地学分野の用語と知識の問題
雲のでき方を調べるために、次の実験を行った。
【実験】内側を少量のぬるま湯でぬらした丸底フラスコに線香の煙を少し入れた。フラスコの口に、大型の注射器とデジタル温度計をとりつけたゴム栓をし、すき間がないようにした。この状態で、注射器のピストンをすばやく引いたり押したりして、フラスコ内のようすと温度の変化を調べた。
【結果】
| 操作 | フラスコ内のようす | 温度計の示す値 |
|---|---|---|
| ピストンをすばやく引いた | 白くくもった | 下がった |
| ピストンをすばやく押した | くもりが消えた | 上がった |
ピストンをすばやく引いたときにフラスコ内が白くくもった理由を説明したものとして最も適当なものを、次のア〜エから 1 つ選べ。
- ア フラスコ内の空気が圧縮されて温度が上がり、水がさかんに蒸発して、水蒸気が白く見えるようになったから。
- イ フラスコ内の空気が膨張して温度が下がり、飽和水蒸気量が大きくなったので、水蒸気が水滴に変わったから。
- ウ フラスコ内の空気が膨張して温度が下がり、露点に達したので、水蒸気の一部が水滴に変わったから。
- エ フラスコ内の空気が膨張して温度が下がり、露点に達したので、水滴の一部が水蒸気に変わったから。
この問題で使うもの
- 露点・雲と霧のでき方(説明と入口の問題)
この問題を解けるようになるまで(2 技能)
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右端(太枠)がこの問題で使う技能です。左へドラッグすると、さらに前の前提をさかのぼれます。技能を押すと、そこまでの道筋が光ります。
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ヒント
行き詰まったら、上から順に 1 つずつ開いてください。
ヒント 1
空気が膨張したり圧縮されたりすると温度がどう変わるか、また温度と飽和水蒸気量の関係を思い出そう。
ヒント 2
ピストンを引くと空気は膨張して温度が下がる。温度が下がると飽和水蒸気量は小さくなり、露点に達すると状態変化が起こる。
ヒント 3
ピストンを引いたときの変化を「圧縮」と書いているア、温度が下がると飽和水蒸気量が大きくなると書いているイは除ける。残りは露点に達したときにどちら向きの状態変化が起こるかで判断しよう。
答えと解説
答えを見る
ウ
どこでつまずきましたか?(選ぶと、戻る場所を案内します)
解説を読む
ピストンを引くとフラスコ内の空気の体積が大きくなり(膨張し)、気圧が下がります。空気は膨張すると温度が下がることが、結果の「温度が下がった」からもわかります。温度が下がると飽和水蒸気量が小さくなり、空気の温度が露点に達すると、空気中にふくみきれなくなった水蒸気の一部が小さな水滴に変わります。この水滴が集まって白いくもりとして見えます。線香の煙は、水蒸気が水滴になるときの核(芯)のはたらきをします。ピストンを押すと空気が圧縮されて温度が上がり、水滴が再び水蒸気に変わるのでくもりが消えます。これは、上昇した空気が上空で膨張して冷え、露点に達して雲ができるのと同じしくみです。よって答えはウです。
・ア:ピストンを引くと空気は圧縮ではなく膨張し、結果でも温度は下がっています。また、水蒸気は目に見えない気体なので、水蒸気が白く見えるという説明も誤りです。
・イ:温度が下がると飽和水蒸気量は大きくなるのではなく小さくなります。
・エ:露点に達したときに起こるのは水蒸気が水滴に変わる変化であり、水滴が水蒸気に変わるのは逆の変化です。
別解
ピストンをすばやく引くと、フラスコ内の空気が膨張して気圧が下がる。このとき温度計の示す値が下がっているので、空気の温度が下がったことがわかる。温度が下がって露点に達すると、空気中の水蒸気の一部が凝結して、線香の煙の粒を核とする小さな水滴になる。この水滴が白いくもりとして見える。
ア:誤り。引いたのに「圧縮された」とあり、温度が上がったという記述も結果(温度が下がった)と合わない。また、くもりは蒸発ではなく凝結でできる。
イ:誤り。温度が下がると飽和水蒸気量は小さくなる。「大きくなった」は誤り。
ウ:正しい。膨張して温度が下がり、露点に達して水蒸気の一部が水滴に変わる。
エ:誤り。水滴が水蒸気に変わるのは、くもりが消える逆の変化である。
よって答えはウ。