次の文中の空欄 a・b に入る語句の組み合わせとして正しいものを、下のア〜エのうちから 1 つ選べ。
「銅の棒を加熱して温度を上げると、棒をつくっている原子の熱運動が a なり、原子どうしの平均の間隔が広がるので、棒は膨張する。このとき、棒の質量は変わらずに体積が増えるので、棒の密度は b なる。」
| a | b | |
|---|---|---|
| ア | 激しく | 大きく |
| イ | おだやかに | 小さく |
| ウ | おだやかに | 大きく |
| エ | 激しく | 小さく |
熱膨張
温度が上がると多くの物質が膨張して密度が小さくなることを、熱運動と結びつけて説明する文の正誤を判定でき、対流が起こるしくみの説明に使える
前提
- 熱運動と絶対温度 （高校物理 熱と気体（知識））
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- 実験器具の使い方と安全 （中学理科 化学分野の用語と知識）
- 状態変化と粒子・融点・沸点・蒸留 （中学理科 化学分野の用語と知識）
- 熱運動と絶対温度 （高校物理 熱と気体（知識））
説明
物体の温度が上がると、多くの物質は体積が増えます。これを熱膨張といいます。この技能では、熱膨張が起こる理由を粒子の熱運動と結びつけて説明する文の正誤を判定します。さらに、膨張で密度が小さくなることから、温められた水や空気が上へ動く対流のしくみを説明できるようにします。
なぜそうしてよいのか
前提の技能で学んだとおり、温度は物体をつくる粒子の熱運動の激しさを表します。温度が上がると、粒子はより激しく動いたり振動したりします。その結果、粒子どうしの平均の間隔が広がり、物体全体の体積が増えます。ここで大切なのは、粒子1個1個が大きくなるのではないことです。粒子の数も変わりません。変わるのは粒子どうしの間隔です。
粒子の数が変わらないので、物体の質量 は変わりません。密度は なので、質量が同じまま体積 が大きくなれば、密度 は小さくなります。膨張の割合は、ふつう固体より液体、液体より気体のほうが大きくなります。粒子どうしの結びつきが弱い状態ほど、間隔が広がりやすいからです。例外もあります。水は から約 までは、温めると逆に体積が減ります。そのため、水の密度は約 で最大になります。また、氷は水より密度が小さいので、水に浮きます。
液体や気体のように流れる物質（流体）の一部が温められると、その部分は膨張して周りより密度が小さくなります。周りより密度の小さい部分は浮き上がり、代わりに周りの密度の大きい冷たい部分が下へ沈みます。このように、物質そのものが移動して熱が運ばれる現象が対流です。対流のもとになっているのは熱膨張による密度の差です。
手順
温度が上がったか下がったかを確認し、熱運動が激しくなったか穏やかになったかを判断する
熱運動が激しくなれば粒子どうしの平均の間隔が広がり、体積が増える（熱膨張）と判断する。粒子自体の大きさは変わらない
粒子の数は変わらないので質量 は一定とし、 から密度の増減を決める（体積が増えれば密度は減る）
例外にあたらないかを確認する。〜約 の水は温めると体積が減る。水の密度は約 で最大である
対流の問題では、温められて密度が小さくなった部分が上昇し、冷たくて密度が大きい部分が下降すると判断する
例題
熱膨張に関する記述として正しいものを、次のア〜エのうちから1つ選べ。
ア 物体の温度が上がると、物体をつくる粒子1個1個の大きさが大きくなるので、物体の体積が増える。
イ 物体の温度が上がると、体積が増えるとともに質量も同じ割合で増えるので、密度は変わらない。
ウ 常温の水を入れたなべの底を加熱すると、底付近の水が膨張して周りより密度が小さくなって上昇し、これが対流のもとになる。
エ 同じだけ温度を上げたとき、体積の増える割合が最も大きいのは、ふつう固体である。
例題の解答
ア：温度が上がると熱運動が激しくなります（手順1）。このとき広がるのは粒子どうしの間隔で、粒子自体の大きさは変わりません（手順2）。よって誤りです。
イ：粒子の数は変わらないので、質量 は一定です。 で だけが増えるので、密度は小さくなります（手順3）。よって誤りです。
ウ：常温の水は より高いので、例外にはあたりません（手順4）。温めると膨張して密度が小さくなります（手順3）。密度の小さい底付近の水は上昇し、周りの冷たい水が下降して対流が起こります（手順5）。よって正しいです。
エ：膨張の割合は、ふつう固体＜液体＜気体の順に大きくなります。最も大きいのは気体です。よって誤りです。
以上より、正しいものはウです。
答え: ウ
よくある誤り
温度が上がると粒子そのものが大きくなる、としてしまう誤り。正しくは、粒子の大きさや数は変わらず、熱運動が激しくなって粒子どうしの平均の間隔が広がるため、体積が増える。
膨張すると質量も増える、または密度は変わらない、としてしまう誤り。正しくは、質量 は一定で体積 が増えるので、 は小さくなる。
どんな温度の水でも、温めれば必ず膨張するとしてしまう誤り。正しくは、〜約 の水は温めると体積が減り、密度は約 で最大になる。また、氷は水より密度が小さい。
対流で温かい空気が上昇するのは「熱そのものが軽いから」とする誤りや、冷たい空気が上昇するとする誤り。正しくは、温められた部分が膨張して周りより密度 が小さくなるので上昇し、密度の大きい冷たい部分が下降する。
この説明は AI が書き、別の AI が例題を独立に解いて答えを確かめ、説明を一歩ずつ査読しました。
入口の問題
この技能を使う問題
水を入れた鍋をこんろにかけて底から加熱すると、底の近くで温められた水は膨張して密度が小さくなり、上へ移動する。かわりにまだ温まっていない上の方の水が下へ移動し、これがくり返されて水全体が温まっていく。このように、液体や気体の物質そのものが移動することによって熱が運ばれる熱の伝わり方を何というか。
熱の伝わり方と熱膨張について述べた文として正しいものを、次のア〜エのうちから 1 つ選べ。
- ア 熱の伝導では、接している物体どうしの間で、温度の低い物体から温度の高い物体へ熱が移動する。
- イ 対流とは、固体の内部で、物質そのものは移動せずに、熱が高温部から低温部へ順に伝わっていく現象である。
- ウ 液体や気体の一部があたためられると、その部分は膨張して密度が小さくなって上昇し、まわりの冷たい部分が下降することで対流が起こる。
- エ 放射（熱放射）による熱の移動には物質が必要なので、真空中では放射によって熱は伝わらない。
身のまわりの現象と、熱の伝わり方（伝導・対流・放射）や熱膨張との関係について述べた文として誤っているものを、次のア〜オのうちから 1 つ選べ。
- ア 鉄道のレールのつなぎ目に少しすき間をあけておくのは、気温が上がってレールが熱膨張したときに、レールどうしが押し合って曲がるのを防ぐためである。
- イ ストーブで部屋の空気を暖めると、暖められた空気が膨張して密度が小さくなって上昇し、まわりの冷たい空気が流れこむことで部屋全体が暖まる。これは対流による熱の移動である。
- ウ 金属のスプーンの一端を熱い湯に入れておくと、湯につかっていないもう一端もしだいに熱くなる。これは、熱が放射によってスプーンの中を伝わるためである。
- エ 太陽からの熱が、物質がほとんどない宇宙空間を通って地球に届くのは、熱が赤外線などの電磁波として運ばれる放射によるものである。
- オ 熱膨張の割合が異なる 2 種類の金属板をはり合わせたもの（バイメタル）は、温度が変化すると、2 枚の金属板の伸び縮みの違いによって曲がる。
この技能の次に学べること
- 熱の伝わり方（伝導・対流・放射） （高校物理 熱と気体（知識））
- 熱ひずみと熱応力 （大学物理 材料力学）