高 校 地 学 炭酸飲料を用いた火山噴火モデルの実験 沖縄県立美里高等学校 目 的 高等学校学習指導要領の地学 I の目標には、「地学的 な事物・現象についての観察・実験などを行い、自然 に対する関心や探究心を高め、地学的に探究する能力 と態度を育てるとともに基本的な概念や原理・法則を 理解させ、科学的な自然観を育成する。」とある。し かし、地学現象の多くは時間的・空間的に広大である ため、実験はほとんど行われていない現状がある。 地学分野において指導要領の目標を達成させるため には、地球物質と類似性を有する素材を用いて地学現 象を再現するアナログモデル実験の考案が有効である と考えられる。 火山噴火の多くはマグマの減圧に伴う発泡現象によ るものと考えられ、炭酸飲料を振ってから栓を開ける と噴き出る様子に例えられてきた。そこで、土を盛っ て作った火山模型を炭酸飲料を用いてモデル噴火させ るアナログ実験を行うことを考えた。 身近で安価な材料を用い、誰でもできる簡単な方法 であること。そして、何よりも楽しい実験であること を心がけた。 概 要 マグマ溜りのマグマに例えた PET ボトル入り炭酸 飲料の上に土を盛って火山模型を作り、炭酸飲料の発 泡による圧力で爆発噴火させる実験を行う。そのため に、炭酸飲料の噴出タイミングをコントロールする方 法を 2 種類考案した。 1 つ目は、炭酸飲料をゴム栓で蓋をし、紐でゴム栓 を強固に固定してから振って発泡させ、紐を切ること で爆発させる方法である。2 つ目は、炭酸飲料の発泡 を促進するキャンディーを PET ボトル内上部に外か ら磁石を用いて固定しておき、磁石を取って炭酸飲料 内へ落とし発泡噴出させる方法である。 2 つの方法とも準備に要する時間は数分であり、生 徒でもできる簡単な方法である。さらに、使用するも のは身近で安価な素材を用いている。材料費として 500 円程度必要なだけで、あとは炭酸飲料と土さえあ ればいつでも実験可能である。 ＊ ながい ひでゆき 永 井 秀 行＊ 土を盛って作った火山が爆発により吹き飛ぶ様子 や、頂上から流れ下る炭酸飲料はリアルで迫力があり、 生徒の期待度・注目度は極めて高い。実験と実際の火 山噴火とのイメージのオーバーラップが容易で、火山 噴火の原理への理解が深まる。また、火山に対する興 味・関心を高め、探究心を育むことができる。今後、 火山単元の定番実験となることを期待する。 教材・教具の製作方法 Ⅰ．実験準備 炭酸飲料の噴出タイミングをコントロールする方法 を 2 種類考案した。次の 1 または 2 どちらか一方のみ で行うことができる。 1 の方法（シェイク法）の特徴は、爆発のみであっ たり、爆発後、間をおいて炭酸飲料が流出したりと、 実験結果に多様性があることである。これらは、スト ロンボリ式やブルカノ式噴火などに対応させることが できるであろう。 2 の方法（促進法）の特徴は、爆発後、確実に炭酸 飲料が大量に噴出することである。大量の火山灰を放 出するプリニー式の大噴火などに対応させることがで きるであろう。 なお、気体の溶解度は低温ほど大きくなるので、炭 酸飲料は常温で保存したものを使用する。気温が低い と爆発が弱くなるので、温めた方が良い場合がある。 ただし、炭酸飲料用 PET ボトルの耐熱温度である 50 ℃を超えないように注意する。なお、国民生活セン ターの試験では、炭酸飲料用 PET ボトルは 10 気圧で も破裂しないことが報告されており、本実験において は安全性に問題はないことを確認した。 1． 振った炭酸飲料の噴出タイミングをコントロール する方法（シェイク法） ゴム栓をした炭酸飲料を振ると、指でゴム栓を押さ えても噴出を抑えることが困難なほど内圧が高まる。 ゴム栓を PET ボトルに紐で固定しても、普通の結び 方ではその圧力には耐えられない。また、特別なロー プワークでは、その結び方を生徒に教えるだけで時間 がかかってしまう。そこで、誰でも簡単に短時間で確 実に強固に紐を結ぶ方法を工夫した。 沖縄県立美里高等学校 教諭 〒 904-2151 沖縄県沖縄市松本 2-5-1 蕁 （098） 938-5145 E-mail [email protected] 23 （1）材料 ・ 500m褄 PET ボトル入り炭酸飲料 ・ゴム栓（No.7） ・長さ約 70cm の紐 ・クラフト粘着テープ ・鋏 ・長さ約 15cm の棒（鉛筆や割り箸）・カッター （2）方法 ①ゴム栓の上部中央にカッターで 2mm 程度の深さの 溝を 1 本掘る。 ②PET ボトルのキャップを開け、①のゴム栓を取り 付ける。 ③ゴム栓と PET ボトルを紐でゆるく結ぶ。その際、 紐はゴム栓に掘った溝と PET ボトル底の凹部を通 し、はずれないようにする（写真 1）。 2． 炭酸飲料の発泡を促進するものを入れるタイミング をコントロールする方法（促進法） （1）材料 ・ 500m褄 PET ボトル入り炭酸飲料 ・ゴム栓（No.7） ・長さ 2m 以上の紐 ・メントス（キャドバリー・ジャパン株式会社 14 粒 入り 100 円） ・ネオジウム磁石（木製マグネット6 個入を 100 円ショップ で入手）・瞬間接着剤 （2）方法 ①メントス 1 粒にネオジウム磁石を②の磁石と引き合 うような向きに接着する（写真 3）。 ②別のネオジウム磁石に 2m 以上の長さの紐を接着す る（写真 3）。 写真 1 シェイク法・紐の固定方法（その 1） 写真 3 促進法・メントスと磁石の準備 ④PET ボトルと紐の間に棒を通し、棒に紐を絡ませ ながら回転させ、紐をねじり締め付ける。十分に 締め付けられたら棒を PET ボトルにクラフト粘着 テープで固定する（写真 2）。 写真 2 シェイク法・紐の固定方法（その 2） 以上で準備完了である。振って紐を鋏で切れば爆発 する。 24 ③①の磁石を接着したメントスを飲み口に入れ、② の磁石で容器の外側から磁力で捕まえながらゆっ くりと降ろす。 ④容器壁面内側にメントスが固定されたことを確認 しゴム栓をする（写真 4）。 写真 4 促進法・メントスの固定方法 （3）補足 運搬中にメントスと炭酸飲料が触れて爆発する事故 を防ぐため、炭酸飲料を一口分程飲み液面を下げると 安全である。 以上で準備完了である。紐を引けばメントスは落下 し炭酸飲料は発泡噴出する。 3． 土の火山を載せる台の製作 （1）材料 ・ B4 程の大きさの厚紙（出席簿表紙を使用） ・ 6 号鉢スタンド（100 円ショップで入手）2 個 ・カッター ・ラップ （2）製作方法 ①厚紙の中心に、PET ボトルの先端が出る大きさの 穴を開ける。 ②汚れても再利用ができるように①の全体をラップ で覆う。 ③鉢スタンドを PET ボトルの高さと合うように 2 個 重ね②を載せる（写真 5）。 写真 5 土の火山を載せる台の準備 図 1 シェイク法の実験装置 写真 6 傘で土を避けながら紐を鋏で切る この台の上に土を盛って火山模型を作る。砂を用い ると流出した炭酸飲料がすぐに浸み込んでしまうの で、土を用いる。 学習指導方法 本実験は、爆発による土や炭酸飲料の飛散が激しい ので屋外で行う。実験は一瞬で終わるので細かい観察 が難しい。そこで、実験の様子は事前にビデオカメラ で撮影しておき、スロー再生で結果の再確認を行うと 効果的である。 Ⅰ．実験方法と結果 1． シェイク法の場合 炭酸飲料の温度・振り具合・紐を切るまでの時間な どの条件により様々な結果となる。生徒実験を行う場 合は一班ずつ実験し、様々な結果を皆で観察する。 （1）ゴム栓を紐で固定した炭酸飲料を振り、台にセッ トする。 （2）土を盛り火山を作る（図 1） 。 （3）傘で土を避けながら紐を鋏で切る（写真 6） 。 （4）振ったことによるガス圧で爆発する（写真 7） 。 （5）栓が開いたことによる減圧により発泡する （発泡により茶色に変色して見える） 。 （6）発泡により体積が増加し炭酸飲料が流れ出る （写真 8）。…溶岩流に相当 ※条件により爆発のみで流れ出ないこともある。 写真 7 振ったことによるガス圧で爆発する 写真 8 発泡により体積が増加し炭酸飲料が流れ出る 25 2． 促進法の場合 確実に爆発し噴出するので演示実験に適している。 （1）メントスを仕掛けた炭酸飲料を台にセットする。 （2）土を盛り火山を作る（図 2）。 図 2 促進法の実験装置 （3）紐を引きメントスを落とす。 （4）発泡によるガス圧急増で大爆発する（写真 9） 。 実践効果 Ⅰ．アンケート結果 火山単元実施前や実施後のアンケート（以下「事前」 「事後」）から、次の結果が得られた。 1． 実験と火山噴火のイメージが重なりやすく、噴火 の原理を直観的に理解できる 「実験と実際の火山噴火のイメージは重なりました か」に対し、「はい」「どちらかと言えば、はい」の肯 定的回答が 86 ％であった。また、「実験で火山噴火の 原理は分かりましたか」に対し、肯定的回答は 93 ％ であった。 2． 「マグマの発泡原因は何か」という新たな疑問が 生まれ、探求心が芽生える 「マグマの発泡原因を調べてみたい気持ちはありま すか」に対し、肯定的回答が 68 ％であった。 3． 火山に対する興味・関心が高まる 「火山に対する興味・関心はありますか」に対する 肯定的回答は、本実験を行っていないクラスは、事前 43 ％、事後 53 ％で 10 ポイントの増加に留まったのに 対し、本実験を行ったクラスは、事前 30 ％、事後 73 ％で 43 ポイントと大幅に増加した。 4． 地学が好きになる 「地学は好きですか」に対する肯定的回答は、本実 験を行っていないクラスは、事前 52 ％、事後 54 ％でほ とんど変化は見られなかったのに対し、本実験を行った クラスは、事前 55 ％、事後 97 ％で 42 ポイントと大幅 に増加した。 Ⅱ．生徒の感想 写真 9 発泡によるガス圧急増で大爆発する （5）栓が開いたことによる減圧で発泡し噴出する（写 真 10）。 ・ただ爆発していると思ってたけど、気体が集まった り圧力がかかったり、色んな事がおきることで爆発 したことが解ってすごかったです。 ・小さなペットボトルでもすごい爆発なのに、火山と もなると想像するだけで怖いです。でも、とても勉 強になりました。 ・各グループ色んな噴火のしかたがあってスゴイなと 思いました。 ・実験して映像よりも良く解ったから良かったし、面 白かった。もっとやりたいと思いました。 ・火山の様子をこんな身近な物を使って検証できてす ごい！ 参考文献 写真 10 栓が開いたことによる減圧で発泡し噴出する （発泡により茶色に変色して見える） （6）ペットボトル上部が空洞になる。…陥没カルデラ 形成に関連 26 1）独立行政法人国民生活センター：飲み残し清涼飲料 容器の破裂による事故！（2004） ． 2）下鶴大輔：火山のはなし 災害軽減に向けて，朝倉 書店（2000） ．
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