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ジュールの実験
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熱と仕事が同等であることを定量的に示したのは、他ならぬジュールの実験です。
ただ、この実験を授業で行うとなると、回転軸の摩擦をいかに減らすか等、少々
手の込んだ実験装置が必要となるのは明らかで、ちょっと躊躇してしまいます。
小さな魔法瓶に水を入れ激しく振って温度上昇を確認する、といった定性的な
演示実験なら気軽にできるのですが…。
ジュールの実験のような手の込んだものではなく、もっと簡単に熱と仕事が同等
であることを定量的に示す実験装置があれば、これに越したことはありません。
摩擦も生じないような簡単な装置があれば…。
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銅粒って？！
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それがある（あった）のです！
少し前まで、中村理科から『銅粒』（どうりゅう）という実験教材が出ていました。
これは、巾着袋のような袋の中に長さが３ｍｍ程の細切れの銅線の芯（勿論銅
です）がたくさん（500ｇ）入れてあるもので、とても簡素な実験装置？です。
見た目が簡素なこの教材は、実は大変に優れもので、私にとってはまさに目から
鱗ものでした。
実験は至って簡単。単に『銅粒』を高所から落下させて、重力の仕事量を熱エネ
ルギーに変換させるというものです。
落下中の摩擦は考えなくてＯＫ。温度上昇させるのは水ではなく銅なので、
比熱の学習もできるというおまけ？付きです。
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実験の様子
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でも、はっきり分かるほどの温度上昇をさせるには、相当な高所から
落とさなければならないのでは？と考えますよね。
私は、教室で５０ｍの高さから落下させています。 えっ！５０ｍ！？
そんな馬鹿な…。
正確には、１ｍ×５０回です。（笑） 失礼しました。
この方法でうまく実験を行うと、およそ１．３度ほど銅粒の温度が上昇します。
計算していただくと分かりますが、有効数字２桁くらいであれば十分に
納得のできる値です。
ご参考までに、授業中に『銅粒』を、１mの高さから５０回落とすには２〜３分
かかります。この間に、生徒には銅粒の温度が何度上昇するか、計算させます。
生徒の計算力と、私の体力との競争です。
（５００ｇを５０回持ち上げるのは結構しんどいかも…）
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どうやって銅粒を手に入れるか…
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ここまで紹介しておいてなんですが、先の通り、『銅粒』は現在販売されていません。
理由は単に売れないから、という事のようです。こんなに優れた教材なのに売れな
かったのは、その利用法がうまく伝わらなかったからではないでしょうか。
それはともかく、ないものは自らつくるしかありません。
ここでは『銅粒』の作り方を責任を持って紹介したいと思います。
まず、巾着袋ですが、最近よく１００円ショップなどで見かける５００ｍｌのペットボトル
の保温用の袋が合うようです。
次に肝心の銅粒です。ひとつの方法に、比較的太い銅線をニッパで細かく切り続けて
いくというものがあります。ただ、この方法をなさった方によると、かなりの労力だった
ようです。（握力を鍛えるにはいいかも…！？）
そこで、私はインターネットでみつけたあるリサイクル業者に問い合わせ、無事、銅粒
１０ｋｇを手に入れることができました。
本来なら大口の顧客のみを対象にされている会社ですが、高校の実験で利用したい
という旨を伝えたところ、１０ｋｇ単位であればという条件で、快く取り引きしてもらうこ
とができました。
ちなみに、値段は銅の相場次第で毎日変わる様です。
また、納期や送料（着払い）など詳しいことは、直接下記に問い合わせてください。
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銅粒と袋
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クリックで拡大します
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温度の測定について
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この実験で、ひとつ注意すべき点があります。それは温度計です。
おそらくどちらの高校でもサーミスタ温度計はあると思いますが、プローブが問題
です。普通に付属している筒状の丈夫なプローブは、比較的熱容量が大きい
ため測定に時間がかかったり、誤差がより多く生じたりといった欠点があります。
ここは、できれば、熱容量の小さなフィルム状のプローブを使用することをお勧め
します。このフィルム状のプローブは標準では付属していませんが、別売りで販売
している場合があります。ご確認ください。
真中に写っている黒い柄のプローブが、標準で付属してきたもので、
右の細いフィルム状のプローブが、別売りの熱容量の小さなプローブです。 |
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