洗面器を伏せて、お風呂の水の中につけ、空気を抜き、そのまま上げると、水面上まで水が持ち上がり、洗面器の中に「水のプリン」ができますが、なぜでしょうか? 小学2年生に聞かれて困っています。

●なぜ、この現象が起きるのか? どういう原理なのか? 大人のレベルで教えてください。
●それを小学2年生レベルでもわかるように説明するには、どうしたらいいか教えてください。
●どういった分野の本を読めば、こういう現象が理解できるのでしょうか? 参考書を教えてください。小学生向けがあれば、ぜひ。
どうかよろしくお願いいたします。

回答の条件
  • 1人2回まで
  • 登録:2008/03/11 09:50:21
  • 終了:2008/03/11 12:15:11

ベストアンサー

id:rikuzai No.6

りくっち回答回数1366ベストアンサー獲得回数1412008/03/11 11:57:44

ポイント20pt

原理については回答が得られていると思いますので、

私からは実験方法を。


↓のサイトをオススメします。

実験で楽しくなる力学教室

Chapter2の「圧力と気圧」に出てくる缶を使っての実験と、「水圧と浮力」に出てくるコップとペットボトルを使っての実験は簡単でわかりやすいと思います。

元々質問であげられている洗面器の現象も、サイフォン自体もこうした力学の原理を理解する時に使われる実例の一つだと思うのですが、

↑のサイトは実験の目的とその後の説明の仕方が参考になるのではないかと思います。


また、気圧の前提としての「重力」を体感している生活体験としてエレベーターをあげるのも一つだと思います。

あの動き出す時のふわっと浮き上がるような感覚は一瞬の無重力状態を体感しているようなものなので。

可能ならコップに水を入れ、ストローを差込み、ストローの水面部分にマジックなどで印をしてからエレベーターにのって水面の動きを見てみるとおもしろいです。

他に気圧関係では、温度差による気圧変化に関する実験はめりはりがあってわかりやすいので、

高低差よりもよく行われると思いますが、今回はちょっと横道にそれてしまうので使い辛いのが残念です。

(風船を軽く膨らませてから熱湯をかけるとどうなるかとか。サイフォンもこちらに属する感じですね)



以上ご参考まで。

id:kaerudayo

ありがとうございます。こういう便利なサイトがあるとうれしいですね。口で説明しきれないことがたくさんあるので、助かりました。

2008/03/11 12:10:53

その他の回答(5件)

id:Gay_Yahng No.1

Gay_Yahng回答回数724ベストアンサー獲得回数262008/03/11 10:14:52

ポイント20pt

圧力の問題です。

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E3%82%B5%E3%82%A4%E3%83%95%E3%82%A...

サイフォンの原理の一種かな?

 

普段は気になりませんが私達の周りにある空気には圧力があります。お風呂の水には上から空気の圧力がかかっています。今回のように水面より高く水が上がったときに、上がった分の水は重力にひかれて下に落ちようとしますがお風呂の上の空気は水面を押しています。重力で落ちよとする水を支えるほど空気の圧力が強いのですね。

 

小学生のお子さんには空気の圧力が強いんだよと説明してみたらどうでしょう?

 

学問的に理解するなら「ベルヌーイの定理」を勉強と言うことになると思います。

id:kaerudayo

ありがとうございます。水面から持ち上げようとするときに、抵抗を感じるのは、洗面器内の水が重力でひっぱられているということですか、なるほど。空気の圧力をわからせる実験をしてみて、見せるしかないですね。

2008/03/11 11:05:25
id:type9 No.2

type9回答回数939ベストアンサー獲得回数232008/03/11 10:32:08

ポイント20pt

理屈としてはお風呂の水面に大気圧(気体の質量)がかかっていて、

水のプリンと言われる部分は大気圧の影響がないからです。

洗面器を伏せてそのままゆっくりお風呂に沈めると、

洗面器の中に空気がたまったまま(空気のプリン?)になるのと理屈は一緒です。

(小学2年生に理解できるかどうかわかりませんが、

 子供に教えるときは図に書くとわかりやすいです)


洗面器程度ではあまり影響がありませんが、

その高さが高くなると、プリン部分中の水の重さと風呂の水面にかかっている

大気圧とがバランスをとるために真空状態になるはずです。(何十メートル必要です)

いつの時点かは忘れてしまいましたが、

学校(中学か高校だったかな)で、教わった記憶があります。

(「重量(重さ)」と「質量」の違いを習うあたり)

分野としては理科とか物理なのですが、

たまに教育系のテレビでもやっていたりします(だいぶ前の平成教育委員会かな?)。

本として探すとなると、ちょっとした雑学系のようが気がします。


http://okwave.jp/qa1752195.html

気圧とは、

http://ja.wikipedia.org/wiki/%E6%B0%97%E5%9C%A7

id:kaerudayo

ありがとうございます。そうか、真空にならないような力が働くんですね。リンク先にあった「凝集力」って言葉が気になります。

2008/03/11 11:11:01
id:hkrhr1 No.3

hkrhr1回答回数235ベストアンサー獲得回数122008/03/11 10:36:59

ポイント20pt

 おっしゃるように、洗面器の中に吊り上げられた水は、必死に下に落ちようとします。しかし、もし落ちてしまうとその落ちた分だけ洗面器のなかに<真空>が出来てしまいます。宇宙は、極希薄な気体成分しかなく真空ですが、地球上では真空状態を作るのは容易ではありません。そうです、洗面器の中に真空状態が出来ないのです。そうした真空状態に近い気圧の低い空間が出来ると必ず水や空気が入り込み真空状態では無くす動きをします。ですから洗面器の中の水は持ち上がったままになるのです。

 透明なビンで実験してみると良いでしょう。ビンいっぱいに水を入れて、お風呂の水の中で逆さまにして持ち上げてみると、ビンの中に水が入ったままで吊り上ってきます。さらに吊り上げ、ビンの口から少し空気を入れてみましょう。空気がビンの中に入ります。その分だけビンの中の水が減ります。

 以上のように、地球上では、気圧と言う圧力がかかっているため、真空状態になろうとする空間は周りから大きな圧力を受け、それに対抗する力が無い場合には、周りから圧力を押し付けられる事になり、真空状態を作れないのです。と言うか、そうした状態を気圧と言います。

 

id:kaerudayo

ありがとうございます。昨日の夜、「透明な洗面器を買ってみて、調べてみようか」と話していました。ビンで試してみますね。気圧と重力いう目に見えない力を理解させるような方法を考えないとな。

2008/03/11 11:14:22
id:morimo7371207 No.4

morimo7371207回答回数44ベストアンサー獲得回数02008/03/11 10:50:11

ポイント20pt

地球の空気がお風呂の水面を押さえつける力で水が洗面器から落ちてきません。水(湯)でやれば10mぐらいの高さのプリンを作ることも可能です。(そんなでかい洗面器はないですね)

昔,トリチェリーという人が水銀で実験しています。水銀は水より重い(密度が大きい)ので70~80cmぐらいのプリンしかできません。

実験室で実験する場合次のような方法があります。

http://web.kyoto-inet.or.jp/people/sugicom/kazuo/neta/tigaku1.ht...

id:kaerudayo

ありがとうございます。リンク先の実験は、何かで見たことがあります。どこかの博物館に水銀の柱があったのは、そういう理由だったんですね。10メートルということですが、洗面器の径の大きさは関係ないんでしょうか? 細いビンというか、管に蓋をしたみたいなものの方が、高く上がるのかなぁ。疑問がもっと増えてきました。実験のしがいがありそうですね。

2008/03/11 11:19:44
id:kei2007 No.5

kei2007回答回数5ベストアンサー獲得回数02008/03/11 11:44:25

ポイント20pt

皆さんがいろいろと書かれているので、私は以下の疑問に対して。

>10メートルということですが、洗面器の径の大きさは関係ないんでしょうか? 細いビンというか、管に蓋をしたみたいなものの方が、高く上がるのかなぁ。疑問がもっと増えてきました。実験のしがいがありそうですね。


なぜ10メートルかについて説明したいと思います。

10メートルという高さは、大気圧と水が釣り合っている高さです。

ご存じのように大気圧は1気圧です。これは、1cm2あたり約1kgの重さがかかっている状態です。

1cm2あたり約1kgの重さをかけるためには、水を1000cm積み上げる必要があります。つまり、10mの高さの水が1気圧に相当します。

これが、水銀の場合、水銀は水よりも比重が大きいので、約76cmになります。

id:kaerudayo

ありがとうございます。type9さんが書いた「何十メートル必要」というのは、つまり、10メートル以上になると、真空でつりあいをとるということでしょうか。

2008/03/11 12:14:18
id:rikuzai No.6

りくっち回答回数1366ベストアンサー獲得回数1412008/03/11 11:57:44ここでベストアンサー

ポイント20pt

原理については回答が得られていると思いますので、

私からは実験方法を。


↓のサイトをオススメします。

実験で楽しくなる力学教室

Chapter2の「圧力と気圧」に出てくる缶を使っての実験と、「水圧と浮力」に出てくるコップとペットボトルを使っての実験は簡単でわかりやすいと思います。

元々質問であげられている洗面器の現象も、サイフォン自体もこうした力学の原理を理解する時に使われる実例の一つだと思うのですが、

↑のサイトは実験の目的とその後の説明の仕方が参考になるのではないかと思います。


また、気圧の前提としての「重力」を体感している生活体験としてエレベーターをあげるのも一つだと思います。

あの動き出す時のふわっと浮き上がるような感覚は一瞬の無重力状態を体感しているようなものなので。

可能ならコップに水を入れ、ストローを差込み、ストローの水面部分にマジックなどで印をしてからエレベーターにのって水面の動きを見てみるとおもしろいです。

他に気圧関係では、温度差による気圧変化に関する実験はめりはりがあってわかりやすいので、

高低差よりもよく行われると思いますが、今回はちょっと横道にそれてしまうので使い辛いのが残念です。

(風船を軽く膨らませてから熱湯をかけるとどうなるかとか。サイフォンもこちらに属する感じですね)



以上ご参考まで。

id:kaerudayo

ありがとうございます。こういう便利なサイトがあるとうれしいですね。口で説明しきれないことがたくさんあるので、助かりました。

2008/03/11 12:10:53
  • id:kaerudayo
    すばやい回答ありがとうございました。さすが、理系が多いはてな。助かりました。
    説明については甲乙つけがたかったので、使い手があるサイトを紹介いただいたrikuzaiさんにいるか賞は贈りました。なにを探したらいいのかわからない状態から、うまく形にしていただき、ありがとうございました。
    本人が自分で調べてみる気になっているので、上の回答で教えていただいた知識を使って、さりげなくヒントになりそうなことを伝えていこうと思ってます。最終的には、実験に挑戦できたらいいなと思ってます。どうもありがとうございました。
  • id:takejin
    底を切りとった500ccのペットボトルを用意しましょう。
    実験1
     大き目のボール(きれいに洗ってね)に水道水を満たします。ペットボトルのふたを取り、ボールに沈めます。水中でふたをし、底を水面から出さないようにして、ふたを上にして引き上げます。
    →底が水面から出ない限り、ペットボトルの中は水で一杯のはずです。
    このまま、実験2
     ペットボトルのふたを開けましょう。
    →中はすっきり空気になりますね。
    実験3
     ちょっとがんばりましょう。
     水面下に底をいれたまま、ペットボトルのふたを取り、そこから空気を吸い出します。(結構がんばらないと出せませんよ)
    →吸い出した空気の分、水がペットボトルに入ってくるはずです。

    つまり、ペットボトルの中の空気を吸い出す→ペットボトルの内部の圧力を下げる。ことにより、外側の圧力のかかった水が、(圧力の低くなった)ペットボトルに入ってくるわけです。

    減圧の度合いにより、ペットボトル内に入ってくる水の量が変わります。

    こんな実験で、いかがでしょう?
  • id:kaerudayo
    takejinさま ありがとうございました。
    遅ればせながら、提案いただいた実験をやって見せたところ、大気圧があることが理解できたようです。
    どうもありがとうございました。

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