05-07真空環境実験

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1 ( 科 学 実 験 7) 真 空 ってどんなこと? 真 空 環 境 実 験 ( 写 真 左 上 ) 製 作 した 真 空 装 置 ( 写 真 右 上 ) 容 器 内 のマシュマロが 膨 張 した 様 子 容 器 の 右 側 にあるのが 大 気 中 の 大 きさ ( 写 真 右 ) 容 器 内 の 水 が 沸 騰 する 様 子 < 目 次 > 1.ねらい< 目 的 と 概 要 > 1 2. 材 料 集 めのための 情 報 やヒント 1 3. 実 験 材 料 用 具 3-2. 製 作 3-3. 実 験 4. 安 全 対 策 3 5. 科 学 する 心 を 育 てるための 具 体 的 なヒント 4 6.この 教 材 を 用 いることのできる 子 どものレベル 4 7.この 教 材 を 用 いることのできる 活 動 団 体 の 経 験 年 数 4 8. 関 連 項 目 学 習 指 導 要 領 との 関 連 8-2. 活 動 総 覧 ( 活 動 マップ) 8-3. 教 材 系 統 図 (カリキュラムマップ) 8-4.キーワード 9. 補 足 資 料 4 本 教 材 は 宇 宙 とのつながりを 軸 として 科 学 を 身 近 に 感 じてもらうために 作 った 科 学 教 材 です 本 教 材 の 利 用 による 事 故 等 については 一 切 責 任 を 持 ちかねます ので 本 教 材 の 利 用 は 経 験 のある 指 導 者 の 指 導 の 下 に 行 って 下 さい 2007 年 ( 平 成 19 年 )2 月 28 日 宇 宙 教 育 のためのリーダー 育 成 委 員 会

2 真 空 ってどんなこと? - 真 空 環 境 実 験 - 1.ねらい< 目 的 と 概 要 > 宇 宙 空 間 は 空 気 ( 気 体 )のほとんどない 世 界 です 簡 単 な 真 空 装 置 の 製 作 を 楽 しみ これを 用 い て 真 空 状 態 (に 近 い 状 態 )でどんなことが 起 こるのか 実 際 に 実 験 を 行 って 調 べます 本 実 験 は 本 教 材 集 大 気 と 真 空 の 続 編 です 2. 材 料 集 めの 情 報 やヒント 本 教 材 の 真 空 装 置 は 比 較 的 入 手 しやすい 安 価 なもので 製 作 できるようにしています したがっ て 強 度 や 耐 久 性 は 市 販 の 教 材 キット( 参 考 :リーダー 育 成 教 材 大 気 と 真 空 )に 劣 りますが 1 回 の 活 動 には 十 分 耐 えうるものです 入 手 しにくいのは 注 射 器 ですが 理 科 教 材 を 扱 っている 店 などで 見 当 たらない 場 合 は, 通 信 販 売 で 入 手 することができます ホビー 用 品 やペット 用 品 にある 注 射 器 は 容 量 が 小 さいため 不 向 きです 中 村 理 科 科 学 のおみせ 個 組 5,145 円 ) 仮 説 社 注 射 器 :1 個 63 円 真 空 ポンプ1セット 525 円 ) 3. 真 空 装 置 の 製 作 と 実 験 3-1. 材 料 用 具 1) 材 料 50ml ディスポーザブル 注 射 器 プラスチック 密 閉 容 器 ねじ 式 パッキン 式 のどちらでもよいが 透 明 で 丈 夫 なもの 空 気 を 抜 いて 内 部 の 気 圧 が 下 がるとフタがゆがみやすいので フタが 丈 夫 なものがよい ビニールチューブ( 外 径 7mm 内 径 4mm) 長 さ 40cm 観 賞 魚 販 売 店 などでエアポンプ 用 など 外 径 が 合 わない 場 合 は 近 いものを 選 び 製 作 時 に 容 器 に 開 ける 穴 の 大 きさを 調 節 する 素 材 はシリコン 製 の 方 が 耐 久 性 に 優 れるので 丈 夫 に 作 りたい 場 合 は 用 いるとよい ビニールテープ 2) 用 具 千 枚 通 し はさみ スタンド 付 き 電 動 ドリルまたはハンダごて リーマー ラジオペンチ 3-2. 製 作 真 空 装 置 は 簡 易 真 空 ポンプ 簡 易 真 空 容 器 これ らをつなぐチューブから 成 っています 1) 簡 易 真 空 ポンプの 製 作 1ビニールテープを 長 さ 15mm に 切 ったものを2 枚 作 ります それぞれ 注 射 器 の 径 に 合 わせて1 辺 を 丸 くカットします( 写 真 1) 2 注 射 器 のピストンを 抜 きます 写 真 1 簡 易 真 空 ポンプ 材 料 1

3 3 注 射 器 のシリンダーの 先 端 に 直 径 2mm 程 度 の 穴 を 開 けます 位 置 は 中 心 と 外 壁 のちょうど 中 間 ノズルとは 反 対 側 です( 写 真 2) 写 真 2 穴 あけ 4ビニールテープ1 枚 を3で 開 けた 穴 をふさぐよう に 貼 りつけます( 写 真 3) 写 真 3 排 気 弁 5 注 射 器 のピストンを 立 て もう1 枚 のビニールテ ープを 粘 着 面 を 上 にして 載 せます 上 からシリ ンダーをかぶせるようにしてはめます このとき ビニールテープがノズルの 穴 の 位 置 に 来 るように 調 節 します ビニールテープがシリンダーの 側 面 に 貼 りつかないよう 注 意 してください( 写 真 4) 写 真 4 吸 気 弁 5 6ピストンをシリンダーの 奥 に 突 き 当 たるまで 押 し 込 み ビニールテープでノズル 穴 を 内 側 からふさ ぎます 失 敗 したらノズルから 針 金 などを 差 し 込 んではがし 新 しいビニールテープを 用 意 してや り 直 します( 写 真 5) 写 真 5 吸 気 弁 と 排 気 弁 7ピストンを 引 くとノズルからシリンダーに 空 気 が 入 り ピストンを 押 すと 開 けた 穴 から 排 気 されます はじめはテープが 密 着 しているので 力 がいりますが 数 回 抜 き 差 ししてなじませ ます 2) 簡 易 真 空 容 器 の 製 作 1 容 器 の 側 面 の 上 から 3cm 位 のところに 直 径 6mm の 穴 をドリルで 開 けます ビニールチューブ の 外 径 が 7mm でない 場 合 は 外 径 より 1mm 程 度 小 さな 穴 を 開 けます ドリルが 使 えない 場 合 はハ ンダごてで 溶 かして 小 さめの 穴 を 開 け テーパー 写 真 6 穴 あけ 2

4 リーマーでくり 広 げます 穴 を 大 きくしすぎたときは ビニールテープを 貼 って 穴 をふさい でおけば 大 丈 夫 です 別 の 穴 をあけます( 写 真 6) 2ビニールチューブの 一 端 を 注 射 器 の 先 端 のように 30 度 ぐらいの 角 度 で 斜 めに 切 ります 3 斜 めにカットしたチューブの 先 端 を 容 器 の 穴 に 差 し 込 み 内 側 に 出 た 先 端 をラジオペンチではさん で 強 く 引 き むりやり 穴 にはめ 込 みます (チュ ーブが 外 径 より 小 さい 穴 にはまることで 弾 力 で 内 側 からしっかりと 密 着 します 接 着 剤 は 不 要 で す )( 写 真 7) 写 真 7 チューブを 通 す 3) 真 空 装 置 チューブのもう 片 方 の 端 を 注 射 器 につないで ビ ニールテープでとめれば 簡 易 真 空 装 置 の 完 成 です 注 射 器 のピストンを 往 復 してみて 真 空 容 器 から 空 気 が 抜 けていくか 確 認 してください 一 度 空 気 を 抜 くとふたはなかなか 開 きません 真 空 状 態 をもとに 戻 すためには チューブをぬいて 空 気 を 真 空 容 器 に 入 れます このあとまた チューブを 入 れ 込 めば 良 いです( 写 真 8) 写 真 8 真 空 装 置 の 完 成 3-3. 実 験 1)ものが 膨 張 する 日 常 では 大 気 の 圧 力 のために 小 さくなっているも のは 大 気 のない 真 空 状 態 にすると 大 きくなります マシュマロや 小 さくふくらませた 風 船 を 入 れて 真 空 状 態 を 作 ってみます マシュマロや 風 船 がだんだ んと 大 きく 膨 張 していくのがわかります( 写 真 9) 2) 水 の 沸 騰 水 は1 気 圧 の 時 は 100 度 Cで 沸 騰 しますが 大 気 の 圧 力 が 低 いと 低 温 で 沸 騰 します たとえば 地 上 か ら1km の 高 さの 高 地 ( 約 0.89 気 圧 )では 約 97 度 Cで 沸 騰 します 一 度 沸 騰 させた 水 を 少 しさまして から 真 空 装 置 に 入 れて 真 空 状 態 を 作 っていくと あ る 真 空 状 態 で(すなわち 気 圧 がある 程 度 さがると) 水 が 沸 騰 をはじめます よく 観 察 すると 水 の 底 で はなく 水 の 中 から 沸 騰 している 様 子 がわかります ( 写 真 10) 写 真 9 写 真 10 3

5 3) 炭 酸 炭 酸 ジュースなどに 炭 酸 は 大 気 圧 が 低 くなると 炭 酸 の 溶 解 度 が 落 ちるために 気 体 となっ て 液 体 から 出 てきます 炭 酸 の 入 った 液 体 を 真 空 装 置 に 入 れて 真 空 を 作 っていくと 炭 酸 ガスが 出 てきます 4) 綿 毛 花 びらの 落 下 少 し 大 きめの 真 空 容 器 を 用 いることができれば 空 気 抵 抗 の 大 きな 綿 毛 や 花 びら 紙 片 など の 落 下 実 験 を 行 うことができます 空 気 抵 抗 の 小 さい 物 体 と 比 較 します 5)ラップ 破 り ふたの 代 わりにラップをかけてまわりをゴムでとめて 真 空 に 引 いていくと ラップが 大 き くくぼんでいき パンッと 大 きな 音 とともに 破 れます 6)その 他 楽 しい 実 験 を 各 団 体 で 考 えてみてください 4. 安 全 対 策 製 作 に 際 しては 本 教 材 集 の 安 全 管 理 刃 物 及 び 工 具 類 の 使 い 方 を 参 照 のこと 空 気 を 抜 く 際 に は 真 空 ポンプ( 注 射 器 のピストンを 引 く 際 )にかなり 力 が 必 要 であるので 容 器 が 倒 れたりしない ように 注 意 すること 5. 科 学 する 心 を 育 てるための 具 体 的 なヒント 1) 真 空 装 置 を 作 ったら どんな 実 験 ができるかみんなで 考 えてから 実 験 すると 良 いでしょう 特 に 大 気 圧 と 真 空 の 学 習 はある 程 度 はしておく 方 が 良 いと 思 われます 2) 本 教 材 の 真 空 装 置 を 使 う 実 験 以 外 にも 様 々の 真 空 実 験 を 考 えることができます 本 教 材 集 大 気 と 真 空 も 参 考 にして いろいろの 実 験 を 工 夫 してみましょう 3) 真 空 環 境 はどんな 状 態 なのか 熱 はどのように 伝 わるのか 音 は? 光 は?などと 考 えて 議 論 し 興 味 を 持 って 調 べるきっかけづくりをおこなってください 6.この 教 材 を 用 いることのできる 子 どものレベル 小 学 低 学 年 からでも 可 能 ですが 製 作 は 保 護 者 とともにする 必 要 があります 7.この 教 材 を 用 いることのできる 活 動 団 体 の 経 験 年 数 製 作 に 関 する 指 導 経 験 が 必 要 です 実 験 は 経 験 年 数 にかかわらず 実 施 可 能 です 8. 関 連 項 目 8-1. 学 習 指 導 要 領 との 関 連 : 小 学 校 編 : 理 科 の 内 容 C 地 球 と 宇 宙 中 学 校 編 : 理 科 の 内 容 第 1 分 野 身 近 な 物 理 現 象 8-2. 活 動 総 覧 ( 活 動 マップ): 人 工 衛 星 8-3. 教 材 系 統 図 (カリキュラムマップ): 科 学 工 作 科 学 実 験 人 工 衛 星 8-4.キーワード: 真 空 大 気 大 気 圧 圧 力 真 空 ポンプ 4

6 9. 補 足 資 料 9-1. 真 空 度 地 上 は1 気 圧 ですが 地 上 からの 高 度 とともに 気 圧 は 下 がり 真 空 度 が 増 してゆきます ISS ( 国 際 宇 宙 ステーション)が 居 る 高 度 400km では 気 圧 は (hpa)( 気 圧 )です 気 体 密 度 は 地 上 が 1.22kg/m 3, 高 度 400km では kg/m 3 です 窒 素 分 子 (N2)や 酸 素 分 子 (O2)は 地 上 では1 立 方 メートル(1m 3 )あたり ~10 23 個 存 在 していますが 地 上 400km で は1 立 方 メートルあたり,それぞれ 約 個 ( 地 上 の1 兆 分 の1!!) 約 個 しか 存 在 しな い(この 他 に 主 なものとして 酸 素 原 子 が 約 個 窒 素 原 子 が 個 ヘリウム 原 子 が 約 個 存 在 しています) 大 気 圏 外 となって 宇 宙 空 間 の 始 まる 地 上 1000km では 水 素 原 子 と 酸 素 原 子 電 離 電 子 が 約 個 /m 3 ヘリウム 原 子 が 約 個 /m 3 となりそれ 以 外 の 気 体 はほとんどみられな くなります 参 考 文 献 : 理 科 年 表 平 成 19 年 ( 国 立 天 文 台 編 ) 丸 善. 教 材 提 供 :YPC( 横 浜 物 理 サークル) 渡 辺 泰 樹 氏 追 記 編 集 : 宇 宙 教 育 のためのリーダー 育 成 委 員 会 教 材 開 発 グループ お 問 合 せ 先 : 財 団 法 人 日 本 宇 宙 少 年 団 TEL FAX kyozai@yac-j.or.jp 発 行 : 宇 宙 航 空 研 究 開 発 機 構 宇 宙 教 育 センター JAXA 無 断 転 載 を 禁 じます 5