閉じ込めた空気と水は押すとどうなる？体積と押し返す力を比べよう

ふたをした注射器の中へ空気を閉じ込めてピストンを押すと、少し動き、手をゆるめると押しもどされます。同じように水をいっぱい入れて先をふさぐと、今度はピストンがほとんど動きません。この違いは、空気と水の『体積の変わりやすさ』に関係しています。体積とは、物が場所をしめる大きさのことです。ゲームでは、空気を押してためてから放すジャンプと、水を壁の直前ですぐ押す動きに置き換えました。遊ぶ前に二つの性質を知り、遊んだ後に操作の手ごたえと実験結果を結び付けてみましょう。

対象: 小学4年生 / 学び: 理科・粒子・空気と水の性質

閉じ込めた空気は縮んで押し返す

注射器の先を指などでふさぐと、中の空気は外へ出られません。そのままピストンを押すと、同じ空気が前よりせまい場所に入るため、空気の体積が小さくなります。押し始めは動かしやすくても、深く押すほど手ごたえが強くなるのは、縮められた空気が元の体積へもどろうとして押し返すからです。手をゆるめるとピストンがもどることも、この押し返す力の表れです。ただし、空気が消えたり水へ変わったりしたのではありません。先をふさいだままなら、同じ量の空気がより小さい体積に閉じ込められています。押す深さと手ごたえを続けて観察すると、『強く押すほど体積が小さくなり、押し返す力が強くなる』という関係を確かめられます。

水は押しても体積がほとんど変わらない

次に、同じ注射器へすき間ができないよう水を入れ、先をふさいで押してみます。水の入ったピストンは空気のときよりずっと動かしにくく、水の体積はほとんど変わりません。『まったく変わらない』と決めつけるのではなく、小学校の実験では『ほとんど変わらない』『圧し縮めにくい』と表すのが大切です。空気と水の違いを正しく比べるには、同じ形の容器、同じくらいの最初の量、同じ押し方など、比べたい物質以外の条件をそろえます。空気だけを弱く、水だけを強く押したのでは公平な比較になりません。目で見えるピストンの動きと、手に伝わる押し返しの両方を記録すると、二つの性質がはっきりします。

ゲームの二つの操作と実験を結び付けよう

ゲームの空気区間では、黄色いピストンを長押しすると透明シリンダー内の体積表示が小さくなります。これは閉じ込めた空気を押して縮める模型です。計測線の近くで放すと、元へもどろうとする押し返す力をジャンプとして使います。水区間では、青いシリンダーの体積表示がほぼ100％のままです。水は空気のように縮めて力をためる操作にせず、壁の直前で押した力がすぐ伝わるスマッシュにしています。実際の水や空気が人を飛ばすという意味ではなく、性質の違いを分かりやすい動きへ置き換えた表現です。プレイ中は、空気では『どれくらい縮めたか』、水では『いつ押したか』に注目し、同じピストンでも攻略法が変わる理由を言葉で説明してみましょう。

身近な例で考えてみよう

• 空気を入れたポリ袋や風船を手で押すと形や体積が変わり、手をゆるめるともどろうとします。袋を破らないよう、強く押しすぎず手ごたえを確かめます。
• 空気入れの口を安全にふさいでハンドルを押すと、奥ほど手ごたえが大きくなります。閉じ込めた空気の体積が小さくなり、押し返しが強くなる例です。
• 水をいっぱい入れて空気のすき間をなくした容器は、空気だけの容器より押しても体積が変わりにくく感じます。実験は先生や大人と安全な道具で行います。

よくある間違いと覚え方

• 『押すと空気がなくなる』と考えやすいですが、先をふさいだ容器では外へ出ていません。同じ量の空気がせまい体積に入っていると考え直します。
• 『水は絶対に少しも縮まない』と言い切らず、小学校の観察では『空気に比べて体積がほとんど変わらず、縮めにくい』と表します。
• 空気と水で容器の大きさや最初の量、押す強さまで変えると正しく比べにくくなります。調べたい物質以外の条件をできるだけそろえます。

保護者の方へ

ご家庭では、口を閉じた空のペットボトルや空気を入れた袋を軽く押し、『形はどう変わった？』『手をゆるめるとどうなる？』と観察を言葉にする声かけができます。注射器などを使う実験は、針のない安全な器具を選び、大人が見守ってください。ゲームの結果だけでなく、空気区間と水区間で操作が違う理由をお子さま自身の言葉で説明してもらうと、体積と押し返す力の関係を確かめやすくなります。

ミニ問題

ゲームで確かめてみよう

ここまでの内容を、実際に「ポンッと！空気水ピストンラッシュ」を操作しながら確かめてみましょう。

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