実験観察講座ペットボトルを利用した簡単な温室効果実験東京理科大学理学部応用物理学科4年 1508135番松田峻目的地球環境問題を児童･生徒にとって身近なものにしたい。未来を担う子どもたちに環境について考えてもらいたい。主な環境問題を挙げると･･･酸性雨オゾン層の破壊異常気象地球温暖化しかし，話ではよく聞くがあまり実感できていないのが現実。実験を通じて地球環境問題を考える。 →実験教材の開発。研究背景現行の高等学校学習指導要領課題研究の目標観察，実験などを通して研究を行い，科学的に探究する能力と態度を育てるとともに創造性の基礎を培う。課題研究の内容先端科学や学際的領域に関する研究自然環境の調査に基づく研究課題研究の構成生徒の興味･関心，進路希望に応じて，個人またはグループで適切な課題を設定，成果の報告大学や研究機関などと積極的に連携，協力を図る研究背景現行の高等学校学習指導要領物理IIの課題研究，物理IBの特設単元の自由研究において 2つの観点をもりこんだ実験を行うよう指導。｢もし小学生や中学生が行うとするなら，どのような実験が可能かについて工夫してみよう｣｢物理の授業中に行う実験ではあるが，地球環境問題との接点をもったような実験を工夫してみよう｣次の世代に実験を通じて物理や地球環境問題を伝えることに繋がる。研究背景二酸化炭素による温室効果の実験は，より簡単でより確実な実験結果が得られるような実験方法の開発研究を平成6年から継続してきた。しかし，小学校高学年や中学生にも行える実験として教材化するには，実験器具の入手などが困難だった。今回は，入手しやすいペットボトルと白熱電球を用いて二酸化炭素の温室効果を確かめることができたので報告。研究内容温室効果とは･･･大気(N2･O2･CO2･H2O) 再放射太陽放射短波長地球放射長波長地上吸収･放射研究内容二酸化炭素の温室効果を際立たせるために，普通の空気の場合との比較対象実験を行う必要がある。 →実験は二酸化炭素と空気以外の実験条件をそろえる。課題研究として実験させるためには，各学校や家庭で準備できるような身近な実験器具である必要がある。 →つまり，高価な精密機器を用いることはできない。 2Lのペットボトルと白熱電球，温度計からなる簡単なもので作成。研究内容準備として･･･複数の温度計 50 40 30 20 10 0 ペットボトル2体研究内容熱源に太陽光を用いた場合研究内容 1回目気温18.3℃ 2回目気温19.5℃ 3回目気温18.7℃ 時間(秒) CO2 酸素 CO2 酸素 CO2 酸素 0 22.1 22.0 22.6 23.1 20.3 20.3 30 22.6 22.6 24.0 24.3 23.0 22.0 60 22.8 22.8 25.0 25.0 22.7 22.5 90 22.9 22.7 25.8 25.4 23.2 22.8 120 23.7 23.4 26.3 25.0 23.5 23.0 150 24.4 23.8 26.8 26.2 23.7 23.1 180 24.9 23.9 27.0 26.3 23.9 23.2 210 25.6 23.8 27.2 26.5 24.2 23.4 240 26.2 23.7 27.3 26.4 24.4 23.5 270 26.5 23.4 27.4 26.4 24.4 23.5 300 27.4 26.5 24.3 23.4 330 360 27.6 27.5 26.5 26.4 24.3 24.4 23.4 23.5 研究内容熱源に白熱電球を用いた場合モーター研究内容 1回目気温27.3℃ 時間(秒) CO2 酸素 0 28.1 28.2 30 28.6 60 時間(秒) CO2 酸素 28.8 330 33.8 33.5 30.3 30.4 360 33.9 33.6 90 30.9 31.1 390 34.1 33.8 120 31.5 31.7 420 34.2 33.9 150 31.9 32.1 450 34.3 34.0 180 32.3 32.4 480 34.4 34.1 210 32.7 32.8 510 34.5 34.1 240 33.0 33.0 540 34.6 34.3 270 33.3 33.2 570 34.7 34.3 300 33.6 33.4 600 34.8 34.3 結果熱源が太陽光の場合も，白熱電球の場合も，二酸化炭素の温室効果を確認することができた。 →実験材料も実験器の作成も実験も簡単であるため，比較的簡単に二酸化炭素の温室効果を確かめられる。ポイント準備を十分に行う(温度計･ペットボトルの選択等)。測定開始時の条件をそろえる。熱源を2つのペットボトルに同様に当てる。考察二酸化炭素の温室効果をイメージしやすいように･･･モーター考察ところが･･･イメージしやすいように工夫しすぎてしまい，生徒に実験させるためには，実験器具が入手しにくいものが多くなってしまった。 →赤外線ランプや地球モデルは手間がかかってしまう。しかし，実験準備に時間をかけられないのが現状。 →リサイクルをこころがけるだけで簡単に入手できるようなペットボトルなどを実験教材として用いることは意義がある。また，リサイクルをこころがけることで，生徒たちはより一層環境問題について考えるようになると思われる。考察紫太陽光可視光赤白熱電球赤外線ランプ(～2500) 波長(nm) 0 180 300 380 100 200 二酸化炭素 770 1000 大エネルギー小エネルギー E=hν=hc/λ 波長が短いほど大きくなる。 2000 2000 二酸化炭素考察地球温暖化の現状･･･ 1940年–1980年の平均値に対する1999年から2008年の地表面の平均気温の変化 1960年–1990年の平均値に対する2070年から2100年の地表面の平均気温変化量の予測考察論文への評価環境問題は一見難しそうに感じるが，この論文の内容は高校生でも十分に理解できるものである。実験自体はぷち発明が活かされており，また，実験の準備の段階を十二分に説明されており，論文を読み進めることで実際に失敗することなく実験を行えるものと考えられる。考察論文から学べる知見生徒に環境問題や科学技術を身近に感じてもらうことに意味があり，実際に測定してもらいたい。 →立派な実験器も必要であるが，生徒自身が実験を行うことで科学的に探究する能力と態度を育てることとなる。 →データの処理やグラフの作成を行い発表させることでクラスで議論でき，精度を良くする方法やよりよい実験方法などの発見に繋がる。考察論文を読んだ結果として将来やっていきたい授業自然環境の調査から先端科学に繋げる。温室効果の実験→環境問題，地球環境について考察生徒たちに｢地球にやさしいエネルギー源｣について問いかける。サボニウス型風力発電器･色素増感太陽電池 →今後期待される先端技術，実際に作成してもらい身近なものであることを実感してもらう。まとめ地球環境問題を児童･生徒に身近なものに感じてもらうため，簡単に入手できるようなペットボトルなどを実験教材として用いる。 →地球環境問題を身近に考えることができるようになり，さらにリサイクルをこころがけることで，生徒たちはより一層環境問題について考えるようになると思われる。演示実験に関しては，児童･生徒がイメージしやすいよう，様々な工夫を加えたものにしてもよいと考える。