銅板の温まり方を調べる <もののあたたまり方>

銅板の温まり方

 銅板にフリクションマーカーを塗って、熱の伝わり方を調べる実験。

 “こんなもんでいいよ”って、荒っぽいストライプをフリーハンドで塗るように指示。

 焦がさぬように、アルコールランプを使用して、銅板を置くための断熱版も用意しておく。断熱版ってのは、近所の建築現場でもらってきたサイディングと呼ばれている外壁材。

 アルコールランプと三脚、マッチのお友達は自分たちで準備すると指示。子どもたちが取りに行くと、元の所に返すから、用意はしすぎない方が良い。

銅板の温まり方銅板の温まり方

 塗っているのを見ると、荒いなぁって思うけど、炙ってみるときれいな円に見えるもんだ。

銅板の温まり方銅板の温まり方

 銅板は班に2枚。マーカーも2本。つまり、二人で1実験。1枚の銅板で真ん中からと端からとをやってしまう。

 

 “銅板をあたためると白くなるってわかった”なんて考察を書くなよ、って机間巡視しながら言うと、「モロ、そのとおり書いてるやん」って子が居る。やっぱり4年生なんだワ。

 温めると色が消えるマーカーで実験してるんだ。テーマの銅板の温まり方はどうかを、図、矢印、円なんかで書いて、言葉でも表すんだよ、ってね。何度も、「それは結果や、考察は課題の答えとして書く!」って言われて、論理的な作文力が育っていくのだ。

 

 消えて白くなるってのは楽しいんだよね。実験終わりには、“全部消しても良い?”って言うのでOK。すぐ次のクラスが使うから、消してくれる方がありがたい。

 2クラス目が終わったら、来年スグに使えるような白い紙を貼った銅板ばかりが返ってきた。去年貼ったシートだから3年間も持ちそう。

 

 片づけは、もとどおりコンテナに収めて、マッチ箱にはマッチを3本にして返却してくる。こんな気づかいがあると準備も片付けも楽。


 


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ものの温まり方の可視化 <もののあたたまり方>

1 金属には フリクションマーカー (60℃)

銅版のあたたまり方銅版の準備

 銅板に熱が伝わっていく様子は、ロウを塗り付ける、サーモテープを貼るなどの方法でやってきた。ロウは一瞬で結果が出るので勝負が早い。ただし、光の反射で観察するために座席位置によっては見逃すことが多い。何度か使用した銅板は、ロウで覆われていても緑青が噴いてキタナイ。

 サーモテープは全面に貼るわけにもいかず、わかりにくいし、焦げ付いて後始末が必要。

フリクションマーカーで銅板の熱の伝わり方をフリクションマーカーで銅板の熱の伝わり方をフリクションマーカーで銅板の熱の伝わり方を

 そこで、フリクションマーカーを使っている。銅板に貼り付けたシールにマーカーで荒く塗りつぶして、熱にあててみる。

 ながく炎に当てているとシールは紙なので焦げる。結果が出始めたら火から外して観察し、結果を記録するのが指導上のコツ。

銅板と銅棒フリクションマーカーで実験フリクションマーカー注意書き

 このマーカーのインクは60℃で色が消える。文房具としては軸のラバーでこすってその摩擦熱で色を消せるというマーカーなのだ。温度が手ごろで、これなら火傷の危険性が少ない。

 便利なことに60℃以下に下がっても色戻りしない。ヒステリシスが強くて色が戻るのは-10℃あたりという。試しに銅板を冷凍してみたところほんのりと色が戻ってきた。

 次のクラスが実験に使うときには、そのまま上塗りしても良いが、全体を温めて色を消してしまうと良い。ま、実験後に子どもたちが勝手に色を全部消してくれることが多いのでそんな必要がないので助かる。

 フリクションマーカーは、実験専用なので使用後はポリ袋に入れて密封して保存している。一年で使えなくなるなんてヤだから。

2 金属には、サーモテープ (50℃、60℃)

銅棒のあたたまり方銅棒のあたたまり方銅棒のあたたまり方

 教科書にも出ているサーモテープを使って温度変化を可視化することが多い。でも、後始末が要る。次の実験前に溶けたり焦げたりしているテープを剥がして貼り替える作業だ。一部貼り替えるよりも、全部剥がしてサンドペーパーで磨いて新しく貼る方がキレイ。

 テープは反応温度が決まっている。高すぎないのを選択することが必要。50℃(黄)と60℃(赤)を使用している。

 テープの色変化を観察するだけでなく、手で触って温度を確かめることもさせたい。火傷をしない触り方ってのも実験のスキルの一つなのだ。

3 液体の温まり方の実感を (100℃)

水のあたたまり方水のあたたまり方水のあたたまり方

 水の温まり方も、銅棒と同じように手で温度を感じたいものだ。

 写真は、ガスバーナーを2台出して、二人で2実験。一人は試験管の下部を加熱し、もう一人は試験管の上部を温める。

 上部を加熱するのは先に素手で先生がやって見せた。試験管をじかに持っていると、「ボコボコ言ってるけど、熱くない」ってのが楽しい実験なのだ。下から温めるのは試験管ばさみは必須。人のいない方に向ける配慮も。

 すぐ結果が出る実験なので、水だけでなく、サーモテープ、示温インクなど温度を可視化できるものを入れて観察する実験をまとめてすることが出来る。

4 液体に、サーモテープは (50℃)

示温テープはよく縮む示温テープのやりなおし

 試験管の水の温まり方をサーモテープを入れてやってみた。業者が売っていたのは背にアルミ板を使っているので、熱伝導率が良くて全体の色が変わってしまう。そこで、プラスチックベースに変更してみた。

 試験管の上部を温めると上だけ色が変わる。下から温めると、全体の色が変わってしまう。一度色が変わると、温度が下がってもヒステリシスで元の色に戻る温度がそれよりも低いせい。

 試験管の水を入れ替えると表示がリセットされやすいので、上部を加熱、下部から加熱の実験を続けることが出来る。

5 液体に、液晶テープ (30℃)

液晶インクで示温リボン液晶インキ

液晶インキで水のあたたまり方液晶インキで水のあたたまり方

 液晶インクという高価なものが置いてあった。黒い画用紙に下塗りをしてから液晶インクを塗った。もったいないので、テープ状にしてパウチして使ってみることにした。

 コレの良い所はヒステリシスの無いこと。瞬時に色が変わり、すぐ戻る。赤の部分が30℃、青の部分が35℃だ。それ以外の部分が黒で、温度が高いのか低いのか考えなきゃってのが難点と言える。

 中の写真は試験管上部を温めたところ。試験管を立てると色は水平に変わってくれる。右は下から温めた結果。

6 示温インクを温めてみる (40℃)

示温インクで水のあたたまり方示温インクで水のあたたまり方示温インクを使って

 示温インクって便利なものがある。40℃で色が変わってくれるので、結果が出るのが早い。写真は、24mm径の太い試験管を使っている。

 温めると斜めにした試験管の上辺をピンクの液が上っていくのが見られる。上った液は上部に滞留している。見るだけでワカル。

 ゴム栓をしているのは、放置すると液晶が沈殿するので、逆さにして混ぜやすくするため。

 原液は薄めて使い、実験後は回収して保存しておくことが出来る。

7 液体に絵の具

教科書の対流教科書の対流

 液体や気体の温まり方ってのがクセモノなんだワ。確か、“グルグルまわるねん”って教えられたような気がするが、どうですか。

 もしそうなら、釜で沸かす風呂の湯が、上が熱くて下が水なんてことは起こらないはず。温まった水は上部に滞留するのであって、グルグルと対流するのではない。

 教科書の図を見ても下降流の矢印は描かれていない。上昇するだけだ。

水のあたたまり方水の対流

 それが観察しやすいって点では、おがくずやら繊維くずを入れて観察するより、絵の具は優れている。だから教科書が採用しているのであって、指導する時には、自分が習った知識を教えないようにしないといけない。

 茹でている素麺を見て、なるほどグルグル回ってるワ、ってのは、素麺などの固形物が水より比重が重いから下がってくるのだ。しかも、グルグル回っているのは沸騰状態であって加温途中ではない、この点が誤解の始まりなのだ。

8 液体に、ポリオキシエチレンアルキルエーテル (70℃)

水のあたたまり方洗剤で水のあたたまり方を調べる

 名前はややこしいけど、“おしゃれ着洗剤”、アクロンとかエマールって商品の主成分。買うときにこの原材料名を確認。実験にあたっては、湯に洗剤を混ぜると実験が早く進むので、ポットで80℃の湯を用意しておくといい。

水のあたたまり方洗剤で水のあたたまり方を調べる水のあたたまり方

 400mLの湯に20mLほど入れて加熱すると、70℃あたりから液が白濁する。

 (左)の写真は、加熱している部分から白いもやもやが立ち上がり始めたところ。(中)の写真は加熱中で、もやもやが上っていくのが観察できる。(右)の写真は、温まった水が上部に滞留しているところ。少々温度が高く、コンロの落ちそうな所にビーカーを置くのが難点だが、断熱版を使うとビーカーが安定するし、炎が集中するので見てわかりやすい。

対流実験観察台断熱板

 加熱にあたっては、ビーカーの端だけを温めたいので断熱版を使う。断熱版の穴をガスコンロの火口と合わせてビーカーを置く。

 片づける時には断熱版が熱を蓄えているので火傷への注意が必要。 

9 気体には、液晶インキのテープ

空気のあたたまり方空気のあたたまり方

 空気の温まり方も、グルグル回るのではない。空気が自ら回るのであれば、サーキュレーターなんてものが必要なハズがない。

 使用しているのは対流観察器。熱源はヒーターを電源装置で温めている。あたたまった空気が、液晶テープの色を変えていっている。35℃で色がかわる液晶インキはレスポンスが良い。

対流実験器で空気の流れを観察する

 中に入っている木片は、線香立て。短い線香をポイントに送り込んで煙の動きを観察する。そのために、長い柄をつけてある。空気の流れを予想してから、煙で確認してみるのがいい。煙自身は温められた空気なので上昇してしまうが、写真のように流れのある所ではなびいてくれる。

 推奨する電圧は、忘れぬようにヒーターに表示しておいた。9Vってのは最新の電源装置のフルパワーだ。

 注意しなくてはならないのは、液晶インキは敏感で、手の体温や、直射日光やレフランプなどの照明の光の輻射熱で反応してしまうこと。冬の直射光が差し込む班は注意が必要。

10 気体には、示温インクのテープ

気体の対流実験

 煙を観察する都合で、暗い背景の方が見やすい。作り変えるついでに、反応の早い液晶インキも良いが、示温インクを塗った不織布に変えてみた。40℃で色が変わる。過ぎたら黒に戻る液晶インキと違ってピンクのまま。

 

 

示温テープ


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銅板の熱の伝わり方を調べる2 <もののあたたまり方>

フリクションマーカーで銅板の熱の伝わり方を

 銅板2種を温める実験をやったあと、切り欠きが二つならどうなるだろうか、と発展実験。

 ここまでは予想どおり、って言いながら、え、こっちの方が早い、って。

 あんなぁ、そこは炎の熱が直接伝わってしまった可能性も考えなくては。実験って、ホントにむずかしいんだから。

 


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銅板の熱の伝わり方を調べる <もののあたたまり方>

フリクションマーカーで銅板の熱の伝わり方を

 銅棒の熱伝導が終わって、今度は平面の銅板で実験。今度はサーモテープではなくマーカーを使う。とりあえずはマーカー塗り。急いで塗ると液が供給されにくくって薄くなってしまう。ゆっくりと5ミリ間隔で線を引けば濃い目になるはず。

フリクションマーカーで銅板の熱の伝わり方をフリクションマーカーで銅板の熱の伝わり方をフリクションマーカーで銅板の熱の伝わり方を

 アルコールランプで温めると、あっと言う間。時計を見るのを忘れたって。それよりカウントする方が確実。時折、金網の上におろして、ノートに記録する。

フリクションマーカーで銅板の熱の伝わり方を

 切り欠きがあったらどうなるか、を予想して温めてみる。これは熱くなりそうなので、二重軍手を配布しておいた。

 

 二重軍手ってのは、引き出しに片づけるときに1ペアにしておきたいので、二重にしている。黙ってると両手にはめるが、片手で大丈夫じゃないか、二重のまま使えと指示。ペアにして片づける手間が省けるから。

 熱いな、って手の感覚も持ってほしいのもあるのだけど。熱いかな?、って時の触り方は、机間巡視で指導してまわってる。特に危ないのは、炙ったつもりのない三脚の熱さによるヤケドだ。

 

示温テープ


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切り欠きが一つある銅板にシール貼り <もののあたたまり方>

切り欠き一つの銅板を用意する

 <もののあたたまり方>を、フリクションマーカーでやることにして、昨年間違えて切り欠き二つの銅板にノーカットシートを刻んで貼ってしまった。貼り終わってから、切り欠き一つの方がええやん、って気が付いたのだった。

 銅板は、未使用。ちょっと指紋がついたところが黒くはなっているが。

 シートを3つに分けて、刻んで、突き合わせて貼る。

 

 貼りながら、この切り欠きを回り込むには、角っこから温めていると焦げそうな気がしてきた。ちょっと端折って少々内側からやる方が結果が早く出そう。

 

 古い、一度は使用した銅板のロウを燃やして飛ばして、クレンザーで磨いて教師用にするとして、全部で11枚出来上がった。当面4年生は6班編成だから、十分。二人で一枚やらせるには、もう一枚作ると良いのだが、マーカーを塗る作業に時間を取られそう。やめとこ。


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水のあたたまり方のセット <もののあたたまり方>

示温インク

 水のあたたまり方のセットを作る。右から液晶インキ、サーモテープ、示温インク、試験管ばさみ、水を入れた試験管2本。

 

 水を入れた試験管で、上だけ温めたり、下から温めて、触ってみた感じで温まり方を調べる。そのあと、温度で色が変わる素材を利用して、上から温めたりしたから温めたりして、水のあたたまり方を確認する、ってセット。

 液晶インキが30℃付近、示温インクが40℃付近、サーモテープは50℃付近で色が変わる。いずれも可逆反応。ただ、サーモテープだけはヒステリシスがあって、元の色に戻る温度がもっと低い。

 フリクションマーカーは60℃で色が消え、−5℃以下で色が少々戻る。それほどひどくはないが、サーモテープは戻りにくい。でも、水を入れ替えてしまえば戻すのは簡単なので、下から温めた後、水を入れ替えて上だけ温めるって実験が出来そう。

 

 一応、試験管ばさみを出しているが、手で温度を感じながら実験したいもんだ。体感ってのは大切だからねぇ。

 

 担任に説明していると、どうやらものの温度と体積を先にやるつもりだったみたい。膨張の実験ではあんまり火は使わんのだがなぁ。鉄球を炙るぐらいで、マッチの出番は伝導・対流の方がはるかに多い。

 

 

示温テープ


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銅板を準備しておく 

銅板と銅棒

 次は人体に入るんですけど、後回しにして<もののあたたまり方>を先にやろうと思う、と4年生が言ってきた。そりゃその方が良い。せっかくマッチを擦れるようになったばかりなんだから。

 

 ということで、銅板と銅棒を出しておく。この段ボールが一番重たいんだなぁ。上段に収納するんじゃなかった。

 

 去年、マーカーを塗った銅板が出てきたので一番上に置く。「全面に塗ったら時間がかかるから、5ミリ空きでいいぞ、定規をつかわずに、フリーハンドで曲がってもいいぞ」って見せる見本。

 

 このマーカーは、60℃になると色が消える。ボールペンにもあるけどフリクションって摩擦熱で消せる筆記用具のカラーマーカー版。火にかざして、消え始めたら火から外すと、熱の伝わった形が残る、って優れもの。今までサーモテープやロウを塗っていたのからしたら、結果が「残る」、目に鮮やかに見えるってトコが優秀。

銅板と銅棒

 銅棒の方はこつこつとサーモテープを貼り付けたものがたくさん。これを外してフリクションマーカー用に磨く気持ちが起きないのでそのまんまにしてる。

 上に伝わるのが早いか、下に伝わるのが早いかを実験するならとL字に曲げた銅棒だけマーカー仕様。こっちは使うことにはならんだろう。

 


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フリクションマーカーを塗った銅板を冷凍してみた

フリクションマーカーを冷凍

 熱の伝わり方で使った銅板。片づけながら、「-10℃以下で、色が戻る場合がある」なんて書いてあったなぁ、と思い出した。

 で、銅板を重ねたまま冷凍室へ。

 

 注意書きが何だかあいまいな書き方だったのが理解できた。完璧には戻らん。ほんのり戻ってくるのだ。また60℃以上にすると消えるんだろうか。やってみるのは来年にしよう。ほんのりと残っていると、次回にマーカーを塗りやすいから。

 


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銅板の熱の伝わり方を見る実験 <もののあたたまり方>

フリクションマーカーで実験フリクションマーカーで実験フリクションマーカーで実験

 銅板の熱の伝わりを見る実験。軍手を配っておいたけど、端から炙っている班には手で持っても大丈夫、ってさせてみた。体感を大切してるというか、人体実験が好きというか、体に染みるから記憶に残りやすいんですよね。示範実験とか、黒板とチョークで理科をやっちゃうってひどい授業では、体感なんて出来ないんだから。やっぱりちょっとは熱い目に合わなくては。

 

 時々、実験に顔を出しながら、次の準備。銅棒のサーモテープが焦げていて、間隔もまばらなのが気に入らない。テープを剥がして掃除をしておいた銅棒を出して、サンドペーパーで磨いて、等間隔に貼りなおしていた。

 準備や机間巡視など、動き回りながら、ちまちまと作業をして、何とか10本揃えた。次はコレだもんな。

銅棒のあたたまり方

 片づけるときに、次にすぐ使えるようにしておきゃ良いんだけど、理科支援員でさえもそんなことはなかなか出来んもんだ。実験が始まってからあわてて間に合わせるんだから。
 


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銅棒のあたたまり方を調べてみる <もののあたたまり方>

銅棒のあたたまり方銅棒のあたたまり方

 続いて、銅棒のあたたまり方を調べる実験。

 こちらはサーモテープを貼ったもの。端まであたたまるように炙っていると、やはり火に近いところのサーモテープが融ける。

 軍手をした手でしか棒をさわらない。「色が変わったってことはここら辺は多分熱い。ここなら大丈夫」と素手で触らせてみる。色が変わるのを見てるだけじゃダメさ。熱の伝わり方なんだから、やけどに注意しながら触ってみなくては。

 時々見回りながら、フリクションマーカーの結果に気をよくして、銅棒をサンドペーパーで磨いてシール用紙を貼り付ける。

 L 字に曲げたのは、スタンドに固定しやすくするため。そして、上方向、下方向の伝わり方に違いがないことを調べるためだったが、長すぎるので断念した名残り。

 これに、マーカーを塗っておく。

銅棒のあたたまり方

 その間に理科室では、「上か、下か、おんなじか」の示範実験が始まっていた。45度に曲げたらなんとかスタンドに取り付けられたからこんな実験装置。問題はアルコールランプを高いところに置くこと。安全のために、しゃぁない、示範実験。

 アルコールランプでおっとりとあたためていては時間がかかるので、ガスバーナーを持って行ってスピードアップさせた。「棒の色が変わった」と炎の先も注目している。銅が酸化やら還元を繰り返しているのできれいな銅色になっている。

 

 この装置は、ばらさずにこのまま準備室に収納している。ばらしたら、何でこんな角度に曲げてん?って分からなくなるから。

 

 

 

 

 

 


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フリクションマーカーで熱伝導を見る実験 <もののあたたまり方>

フリクションマーカーで実験

 理科実験の校内研修会が始まったら、準備室にこもってコレに無地のシール用紙を貼り付けていました。で、カラーマーカーを仕入れておいてほしいと事務室に頼んでおきました。

 注文を頼むと、"ボールペンで書いた授業の感想をラミネートしたら消えた"とか"指導要録をコピーしたら強い光か温度かで所見欄が消えた"なんて話を聞きました。

 次の出勤で、机の上にマーカーと電子ホイッスル用のボタン電池が置いてある。こんな消える筆記用具を間違えて使ってはいけないので理科室専用ってことになった。さっそく、一枚色を塗って予備実験。

フリクションマーカーで実験フリクションマーカーで実験

 なるほど、箱には消えるって注意書きがある。60℃とか直射日光で消えるんだ。消せるボールペンは知っていたが、消せるマーカーが出てるとは知らなんだ。

 ややこしい切り込みのある方を端から炙っていく。見た通り、同心円状に消えていく。消えたってことは、60℃超えだから気を付けないとヤケドをする。また、長く炙っていると、シールの糊が煙をあげる。度を越すと焦げるから実験前の注意事項に入れておかなくては。

 実験中に、ず~っと炙ってるんじゃなく、時々火から外して観察しなさいって指示すると良いんだな。

フリクションマーカーで実験

 おまけに、良いことに床に置いて温度を下げても色は戻ってこない。つまり実験の結果が消えずに残るのだ。ロウだと冷えると固まってしまうが、ソコんトコロが良い。

 

 銅板を段ボール箱に入れて、ついでにマニュアルをパウチして入れておく。もちろん、マーカーも。

 色を塗るのはもっと荒い筋目の50%以下で十分。実験後には子どもたちがマーカーを塗って復旧させておいてくれると助かる。

 文字を消さずにマーカーラインだけ消えるってのは、摩擦の熱で色がなくなるってことなんだな。最後に、備忘録がわりに注意書きを載せておこ。

フリクションマーカー注意書き

 理科の教材屋さん、このマーカーのインクだけ筆でぬれるように売るとか、極太のマーカーを作るとかやってくれませんかねぇ。

 

 


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最終更新日: 2020/10/20

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