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炭酸飲料を用いた火山噴火モデルの実験

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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
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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
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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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