内と外: ボイルの法則の実証

Science Buddies によるプレッシャーに満ちた科学プロジェクト

主要な概念物理学ガス圧力体積ボイルの法則

導入おそらく、これまでにソーダを開けて液体がボトルから勢いよく出てきて、大混乱を引き起こしたことがあるでしょう。 なぜそのようなことが起こるのでしょうか? それは、液体を発泡させるために液体に加えられる二酸化炭素ガスに関係しています。 ボトルを開けると内部の圧力が解放され、気体と液体の混合物がボトルから飛び出します。 このアクティビティでは、空気と水を満たした風船を使って、圧力に応じてガスの体積がどのように変化するかを示します。

背景固体、液体、気体の違いは、粒子 (分子または原子) がどのように動作するかです。 固体中の粒子は通常、規則的なパターンでしっかりと詰め込まれています。 液体中の粒子も密集していますが、自由に動くことができます。 しかし、ガス粒子は広く広がり、多くの空間を占有します。 それらは利用可能なあらゆる空間に広がり続けます。 これは、液体や固体とは異なり、気体の体積は一定ではないことを意味します。 17 世紀の化学者であり物理学者であるロバート ボイルは、ガスの体積、つまりガスが占める空間の量が圧力に関係し、またその逆も同様であることを発見しました。 彼は、気体に圧力をかけると体積が収縮することを発見しました。 圧力を下げると、体積が増加します。

自転車のタイヤに空気を充填すると、ボイルの法則が実際に適用される様子を観察できます。 タイヤに空気を送り込むと、タイヤ内のガス分子が圧縮され、互いに密集します。 これによりガスの圧力が上昇し、タイヤの壁を押し始めます。 タイヤに圧力がかかり、しっかりと締まるのがわかります。 別の例はソーダボトルです。 液体に炭酸ガスを取り込むには、通常、ボトル全体をガスで加圧します。 ボトルが密閉されている限り、ガスは小さな空間に閉じ込められ、ボトルの壁に押し付けられるため、絞るのは非常に困難です。 ただし、キャップを外すと利用可能な容積が増加し、ガスの一部が抜けます。 同時に圧力も低下します。

ボイルの法則の重要な実証の 1 つは、私たち自身の呼吸です。 吸うことと吐くことは基本的に、胸腔の容積を増減することを意味します。 これにより肺内に低圧と高圧が生じ、その結果、空気が肺に吸い込まれ、肺から出ていきます。 このアクティビティでは、ボイルの法則の独自のデモンストレーションを作成します。

材料

準備

手順

観察と結果空気が入った風船の中の空気が収縮したり膨張したりするのを見ましたか? シリンジの先端を指で塞がなくても、プランジャーを簡単に押すことができます。 空気はシリンジの先端の開口部から逃げることができます。 しかし、注射器を指で閉めると空気はもう抜けません。 プランジャーを押すと空気の圧力が増加し、バルーン内の空気が収縮または容積が減少します。 空気が入った風船がしぼんで小さくなるのが見えたはずです。 シリンジの開口部を閉じてプランジャーを引き戻すと、その逆のことが起こります。 今度は、シリンジ内の空気の圧力を下げると、その体積が増加します。 その結果、空気が満たされた風船は膨張してサイズが大きくなります。これはボイルの法則の完璧な実証です。

水で満たされた風船では、結果は異なって見えます。 プランジャーを押すとシリンジ内の空気が圧縮されますが、バルーン内の水は圧縮されません。 バルーンは同じサイズのままです。 シリンジの先端を閉じた状態でプランジャーを引き抜いても、水風船の形状が保たれます。 気体とは対照的に、液体は粒子がすでに非常に接近しているため、圧縮できません。 ボイルの法則は気体にのみ適用されます。

注射器に水も入れた場合は、プランジャーを注射器に押し込むときに空気が入った風船が縮むのが見えるはずです。 シリンジの先端を閉じた状態でプランジャーを引き抜くと、空気が満たされたバルーンも拡張するはずです。 ただし、空気の入った注射器ではプランジャーを最大限に押したり引いたりすることができないことに気づいたかもしれません。 これも、液体は気体のように圧縮できないという事実によるものです。 水の入った風船を使って、水の入った注射器内でプランジャーを押し込んだり引き戻そうとしたりするときにも、このことを観察したはずです。 おそらくプランジャーを出し入れすることは不可能でした。

さらに探索するボイルの法則、NASA よりガスの ABC: アボガドロ、ボイル、チャールズ、TED-Ed よりマシュマロをふくらませる、Scientific American よりどのように呼吸しますか?、Scientific American より子供向けの STEM アクティビティ、Science Buddies より

このアクティビティは、Science Buddies との提携により実現しました。

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