学校教育における熱力学指導の諸問題（6）
12
0
0
全文
(2) . ） ６ 学校教育における熱力学指導の諸問題 （. 若. 目. ０. はじめに－－本研究の目的. １ 熱力学とその基本諸法則について １ 古典熱力学の適用対象とその限界 ２ 熱力学におけるブラウン運動 （ゆらぎ） の位置 （ ） ブラウン運動 （ゆらぎ） 研究の歴史的役割 １ －－古典熱力学から不可逆過程の熱力学への発 展 （ ） 熱力 学 的 世 界 像 に お ける ゆ ら ぎ の 位 置 ２ 、ゆらぎを介しての秩序″ －－、 （ ３ ） 平衡形成過程におけるゆらぎの位置 ３ 熱力学の体系構成とゆらぎ 〈以上， 本紀要第一部Ｃ第３ ３巻第１号〉. 、温度 １ １ 熱学史からいくつかの分析－－永久機関と 、 差″ 概念を中心に １ エネルギー則形成における永久機関の役割 ２. 博. 菜. ミ クロ か らマク ロ へ のエネ ル ギー の い集 中″ の. 必要条件としての温度差 １ １ １ 熱力学の授業書化のための基本視点. １ 熱力学指導における基本諸法則の抽出－－教育. 次 ２ 熱力学の授業書化への基本視点 〈以上， 本紀要第一部Ｃ第３ ３巻第２号〉 Ｉ Ｖ 授業書 「熱力学」 の解説と授業過程 １ 授業書 「熱力学」 の構成 ２ 第一種永久機関とエネルギーの転化と保存の法 則 （ １ ） 第一種永久機関 （ ２ ） 自然認識の武器としての永久機関不能の原理 〈以上， 本紀要第一部Ｃ第３４巻第２号〉 ） 諸現象の相互転化とエネルギー保存則 （ ３ ３ エネルギーの散逸と集中 （ １ ） ブラウン運動 〈以上， 本紀要第一部Ｃ第３ ５巻第１号＞ ２ ） 微視的世界と巨視的世界 （ 〈以上， 本紀要第一部Ｃ第３ ５巻第２号〉. （ ３ ） ミ ク ロ か ら マ ク ロ へ の エ ネ ル ギーの 転 化. 、集中″ －－エネルギーの 、 〈以上， 本稿〉. 内容の設定 前号（ ３Ｘ ４ Ｘ ５ ）に引き続き， 授業書 「熱力学」 の解説と実験授業のいくつかの局面の紹介を， その分析を含めて行う。 、集 中″ （ ３ ） ミ ク ロ か らマ ク ロ へ の エ ネ ル ギ ー の転 化 － － エ ネ ル ギ ー の 、 授 業 書 の こ の 章 の 目 的 は， ミ ク ロ な原 子 ・ 分 子 の 運 動 エ ネ ル ギ ー を マ ク ロ な ェネ ル ギ ー に転 化 さ. 、温度差′ ′ にあることを認識させることである その「典型的」 なｅｘａｍｐ ｌ ｅ ｓ とし せるための条件は、 。 バ ゴ て， ①熱電対， ②ファインマンの ム ン ド車輪， ③熱機関を取り上げた。 熱電対を用いた理 由は， それが温度差があれ ばそれだ けで電流 が流れることを増幅器を利用 して劇的に見せることができ， そして， 電流という今日の子どもらの持つ 「エネルギー」 意識に結びつきやすい現象であることで ある。 ま た， ゴ ム バ ン ド車 輪 につ い て は， 第 １ に， そ れ は一 種 の 熱 機 関 で あ る の だ が， 系 （シス テ. ム） の内部エネル ギーを力学的エネルギーに変換する熱機関の仕組みとしては極めて単純であり， そのメカニズムにそれほどこだわる必要なしに， 力学的仕事をなす原因が温度差であるこ とを象徴 的に示すことが可能であること。 第２に， ゴム自体があたためると縮み， 冷やすと膨張する という １６１.
(3) . 若 菜. 博. 常識外の性質 （エントロピー弾性） を持 っており， それだ けでも十分興味深いからである。 さらに 熱機関を取り上げるのは， それがミクロなエネルギーをマクロなエネルギーに変換する代表的な装 置であることである。. Ｓ６ ミ ク ロ か ら マ ク ロ へ の エ ネ ル ギー の 転 化. 、集中″ －－エネルギーの 、. Ｓ５で， 「物体が全体として力学的エネルギーを 持っていないときでも， 物体の内部では分子が互い. ①. に力をおよぼしあい， 運動をしており， 物体の内部 に貯えられているエネルギー， すなわち， 内部エネ. ルギーが存在する」 ことを見てきた（ ６ページを参 ５ 照） 。. この内部エネルギーを人間が利用できるようにす. る方法はないだろうか。 つまり， 分子の持つミクロ な （微視的な） エネルギーを， 人間が利用できるマ. “馨象. （一｝ ｛＋）. 検流計Ｇ. ｐ ．５９ ）の中に入れるべきタイトルは， 生徒に配布す る授業書プリントには記入されてし・なし・ 。 当該部分の. ＊ （. 授業 終了 後 に生徒 に知 ら せ て 記 入 させ る。 以 下，. （. ） のタイ トルは同様である。. 表 ＸＶ. クロな （巨視的な） エネルギー， 例えば， 力学的エ ネルギーや電気エネルギーに転化する方法はないだ ろ う か。. 困難なことが１つある。 ブラウン運動の原因と なった分子の運動は， ゆらぎに見られるように， 極 めて不規則で勝手気ままなことである。 この勝手気 ままさをコントロール （制御） し， マクロなエネル ′ させ る ため に ど のよ う なこ と ギ ー と して “集 中′ ，. が必要なのか， これから考えて行くことにしよう。. ｐ ．５８. 〈６－１. 熱電対〉. 〈６－ １〉 （. ここをあたためる. ３Ａ. ３Ｂ. ３Ｃ. ３. １３. ８. 流れない. ４１. ３６÷ 一３７. ２９. Ｎ． Ａ．. ０. １→ ０. ３. １２／１０. １０／８. １０／８. ⑦ 流れる イ. 授業日 ’７ ９年. 実験で， 接合部分Ａをあたためると， 検流計の針 が振れて（ １ ０００倍の増幅器を使用した） ， ， 電流が流 れることが確められる。. ［問題２］ ）＊. Ａ. ［問題１］ 右の図６－１のように，鉄線と銅線 鋼 Ｃ ） ｕ の両端を接合して回路を作る。 そし （ て， 上の方の接合部分Ａをあたため て み る。 さて， この と きこの回 路 に. は電流が流れるだろうか。 〈予想〉. 鉄 （ Ｆ ） ｅ. 接合部分Ａがもとの温度（室温）にもどったとき， 電流は流れてし・るだろうか。 〈予想〉 ァ 流れている イ. 流 れ て い ない. 〈討論〉 〈実験〉. 図６－１. 結果 （. ）. ァ 電流は流れる イ 電流は流れない 〈討論〉. ３ Ａ＊. ３Ｂ. ３Ｃ. ァ 流れている. Ｉ. ５. Ｄ 流れてし・ない. ４８. ３５. １０／８. １０／８. 〈実験〉 結果 （. ＊. ）. 実験は図６－２のように， Ａの部分の温度を. 上げて行う。. ｐ ，６０. 表 ＸＶＩ. 授業日 ’７９年. １２／１０. ＊ ３Ａのみ授業時数不足のため， 予想・討論を省略。. １６２.
(4) . ） ６ 学校教育における熱力学指導の諸問題 （ 接合部分Ａがあたためられているときには電流が 流れ， Ａがもとの温度にもどったときには電流は流. 実 〈 １ ル. ゴ ｐ ．６１. れて い なか っ た。. 表 ＸＶｎ. ［問題３］ では， 接合部分を冷やしたときには， 電流は流れ. るだ ろう か。. り 流れる. 〈予想〉 流れる 流れない. ３Ｂ. ３Ｃ. ２. ６. Ｉ. ４４. ４３. ３９. １２／１０. １０／８. １０／８. ３Ａ. イ 流れない 授業日 ’７ ９年. 、取り出せる″ こ この節は， 熱電対により， 温度差さえあれ ば常に電流という形でエネル ギーを 、 とを示す。 「問題１ ９ ） は， 温度差による熱電対での発電のうち， まずあたためて温度差をつくる場合 」 （ｐ ．５ である。 この「問題」を扱うとき， 生徒には， 図６－１のような鉄線と銅線の回路を示すだ けで， 検. 流計や増幅器はむしろ見せずにかくしておいた方がよい。 実験の準備においては， 回路の結線は， 鉄線を検流計の十端子に， 銅線を－端子に接続する。 この結線状態で， あたためたときの電流の向 １ 〉を用いるが 検流計（ガル １， ０００倍）（ きが正になる。 電流の流れていることを示すには， 増幅器（ ， － ４ ６ バ ノメーター） は普通のもの （例 えば， 電流感度１『 Ａ， 電圧感度１ ０ Ｖ 程度） で十分だが， その. 際， 生徒を前に出さすなど， 彼らの注意を 「針の振れ」 に集中させたい。 この実験では， 反照検流 ） のために， 検流計の針の振 ０ 」 （ｐ 計などを使用すれ ば， さらに効果的であろう。 なお， 「問題２ ．６ れるのを 生徒に確認させたら， すぐに検流計を後向きにさせ， 生徒に見せないようにする。 「問題２ 」 は， 決して， 自明のことを発問しているのではない。 「接合部分を加熱した後の状態は，. 以前の温度にもどったとしても， なにか別の状態 になっている」 と考 える生徒も実際にいるから， 温度差が０のときには電流 が流れていないことに注目させるこ とは重要である。この問題の実験は， 室温にもどっ たときに検流計を見せるだけである。 「問題３ ） は冷やす場合である。 電流の正体が電子 （または， 一般には荷電粒子） の流れ 」 （ｐ ．６１ であることを知っており， 分子運動論の知識を持っている生徒ほどこの問題にひっ かかり， 温度差 に対する強い印象を与えることができる。 もちろん， これらの知識， とくに電流に関する知識を前. 提にする必要 はない。 他の金属の組み合わせでも電流 が流 れることを確認し， 温度差のある ときに 、取 り 出 せ る′ ′ こ とを 一 般 化 す る （ｐ ６２） は， 電 流 と い う 形 でマ ク ロ な エ ネ ル ギ ー が 、 。 ．. Ｉの通りである。 ただ し， ３ Ｂ・３ Ｃ 熱電対に関する問題 に対する予想分布は， 表 ＸＶ から表 ＸＶＩ プ グの問題として扱 １ ０月 ８ 日） で， この実験授業での ロロー は初期の授業 （ っ た。 ３Ａは授業時数. 不足のため， 予想・討論を省略した。 予想分布に現れているように， 電池などの電源もないのに電 流が流れるとはとても考 えられないらしく， あたためる場合も冷やす場合もともに， ほとんどの生 ３ Ｂ， １０月 ８ 日） を紹介する。 まず， 徒が 「流れない」 と予想している。 以下， その討論の一部 （. ）”）はその生徒の予想 した 「問題１ 」 のあたためる場合の討論。 符号 （Ｔ：教師， Ｐ Ｉ：生徒） の次のけ 選択肢である。 Ｔ. と て Ｐ， ， 流 れ る と言 っ て る け ど， どう して だ か， ち ょ っ 言 っ み れ。. Ｐ， 舎◎. うんとね。固体でしょ，それ。なんか，つ ながっている分子どうし原子 どうしがつながっ １６３.
(5) . 若 菜. Ｔ. 博. て い る。 そ れ が あ っ た た め られ る こ と に よ っ て活 動 の順 を 得 る ん じ ゃ なし・か 。. 他 に流 れ る と言 っ た者 は？ Ｐ２ だ な。 ち ょ っ と 言 っ て み れ。 分 子 どう し か お前 も ， 。 Ｐ２ 舎（“ な ん か が 動 い て い る 。 Ｔ な に か が 動 く ん だ な こ うし・う 意 見 で も い い ぞ 。 。 Ｐ３ 舎（ ） あたためれば エネルギーになっ て電流に現れる ァ ， 。 Ｔ 流 れ な い と言 っ て い る 者 は？. Ｐ４ 早”） 鉄 は電気が流れないから。 ［生徒 のざわめきあり］ Ｐ５ 舎”） 分 子 の 運 動 が あ の 働 い て い て で … … ， ， ， ，. Ｔ 逆 にな。 分子が妨 げる。 そういう感じだな 。. Ｐ６ 舎名） Ａ の と こ ろ 離 れ て い る ん で し ょ？ ， Ｔ こ こ ［Ａ］ は く っ つ い て い る よ ち ゃ ん と こ う 道 は で き る 通 り 道 。 ， 。 。 Ｐ５ 舎”） あっ たためただ けでは 流れないんで はないか. ， 。 Ｔ 棄権の者， Ｐ７ どうだ？ 今の話し聞いてて お前 どっ ちにする？ ， 。 Ｐ７ 舎 （？→イ） 流れない。 Ｔ. じ ゃ， こ っ ち ［イ］ に十１ な。 ”）は３７ 人 に なる な。 こ の 間 に自 分 は流 れ る と か 思 っ て も 今 ， ，. いろいろ話しを聞いたなら， 変更したい者はいないか？ ［変更する者 なし］. それじゃ ね， 今これ検流計といっ て， 電流が流れれば針が振れるというふうになっています 。 図 の よ う に つ な ぎま す。 今， ラ イ タ ー で， こ れ， 火 を つ けて み ま す。 流 れ る か ど う か 。. 〈実. 験〉. Ｐ. ［どよめき］ アーｌ. 次に， 「問題３ 」 の冷やす場合についての同じ３Ｂの討論を引き続き紹介する。 Ｔ. 冷や して も 流 れ る と 言 っ た人， 代 表， ハ イ Ｐ８ ， 。. Ｐ８ 告げ ） あっ ためた時にさ， 温度が違うから， こっ ちに移動して流れたのだか ら 冷やしても ， ， あっ たかい方から冷たい方へ入っ ていく。 温度が違うから分子とかが動くからさ うんと電流 ， Ｔ. が 流 れ る。. なるほど。 温度が違 うと。 温度の差な。 それから分子。 ［生徒， ざわめき， 考 えている。 「分子， ……」 ］ Ｔ お前， 流れないんだな。 どうして？. Ｐ９ 含名） あ っ た め な い と 流 れ な い 冷 や せ ば や っ ぱ り 分 子 は 止 ま っ て 動 か なしｖ…・ ， 。 ， ，. Ｔ 冷やすと分 子 が静止と。 寒くなれば動 けないと いう感じだな ， 。 Ｐ， 。 舎（力 流れの動き， ……。 ［テレ笑い］ Ｐ６ 子名） ちょっ と国語 的なことだ けど 「流れの動き」 と言 ったけどさ 流れているものがさ ， ， ，. … … ある一 定 の温 度 ま で い って そ ん な こ と な しで き 冷 たい と こ ろだ っ た らさ 流 れ る と い ， ， ， う こ と で は な い力｝…・ ・ 。. Ｔ 一 定の温度であればいいけれども そうでなければだめだということだな ， 。 Ｐ６ 舎名） は い。 Ｐ． １. １６４. 早（ ７ ） あっ たかいのは流れるんでしょ。 その反対だから。.
(6) . ） ６ 学校教育における熱力学指導の諸問題 （. Ｔ 反対と。 よし， ちょっ と質問とか， 変更とかないか？ それじゃ， ちょっ とやってみるべ。［検 流計の］ 零点いいな， Ｐ， ３ 。 流れる人は針は反対になると， ちらちらつぶやいているな。. ＜実験：接合部分Ａを氷につけてみる。〉 Ｐ ［どよめき］ 反対！ 反対 ［ｐ こ流れている］！ 冷やしたときにも電流は流れた。 今までのことか ら， Ａの部分と他の部分に温度の差 （△ 丁） がある ときには常に電流が流れ，温度差のないとき（△Ｔ＝. ０ ）には電流の流れなし・ことが確かめられた。 温度差 △ Ｔ と流れる電流′ とはほぼ比例する （図６－３参 照） 。. . . （Ｆ ） ｅ. し沸騰させておき， 他方の容器Ｂには水と氷をまぜ あわ せ て 入 れ た。 こ うする と， ビス マ ス と銅 の Ｂ の. 方の接点は０℃， Ａの方の接点は１ ０ ０℃ になる。２つ の銅の容器を互いに太い銅線で結び， その銅線の近. くに磁針を置くとそれが振れて， 電流が流れている ことがわかる。 この現象を， 発見者の名にちなん. で， ゼーベック効果と呼び， このとき流れる電気を 「熱電気」 と言うことがある。 この現象は「熱」 と電 気が関連していることを初めて明らかにしたもので あった。. ビスマス. 氷 △Ｔ－ ． Ｔ２ーＴ．. ー－ ｒ － － － － －； －. 図６－３. この性質を利用して， 流れる電流′ を測定するこ とにより， 温度を測ることができる。 この温度計は. 熱電対温度計と呼ばれている。 熱電対温度計は， 製. 鉄所の熔鉱炉のような非常に高い温度を測定するの に利用されている （下の写真， 図６－４を参照） 。 温度差があるだけで， そこに電流が流れる。. 温度差が大きくなれば， 流れる電流も増える。. 銅線. 谷. ‘ ’ デ. ー ・ － ． ‐ ： ， . 図 ６－５ ゼー ベ ッ ク の実験 〔小野周， 同上書， ｐ ．２１０より〕 ＊＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊＊ ＊＊ ＊ ＊ ＊ ＊. 温度差があるとき， そこに電流が流れるのは， 鉄 と銅の組み合わせだけではない。 流れる電流の大き. さは様々であるが， 異なる２種類の金属を接合して 同様の実験をすれば， 常に電流が流れる。 く実験〉 ． － ＼ ノ ， ノ う， い 】 ｛｛ ～ 、 ，， ｝ ｛ 〉. 図６－４ 熱電対を使って溶けた鉄の温度を測定 〔小野周，『温度とはなにか』 ９７４年， ， 岩波科学の本，１ １より〕 Ｐ ，２１ ＊ ＊ ＊＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊ ＊＊ ＊ ＊＊＊ ＊ ＊. ＜余談⑤ ゼーベック効果〉 ２種類の金属を接合し， 温度差があるときには電. 他の金属の組み合わせでも電流が流れることを確 ） ）と鉄（Ｆｅ かめてみよう。例えば，アルミニウム（ＡＩ ，. ） と銅 （Ｃｕ） などなど。 アルミニウム （ＡＩ. く結果〉 ①. ＡＩ－Ｆｅ （. ）. ②. ＡＩ－Ｃｕ （. ）. ③. （. ）. ④. （. ） ｐ ，６２. 流 が流れ る こ とを 発見 し たの は， ドイ ツ の ゼ ー ベ ッ ク （１７７０～１８３１） とい う 人 で， １８２１ 年 の こ と であ っ. た。 ゼー ベ ツ ク は図 ６－５ の よ う に，２ つ の 銅の 容器 に. 水を入れ， その間に金属である ビスマスの棒をわた し， 一方の容器Ａには水だけを入れ下からガスで熱. 〈６ － ２. フ ァ イ ン マ ン の ゴ ム バ ン ド熱 機 関〉. ＜６－ ２ （. ）＊〉. こうして， 温度差のあるときには， 電流という形. 、取 り 出 せる″ こ と を見 た でマ クロ なエネ ル ギー を、 。. ［問題４］ １６５.
(7) . 若 菜 図６－６ のように，おもりを下げたゴムひもにお湯. を か け， あ た た め る と， ゴ ム の長 さ は どう なる だ ろ. 博 部を図のように赤外線ランプであたためる。 赤外線ランプ. うか。 また， 冷やすとどうなるだろうか。. ここから熱湯をか けて，ゴムひもを あたためる。. 図 ６－７ 車輪 の ス ポー ク はすべ て ゴム バ ン ドで 張 られ てし・る。. 図６－６ 重りを下げたゴムひも に熱湯をか ける 〈予想〉. ［問題５］ さて， このとき車輪は動くだろうか。 予想 く 〉. （ １ ） あたためた場合 伸 びる. ァ. ァ 時計と同じ向きに回転する （へ）. イ. 縮む. ゥ. 変 わ らな い. イ. 縮む. ゥ. 変 わ ら ない. イ 時計と反対の向きに回転する （ｕ）. （ ） 冷やした場合 ２ 伸 びる. ァ. ウ 動かない. く討論〉. 〈討論〉 く実験＞. 〈実験〉. 、 、 ノ. 結果 （. 結果 （ １ ） （ （ ２ （ ） Ｉ Ｉ－（ 表 ＸＶＩ １ ） あたためる場合. ア 伸びる. Ｐ ．６３. ３Ａ. ３Ｂ. ３Ｃ. ４４. ３７÷一４８. ４９. ○ 縮む. Ｉ. ６→ Ｏ. ０. ゥ 変わらない. Ｉ. ５→ Ｏ. Ｉ. １２／１０. １２／１０. １２／８. 授業日 ’７ ９年. Ｉ Ｉ－（ 表 ＸＶＩ ２ ） 冷やす場合 ３Ａ. ３Ｂ. ３Ｃ. Ｉ. ３→ ３. ０. イ 縮む. １９. １９→ ５. ３２. ウ 変わらない. ２０. ２１→ ４０. １６. ６. ５→ Ｏ. ２. つ. 伸 びる. Ｎ． Ａ，. 授業日 ’７９年. Ｐ ．６４. 表 ＸＩＸ. １２／１０. １２／１０. ３Ａ. ３Ｂ. ３Ｃ. リ. ヘ. ４. ４. ０. イ. 〉. ２７. ２. ４７. １５. ４２. ３. １２／１１. １２／１０. １２／８. ウ 動かない 授業日 ’７ ９年. 図 ６－７ のよ う に，左側 か ら ゴムバ ン ドのス ポー ク. をあたためると， その部分のゴムバ ンドが縮み， そ の部分のゴムの張力が強くなる。 回転軸は固定され. ているから， 車輪の左側 は全体として軸の近くに引 き寄せられる。 他方， 車輪の右側は軸から遠ざかる。 その結果， 車輪の重心が回転軸の右に移動し， 車輪 が時計と同じ向きに（へ） 回転し始める （図６－８ ） 。. １２／８. ゴムはあたためると縮み， 冷やすと伸びて長くな る。 この性質は， 普通の物質と逆で珍しい。 アメ リ カ の フ ァ イ ンマ ン （１９１８～. ） と い う物. 理学者は， このゴムの奇妙な性質を利用して， 次の ような装置を考えた （図６－７ ） 。 自転車の車輪のス ポークを全部 ゴムバンドにしておく。 その車輪の一 １６６. ひとたび動き出すと， 今まであたためられてし・な.
(8) . ６ ） 学校教育における熱力学指導の諸問題 （ かったゴムバンドがランプに近づき熱せられ， 他方 あたためられたゴムバン ドはランプから遠ざかり冷. 実験 〉 じ 結果 （. ゴ. やされる。 従って， ランプで車輪の一部をあたため続ける限 り， 車輪はゆっくりと回転し続ける。. ［問題６］ 車輪の一部をあたためるのではなく， 車輪全体を. 平均的にあたためたら， 車輪は動くだろうか （例え ば、 猛烈に暑い部屋の中にゴムバンド車輪を置いて おく） 。. 〈予想〉. イ 最初だけ車輪は回転するが， じきに止まっ て しま う. 〈討論〉 〈実験〉. 、 １ ノ. 結果 （. ｐ ，６５. 表 ＸＸ ３Ｂ. ３Ｃ. ７ 回転する. ０. ０. イ 少し回転する. ０. ２. ４７. ４５. １２／１２. １２／１２. ９年 授業日 ’７. １２／１１. ３Ａ＊. ３Ｂ. ア. ヘ. ０. イ. 〉. ４７. ウ 回転しない ９年 授業日 ’７. ３Ｃ＊. ０ １２／１１. １２／１２. １２／１２. ５ページ 一部分を冷やしても， 車輪は回転する。６. の 図６－８ にお いて，ゴム のス ポ ーク が あた ため られ. ゥ 車輪は回転しない. ウ 回転しない. 表 ＸＸＩ. ＊ ３Ａ・３Ｃは予想・討論を省略。. ７ 車輪は回転する. ３ Ａ＊. ｐ ．６６. ＊ ３Ａのみ授業時数不足のため予想・討論を省略. 縮む代わりに， 今度の場合はゴムが冷やされて長く なり， 図６－９の説明のように， 車輪の重心が車軸の 左側に移動し， 車輪は時計と反対の向きに （ｕ） 回. 転し始める。 ひとたび動き出すと， 冷やされていない部分のゴ こ来て， 同時に， 冷やされたゴム ムが冷却器のそば０ は冷却器から遠ざかり室温の状態に戻って行く。 ＼ 強力冷却器ビ ／／そ ， Ａ＼＼. 冷やすとここの ｆ 申 部分のゴムが び，車軸より左 心 る 偏に重 が移。. 部屋全体があたたかくとも， ゴムバンド車輪は動. か ない。 こ の とき， ゴムバ ン ドは全 体 と して ムラ な. く縮もうとするので， 一部分だけあたためる場合と 違い， 車輪の重心の位置は変化しない。 従って， 車 輪を回転させるためには， 全体をあたためるのでは. 従って， 車輪の一部を冷やし続けれ ば， あたため る場合と同様にゆっくりと回転し続ける。 結局， 車輪を回転させるには， 冷やす方法でも，. なのである。 ［問題７］. 部分の差 （すなわち温度差） が大きければ大きいほ ど， 車輪の回転のス ピードが速くなる。. なく， 部分的にあたためなければならない。 別の言い方をすれば，車輪が回り続けるためには， あたためる部分と， 冷やす部分の２つの部分が必要. あたためる方法でも，とにかく，２つの異なる温度部 分が必要であることがわかる。 そして， ゴムの変質 を避けることさえできれば， この２つの異なる温度. では， 車輪の一部をあたためる代わりに冷やした ら， 車輪は動くだろうか。 〈予想〉 ァ 時計と同じ向きに回転する （（）. 熱電対の場合も， 流れる電流量は温度差の大きい ほど増大した。 ゴムバンドの車輪の場合も， それが. イ 時計と反対の向きに回転する （ｕ） ゥ 動かない 〈討論〉. 回転し続けるためには温度差が必要であり， 温度差 が大きいほど回転スピードは速い。 ′ という極めて不規則な運 、熱運動′ 原子・分子の 、. 動を内包している内部エネルギーを， 私達の利用し やすい巨視的 （マクロ） なエネルギーに転化させる １６７.
(9) . 若 菜. 博. 、温度差 が 重要な役割を果たしている には この、 、 １よ ， １ う であ る。. Ｐ ．６７. 授業書 のこの節 は， ゴムの奇妙な性質 （エントロ ピー弾性） に注目させ 温度差のみで車輪が 回 ， 転することを認識させることを目標としている 。 まず， 実験上 の注意を述べておく。 「問題４」の実験で使う ゴムひも は 普通 の輪 ゴムを束ねたも ， ので十分である。 その ゴムに荷重 をかけ 上か らお湯をか ける 一 挙に縮むことが は きりとわか ， っ 。 る。 冷やす方 は， 伸 びるのがそれほど明瞭 に観察されるわ けではない（ドライ アイスで冷やして も， 近くで観察 して 「ようやく伸 びたかな」 という程度である） ， 。 ゴムバ ン ド熱機関の仕組 みについては 『ファインマン物理学１ １ 光・熱・波動』（富山小太郎訳 ， ， 岩波書店， １９６８年）ｐｐ ２ ５ ５ ２ － ５ ７にその説明が ある。 ここで は， それを実際 に作製する場合 の留意 ． 点について簡単 に触れておく。 まず 子 ども用自転車の車輪 を廃物利用 し 針金のスポークを切り ， ，. 取 っ て， 代 わ り に ゴ ム ひも のス ポ ー ク を つ ける ゴ ム ひも の 材料 と して は 後 で 重 心 バ の ラ ンスを 。 ，. 厳密 にとる必要があることから むしろ 普通の輪 ゴムを２０本ほど束ねたものがも とも使い ， やす ， っ かっ た。 軸受 けおよび支 え台はミニ扇風機の支 え台がちょ うどよか た 車輪を回転させるため っ 。 の 要点 は以下のとおりである。 ① ゴムの張力 はかなり強くしなければならない （束ねた輪ゴムをさら にねじるとよ い） 。 ②重心 の位置を車軸 に合わせる。 その際 の微調整は， 輪 ゴムを１本ずつ該当箇所 に足 していくとよい。③特定の箇所の ゴムスポーク をあたためるのには 実際の実験ではドライヤー ， で温風を送っ たが， 風による回転でないことを納得させるため に そ の方向には注意する必要があ ，. る。 ま た， そ の 際， ゴ ム ス ポ ー ク の 表 面 積 が 大 き い ほ ど効 果 的 で あ り そ の た め にも輪 ゴ ム を ね じっ ，. ておくことが有効である。. 次に， この部分 の授業の進行過程を簡単 に紹介する 「問題４ 」 から 「問題７ 」 までの生徒の回答 。 ノ Ｉ Ｉから表 ＸＸＩの通りである ゴムの物性 に関する「問題４ 分布は表 ＸＶＩ では 」 。 ， あたためたとき「ゴ ムは伸 びる」（冷やしたときは「ゴムは縮む」）との予想が圧倒的である（表 ＸＶＩ Ｉ Ｉ－（ １ ）と（ ２ ）を参照） 。 その根拠として出された意見 は 分子運動論 に基 づくものと日常体験的なも のの２つであ ， る。 例え ば， 「（ゴムの） エネルギーが増え 分子の運動が活発になり 膨張する ３Ｃ 山谷 」（ ， 舎） や 「あた ， ， ためられた ら伸 びるのはあたりま えだべや」（ ３Ｃ， 片岡谷） などの意見 である 実験で縮む ことが 。 確認されたと きは， 各クラスとも生徒から 「アー！」 と いう歓声があがり 強い印象を与 えること ， ができた。 ゴムバ ン ド熱機関の導入と してこの問題・実験 は効果的であ た っ 。 ゴムバ ン ド熱機関については 上の実験 で 「ゴムがあたためられたときには縮む 」 ことがわかっ ， ていても， 「車輪があたためられるだ けで本当に動くのか」という気持ちが相当強か たようで っ ， と くに３Ｂ では「動かない」 との予想が圧倒的であっ た（表 ＸＩＸ） 実際 に動くのを見ると 各クラス 。 ， とも， 拍手喝采であっ た。 生徒 の１人はそ のときの感想を次のように述べている 「そして なにより 。. も か ん し ん をも っ た の が 自 転 車 の車 輪 の ス ポ ー ク に 全 部 ゴ ム バ ン ド で しめ つ けて おく 実 験 で し た。 ， だ っ て， こ ん な 実 験 な ん て や っ た こ と が な か っ た か ら な の で す そ し て 結 果 はみ ご と にス ポー ク 。 ， 、よ ～ し′ ′ という気 にな たのです はま わ り ま した。 本 当 に こ の 実 験 で は 、 ， ３Ｂ 須藤舎） 」（ っ. 。 ， 「問題６ 」（ ５） ）の実験 は省略したが（「問題７ ｐ 」（ ｐ ．６ ．６６ 」の場合 は実験がそもそもうま ， 「問題７ くいかなかっ た） 」（ｐ ）の実験の結果および予想 ， 温度差 で車輪が回る原 理について は， 「問題５ ．６４ 分布表 ＸＸ および ＸＸＩで見ても 十分納得したようであっ た なお 「問題６ 」で「最初だ け回転す ， 。 ， るが， じきに止ま っ てしまう」 と予想した生徒が２名いるが その根拠と して 「（各部分のゴム ス ， ， ポークの） 縮まる速さ にムラがある」 ことを両名 は上げていた この意見は 重心の微妙 バ な ラン 。 ， １６８.
(10) . ６ ） 学校教育における熱力学指導の諸問題 （. スによっているこの実験において確かに１つの要素 になりうることの指摘であり， 教師はこれを否 定的な意見として受 け止める べきではない。 この意見は， ゴムバ ン ド熱機関の原理 が温 度差の存在 であることと， 大局的には背反するものではない。. 〈６－３. 熱機関の原理＞. 図６－１０は， 実用的な蒸気機関としてはかなり初 期のもので， 製作者の名前にちなんで，「；ューコメ ソの熱機関」（大気圧機関） と言われるものである。 ８世紀 には， 後述する ‐ューコメソの熱機関は， １ ワットの蒸気機関が出現するまで， 炭鉱の水を汲み 上 げるポ ン プと して 活躍 して い た。. ・ ・ ，～ ７ ～． ． ， ． ， ，. ・ ．. ビーム. 小さな弧. 図６－１１ ニューコメンの蒸気機関 （原理図） 〔小野周， 前掲書， ｐ ４０より〕 ．１. 以上のニューコメンの熱機関の動 きをま とめる と， 以下のようになる。 なお， ピストンを往復運動 させるための一連の動きを， 行程という。. 水槽 部への給水 ピストン. （往） ①. シリンダーＣ に水蒸気を入れる： ピストンＤが上がる. ②. （復） ③ コックＶから冷水を入れる→水蒸気 が凝結して水になる→ シリンダー内の. 圧力が下がる 恒璽訂 ④. ピストンＤが下がる→ Ｗが上がる. 以下はこれの繰り返しである。 ［質問１］ －ューコメンの蒸気機関では， 一度熱した蒸気を 冷水を用いて， わざわざ冷やしてしまっている。 こ 図６－１ ０ ニューコメソの大気圧機関 （ １７ １ ２年） 〔シンガー他編， 『技術の歴史７産業革命（上） 』 ， 筑摩 書房， １９７ ９年， ｐ ４６より〕 ，１. このニューコメソの熱機関の原理図を下に示した ） （図６－１１ 。まず， 図のＢのボイラーに水を入れ， 下 から熱して水蒸気を発生させ， １のコックをあげて 水蒸気をＣのシリンダー内に入れる。 水蒸気の圧力. で ピス トン が上 が っ た と ころ で，１ のコ ッ ク を閉 じ，. れは無駄なことをしているように見える が， 何か理. 由があるのだろうか。 次の説明のうち， 正しいと思 う の は どれ か。. （ ） ピストンを往復運動させるためにどうしても ァ 必要な無駄である。 １８世紀前半） の技術水準が低かっ ” ） この時代（ たため の無駄 であり， 現代 のエ ン ジ ン で は， こ. の冷やす行程は必要ではない。 ｐ ．６９. Ｖのコックをあげて冷水を噴出させる。 すると， 水 蒸気が冷やされ凝結し水になるため， ピス トンは大. 工 表 ＸＸＩ ３Ａ. ３Ｂ. ３Ｃ. ァ 必 要. ６. ３. ２０. イ 不必要. ４１. ４１. １０. ０. ３. １７. １２／１２. １２／１２. 気圧の ため に下 にも どる。 そ こ で， ０ の コ ッ ク を 開. いて水を外に出す。 ○を閉じて， もう一度１から水 蒸気を入れる。 こうして， この運動が繰り返される。 Ｗはおもりで， ピストンが上下に動くと， おもり の下の棒が上下し， この棒でポンプを動かすように な っ て いる。. Ｎ， Ａ．. 授業日 ’７ ９年. １２／１２. １６９.
(11) . 若 菜. 博. 、温度差 の存在がその作動原理であることを示 授業書 のこの節では， 実際の熱機関においても， 、 、 、 、温度差″が実際 の熱機関にどのような役割を果た すことを目標として いる。 そして， 上 の質問も， 、 して い る の か に注 目 さ せ る ね ら い を も っ て い る。 回 答 分 布 は３ Ｃを除き 圧倒的に名 ）の 「現代のエ ， ンジンでは冷やす行程 は不必要」 との主張 に同意している。 「熱機関＝○高温源・×低温源」 という. イメージが強固であることがうかがわれる。 以下の授業書では， ニューコメ ソとワッ トの蒸気機関 を主として取り上げながら， 上 のイメージの打破を試みている。 どちらの主張が正しいかを見るために， 現代の代. 表 的 なエ ン ジ ンの１ つ， ガソリ ン エ ンジ ンの仕 組 み. を考えてみよう。 自動車のエンジンには， 必ず液冷式または水冷式. 原理的にいつでもどこでも， 熱機関を動かすことが. 一 驚 細 轡 亀 . （まれには空冷式もあるが）の放熱装置， すなわちラ ジエターがついている。 これは， エンジンが焼切れ るのを防ぐためでもあるのだが， 実は， もう１つの 重要な理由がある。 . 蒸気機関と同様に， ガソリンエンジンもピストン を動かして車輪を回す原動力としている。 下の図 ６－１２において， まず， ［Ａ］ ではガソリンを吸気弁. からシリンダー内に吸入し，［Ｂ］でそれを圧縮する。 続いて， ［Ｃ］ で点火プラグの電気火花により爆発・ 膨張させ， ［Ｄ］で排気弁を開いて排気および冷却を 行う。 “ “ . 熱機関が作動するためには， ２つの異なった温度 部分がなければならないことがわかった。 逆に， 温度の異なる部分 温度差さえあれば，. 吸 気 弁. . 吸 気 弁. . . Ａ． 吸入行程 Ｂ． 圧縮行程 Ｃ， 膨張行程 Ｄ． 排気行程 図 ６－１２ ４行 程 ガソ リ ン エ ンジ ン. で きる。. また， 熱電対のように， 温度差があれば， 電流と いう形で私たちの目に見える， マクロ （巨視的） な エ ネ ル ギ ー を 得 る こ と が で き た。. 一般に，分子・原子の運動に基礎をもつエネルギー （内部エネルギー）をマクロなエネルギーに転化させ るには， 温度差の存在が必要である。 ｐ ．７０. ニューコメソからワットの蒸気機関への 進化〉. 熱機関を作動させるためには， 冷やす行程がどう しても必要であることがわかった。 しかし， それに. してもニューコメソの蒸気機関は， 高温の水蒸気と 冷たい水を交互にシリンダーに入れるため， シリン ダーやピストンを最初からもう一度加熱し直さなけ. ればならず， 大量の熱が無駄に消費される。 この無 駄を減らすよう に改良 したのが， 有名 なジェーム ス ・ ワ ッ ト （１７３６一１８１９ ） で あ っ た。. つまり， 車輪を回し続 けるためには， ガスを排気 し， 温度を下げて， ピストンを再びもとの位置・状 態にもどさなければならなし・ 。 放熱装置というのは. 冷却装置のことであって，これがないと，エンジン・ 熱機関を作動させることは原理的にできない。 現代の熱機関でも冷やす行程が必要であり，（ ）の ィ 主張は正しくないことがわかる。 蒸 気 機 関 や ガソリ ンエ ン ジ ン， ディ ー ゼ ル エ ン ジ. ンなどは， 一般に熱機関と呼ばれている。 熱機関と は， 原子・分子のミクロ （微視的） な運動に基礎を. もつ内部エネルギーをマクロ （巨視的） な力学的エ ネルギーに変換させる装置である。 １７０. ワットの蒸気機関. ワットの複動機関 図６－１３. 〔小野周， 前掲書， ｐ ．１４０より〕.
(12) . ） ６ 学校教育における熱力学指導の諸問題 （ トの発明したものと同様である。. ワ ッ トは， １７６５ 年 に， ニ ュ ー コメ ソの機 関 よ り も. 速く動き，しかも効率のよい蒸気機関を作り上げた。 それは， ニューコメソの蒸気機関に復水器というも ３① のを取り付けたことに特徴がある （上の図６－１ にお けるＤ）。 ワ ッ トの 機 関 で は， ピス トン が上 にあ が り き っ た とこ ろ で， シリ ン ダー Ｃ の中 に水 を出 さ. ず， Ｄの復水器の中に水を出すようになっている。 ０のコックを開くと， 水蒸気 はシリンダーＣから. 次々と復水器に入り込み，ここで冷やされ凝結する。 そして， そのためにＣ内の圧力が低くなって， ピス トン が下 に降り る よ う に な っ て い る。 ニ ュ ー コメ ン. の機関に比べれば， 少なくともシリンダーＣの部分 は改めてあたため直す必要はなくなった。 しかし， これだけの改良でも燃料消費量はニューコメンの機 関のたった４分の１ですむようになった， と言われ て い る。. ワ ッ トはさ ら に， 図 ６－１３② のよ う な， ピス トン. の上下で交互に復水器のコックが開閉できる仕組み を工夫し， 蒸気機関の効率を高める改良を行った。 この蒸気機関はワッ トの複動機関と呼ばれている。. 鉱山の排水のためのワットの揚水用単動機関（ １ ７ ８ ８年）。 ポ イラＣは外側の家屋内にあり， 蒸気はシリンダＥにはいる。 シリンダは独立蒸気ジャケットで常時高温に保たれる。 Ｆは 独立復水器， Ｈは空気ポンプである。. 図では， １から高温の水蒸気が入り， ピストンの してい 上側の水蒸気が復水器に移動する場合を示′ る。 この複動機関は， ピストンがもどるときにも大. 〔シンガー他編， 前掲書， ｐ ５３より〕 ．１. 気圧ではなく水蒸気の強い圧力で押しもどされるの で， 能率がよい。 現在でも， 蒸気機関は， 原理的にはほとんどワツ. ｐ ．７１. 〈注〉 ００倍の増幅器は， 北海道立幕別高等学校の斎藤弘道先生の作成した回路図により組み立てた。 実験 （ １ ） この約１ ，０ 直前に必ず接続した検流計の零点調整をしなければならず， その点でやや手間がかかるが， 回路製作にあたって は， その材料費も廉価で入手が容易であり， 工作自体も簡便である。 先生にはお礼を申し上げたい。 （本学助教授・岩見沢分校）. １７１.
(13)
関連したドキュメント
○本時のねらい これまでの学習を基に、ユニットテーマについて話し合い、自分の考えをまとめる 学習活動 時間 主な発問、予想される生徒の姿
問題集については P28 をご参照ください。 （P28 以外は発行されておりませんので、ご了承く ださい。）
ピアノの学習を取り入れる際に必ず提起される
適応指導教室を併設し、様々な要因で学校に登校でき
一貫教育ならではの ビッグブラ ザーシステム 。大学生が学生 コーチとして高等部や中学部の
この P 1 P 2 を抵抗板の動きにより測定し、その動きをマグネットを通して指針の動きにし、流
小学校学習指導要領総則第１の３において、「学校における体育・健康に関する指導は、児
学部生の頃、教育実習で当時東京で唯一手話を幼児期から用いていたろう学校に配
