気体が抜ける模型実験を公平に比べよう

このレッスンの役割

ここは6レッスン中の2番目です。前のレッスンで、ねばりけが低い液体は広がりやすく、高い液体は近くに厚くたまりやすいと学びました。今回は、ねばりけが違うと、液体の中の気泡がどのように抜けるかを模型で比べます。

今回完成させる力は、「変える条件を一つにし、測るものとそろえる条件を決め、結果を根拠に説明する」ことです。次のレッスンでは、この模型からマグマ中の火山ガスと噴火傾向の因果を考えます。

まず知る

模型実験は、直接見ることが難しい現象の一部分を、扱いやすい材料に置き換えて調べる方法です。ここでは、ねばりけの異なる二つの透明な液体と、その中を上昇する気泡を使います。

調べたい問いは次の一つです。

「液体のねばりけが違うと、同じ大きさの気泡が表面へ抜けるまでの時間はどう変わるか。」

公平に比べるための設計は次の通りです。

学校で実施するときは、教師が用意した安全な材料と方法を使います。加熱、火、密閉容器、高圧、実際の岩石を溶かす操作は行いません。家庭で勝手に再現する必要もありません。

理解する

次の図では、左はねばりけが低い液体、右はねばりけが高い液体です。同じ大きさの気泡を同じ深さから動かしたと考えます。

気泡が上がるとき、周囲の液体を押し分けなければなりません。ねばりけが低い液体は形を変えて流れやすいため、気泡が通る道を作りやすくなります。ねばりけが高い液体は流れにくいため、気泡は上がりにくく、内部にとどまる時間が長くなる傾向があります。

ただし、気泡の大きさが違うと上がり方も変わります。大きな気泡と小さな気泡を比べてしまうと、「ねばりけの差」なのか「気泡の大きさの差」なのか分かりません。

温度にも注意します。同じ液体でも温度が変わるとねばりけが変わることがあります。そこで、液体を同じ場所に置き、温度をそろえて比べます。

模型には限界があります。

• 模型の液体はマグマではない
• 模型の空気は、マグマに溶けている火山ガスそのものではない
• 実際の地下には圧力、温度、通路の形、結晶など多くの条件がある
• 模型が示すのは「ねばりけと気泡の動きの関係」の一部分

模型は現実のコピーではなく、関係を考える道具です。

使う

ある班が次の結果を得ました。気泡が容器の底から表面へ達する時間を3回測っています。

液体の量、深さ、温度、容器、気泡の大きさが同じなら、Sのほうが気泡が抜けにくいといえます。したがって、SはRよりねばりけが高いと考えられます。

よい説明は次の順です。

1. 条件がそろっていることを確認する
2. 数値の差を示す
3. 気泡の抜けやすさを述べる
4. ねばりけについて結論を出す

「Sは平均12.1秒で、Rの2.9秒より気泡の上昇に時間がかかった。同じ条件で比べているので、Sは気泡を通しにくく、Rよりねばりけが高いと考えられる。」

もしRを温め、Sを冷たいままにしていたら、この結論は弱くなります。温度という別の条件も変わっているからです。改善案は、両方を同じ室温にそろえてから再測定することです。

転用する

別の班では、気泡が一つずつではなく、液体の中にたくさん発生しました。ねばりけが低い液体では気泡が次々と表面へ達し、高い液体では内部に気泡が多く残りました。

この結果から考えられるのは、「ねばりけが高いほど気体が抜けにくい傾向がある」という関係です。まだ「必ず激しい噴火になる」とは言えません。実際の火山では、ガスの量、地下の圧力、通路なども関係するためです。

実験結果から現実を説明するときは、次の表現を使います。

「模型では［結果］となった。この結果は、実際のマグマでも［考えられる関係］があることを考える手がかりになる。ただし、模型では［表せていない条件］がある。」

まとめ

公平な模型実験では、ねばりけだけを変え、液体の量・深さ・温度・容器・気泡の大きさをそろえます。結果は複数回測り、数値とばらつきを見ます。模型から分かることと、模型では表せないことを分けて説明できれば合格です。次は、ねばりけ、気体の抜けやすさ、圧力、噴火傾向を因果でつなぎます。

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