の例 |
|---|---|
| コイルばねを使うマットレス | 体を支え、荷重を受けてたわむ |
| 自動車のサスペンション | 路面からの衝撃をやわらげる |
| ノック式ボールペン | 芯などを元の位置へ戻そうとする |
自動車では、ばねだけでなく、揺れを抑えるダンパーなども組み合わせて使います。ばねだけですべての振動がすぐ消えるわけではありません。
ノック式ボールペンは、ばねと芯を固定・解除するしくみを組み合わせています。「押して離すと必ず先が引っ込む」わけではなく、押すたびに出し入れするものがあります。ボールペンを衝撃緩和の代表例として分類しないようにしましょう。
らせん状に巻いたものをつる巻きばねといいます。ただし、同じ用途でも、使われるばねの形や材料は製品によって異なります。
15 身近なばね②：重さをはかる
| 道具の例 | 利用する変化 |
|---|---|
| 引っ張りばね式のばねばかり | 力によるのび |
| 圧縮ばね式の台ばかり | 力による縮み |
変形する量と力が比例する範囲では、同じ力の増加に対して同じ量だけ変形するため、等間隔の力の目盛りを付けられます。
ただし、台ばかりがすべて圧縮ばねで測るわけではありません。電子式など、別のしくみの製品もあります。また、使用前の0点調整や、測れる範囲を守ることも大切です。
16 身近なばね③：物を動かす・押さえる
| 道具 | 利用のしかた |
|---|---|
| 洗濯ばさみ | 元に戻ろうとする力で物を挟む |
| ぜんまいを使うおもちゃ | 巻いたぜんまいが戻るときに車輪などを動かす |
| 金属製のクリップ | たわんだ金属が戻ろうとする力で紙を押さえる |
ばねは、何もない所からエネルギーを生み出しているわけではありません。ぜんまいなら、人が巻くときに加えたエネルギーをたくわえ、それを使って動きます。
教材でいう「力のもとになる働き」は、このように元に戻ろうとする力を利用することです。一つの道具で、複数の働きが利用される場合もあります。
17 コラム：ばねはコイルだけではない
ばねには、つる巻きばねのほか、板状のばねやうず巻きばねなどがあります。形が違っても、変形したあとに元へ戻ろうとする性質を利用しています。
金属製のクリップも、その例です。ただし、大きく曲げすぎると元の形に戻らなくなります。「金属ならどんな曲げ方でも戻る」わけではありません。
一部の昇降いすなどでは、圧縮した気体の圧力を利用するガススプリングが使われています。これは金属のコイルを使うばねとはしくみが異なります。「ばねのような働きは、金属だけに限らない」と考える手がかりになります。
身近な道具の観察は、外から見える範囲で行いましょう。特に、圧力のかかった部品や強いばねは、分解・加熱しないでください。
18 用語と単位の整理
| 用語 | 意味 |
|---|---|
| 重力 | 地表付近では、物に下向きにはたらく力 |
| 静止 | 基準にする場所に対して止まっている状態 |
| 自然長 | ばねを外から変形させていない、もとの長さ |
| のび | 全長から自然長を引いた長さ |
| 全長 | ばね全体の長さ |
| 比例 | 対応する値の比が一定になる関係 |
| 弾性 | 力で変形した物が、力を取り除くと元へ戻ろうとする性質 |
計算では、cmとmm、gとkgなどの単位をそろえます。gは本来、質量の単位です。「おもりの重さ○g」という表記は、この単元の学習上の慣例として読みましょう。力そのものを表す単位Nとの区別は、今後の学習にもつながります。
19 基本の計算を整理しよう
| 求めるもの | 考え方 |
|---|---|
| のび | おもりの倍率を求め、もとののびに掛ける |
| おもりの重さ | のびの倍率を求め、もとのおもりの重さに掛ける |
| 全長 | のびを求め、自然長を足す |
| 自然長 | 全長からのびを引く |
例えば、10gで2cmのびるばねなら、1gあたりののびは2÷10＝0.2cmです。倍率の代わりに、「1gあたり」を求めて計算する方法もあります。
全長だけを与えられたときは、まず自然長を引いてのびに直します。全長の数字を、そのまま比例計算に使わないようにしましょう。表・グラフから規則を求める問題では、「何g増えると、何cm増えるか」も役立ちます。
20 親子で確認！要点チェック7問
この記事を振り返る独自の復習問題です。教材原本の選択肢や解答番号とは対応していません。計算は、示された比例関係が成り立つものとします。
| 問題 | 答え |
|---|---|
| 1. 地表付近で、物に下向きにはたらく力は？ | 重力 |
| 2. 机や地面に対して、物が動かずに止まっている状態は？ | 静止 |
| 3. 1本のひもに鉛直につるされ、静止するおもりにはたらく2力は？ | 下向きの重力と、ひもが上向きに引く力 |
| 4. 10gで1cmのびるばねに50gをつるすと、のびは？ | 1×（50÷10）＝5cm |
| 5. 同じばねが8cmのびたとき、おもりは？ | 10×（8÷1）＝80g |
| 6. 0gで全長10cm、10gで全長11cmのばねに70gをつるすと、のびと全長は？ | のび7cm、全長17cm |
| 7. 元に戻ろうとする力で、物を動かしたり挟んだりする道具の例は？ | ぜんまいを使うおもちゃ、洗濯ばさみなど |
問6では、10gあたりののびが11−10＝1cmです。70gならのびは7cm、全長は10＋7＝17cm。「のび」と「全長」の2つを、別々に書きましょう。
21 親子で最終チェック！10問クイズ
答えを隠して説明してみてください。数値問題では、比例する範囲で考えます。
Q1. 重力とは？ 机の上で物が止まり続けているときには、どのような力がはたらく？
地表付近では、物に下向きにはたらく力です。机の上の物には、下向きの重力と机が上向きに支える力がはたらき、つり合っています。止まっていても、力がなくなるわけではありません。
Q2. 2つの力がつり合う条件は？ 力の数はいつでも2つ？
同じ物にはたらく2力が、大きさが等しく、向きが反対で、同じ一直線上にはたらくことです。物には3つ以上の力がはたらく場合もあります。
Q3. 1本のひもにおもりを鉛直につるして静止させたとき、おもりにはたらく2力は？
地球による下向きの重力と、ひもが上向きに引く力です。空気の影響などを無視すると、この2力の大きさは等しくなります。
Q4. 10gで2cmのびるばねに、①30gをつるすとのびは？ ②15cmのびたとき、おもりは？
①30÷10＝3倍なので、2×3＝6cm。②15÷2＝7.5倍なので、10×7.5＝75gです。小数の倍率でも、同じ考え方で解けます。
Q5. 自然長・のび・全長の関係を式で表そう。
全長＝自然長＋のびです。のび＝全長−自然長、自然長＝全長−のびとも表せます。押し縮めた場合は、全長＝自然長−縮みです。
Q6. 自然長10cm、10gで1cmのびるばねに40gをつるすと？ 全長はおもりの重さに比例する？
のびは1×（40÷10）＝4cm、全長は10＋4＝14cmです。のびは比例しますが、全長には自然長10cmが加わるので比例しません。
Q7. 全長とのびのグラフから、自然長はどう読む？
0gのときの全長を読みます。また、同じ重さに対する「全長の値−のびの値」でも求められます。2本の線の縦方向の値の差であり、斜めに測った距離ではありません。
Q8. ばねの利用を3つに整理し、それぞれ道具を挙げよう。
衝撃をやわらげる例は自動車のサスペンション、力を利用して重さを測る例はばねばかり、元に戻ろうとする力で物を動かす例はぜんまいのおもちゃです。ボールペンでは、芯を戻そうとする働きなどを使います。
Q9. ばねばかりに等間隔の力の目盛りを付けられるのはなぜ？
比例する範囲では、加える力を同じ量だけ増やすと、のびも同じ量だけ増えるためです。比例が成り立つ範囲や、使用前の0点を確かめます。
Q10. 同じ物を赤道から極へ移すと、質量は増える？ ばねばかりとてんびんでは何が違う？
質量そのものは増えません。重力の大きさが変わるため、赤道で調整したばねばかりを再調整せずに使うと、表示が変わることがあります。等しい腕の長さのてんびんでは、物と分銅の両方に同じ場所の重力がはたらくため、つり合う質量の関係は変わりません。
22 まとめ：取り組み方のコツ
- 「のび」と「全長」を図で分ける。比例するのは、条件のそろった範囲での「のび」です。
- 計算は「何倍？」から。重さの倍率とのびの倍率を対応させ、途中式を残しましょう。
- 全長なら自然長を足す。逆に、全長からのびへ直すなら自然長を引きます。
- グラフは軸・単位・目盛りを先に読む。原点を通るだけでなく、直線かどうかも確認します。
- 力の図は、どの物にはたらくかをそろえる。静止するおもりの上向き・下向きの力を、同じ長さの矢印で示してみましょう。
ばねは、力・つり合い・比例をつなぐ教材です。合言葉は「まずのび、次に全長」。3つの長さの表、例題2本、要点チェック7問、10問クイズを使って、答えだけでなく理由も親子で確かめてみてください。本日の伴走も、おつかれさまでした！
補足の確認資料：学校図書「中学校理科教科書Web版：重さと質量」、国土地理院「重力の性質」。小学生向けの表記と、今後学ぶ科学用語の区別を補っています。
用語・表・グラフをくり返し確認！単元に合わせた暗記カード
「のびと全長を取り違える」「グラフから自然長を読むのが苦手」。そんなときは、短い問いで知識を確かめ、例題で使い直す復習を取り入れてみませんか？
小4下 理科 第6〜9回セットには、第6回「物の溶け方（1）」、第7回「物の溶け方（2）」、第8回「流水と地形」、今回の第9回「ばね」を収録しています。
1枚に複数の問いを配置し、図や裏面のワンポイントも使って、関連する知識を確認できるように工夫しています。リング付き・カット済み・穴あけ済みなので、カードを切り分ける準備は不要です。
まずは「用語を確認する日」「表とグラフを読む日」と小さく区切り、間違えたカードをあとでもう一度。「どうしてその答えになる？」と、親子で計算の理由を説明し合う復習にもご活用ください。
第9回「ばね」の暗記カードサンプルです。力、自然長・のび・全長、表やグラフ、身近な利用などの問いを掲載しています。
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