【小4理科】とじこめた空気と水を図解で総まとめ—おしちぢめられる空気・おせない水｜武蔵野個別指導塾

空気と水をおしたときの違いを、比較図と空気でっぽうの図でたどります。体積の読み取り、実験条件の見分け、理由を書く問題を通して、手ごたえと体積の関係を家庭でも確かめられます。

よくあるのは、図書館の机で理科のノートを開き、「空気はおしちぢめられる」と書けたのに、「おすほど手ごたえが大きくなるのはなぜですか」と聞かれて止まる場面です。空気は目に見えないので、おす前と後で何が変わったのかを思い浮かべにくいのです。「空気が少なくなったから」と考えると、出口をふさいでいることともつながらなくなります。

ここでは、空気や水をとじこめた筒を手がかりに、体積の変化と手ごたえを結びつけます。おす動作だけを見るのではなく、「中の何を」「外へ出さずに」「どう変えたか」を順に確かめます。空気でっぽうで前の玉が動く理由まで説明できれば、言葉を覚えるだけの学習から一歩進めます。保護者がお子さまとノートを読むときにも、答えを先に伝えず、図のどの部分を見るとよいかを一緒にたどれる単元です。

この単元で身につけること

• とじこめる条件を見つけます。筒の先やすき間から空気や水が出ないことが、体積の変化を調べる出発点です。
• 体積の意味をつかみます。体積は物が場所を占める大きさです。筒では、中身が入っている部分を見て比べます。
• 空気の体積と手ごたえを結びつけます。とじこめた空気をおしちぢめるほど、元に戻ろうとするはたらきが強くなり、手ごたえが大きくなります。
• 空気と水の違いを説明します。空気はおしちぢめられますが、水は同じようにおしても体積がほとんど変わりません。
• 空気でっぽうの動きを順に説明します。後ろの玉、間の空気、前の玉を区別して、何が前の玉をおしたのかを考えます。

小3で風が物を動かすことを学んだ経験は、目に見えない空気にも物をおすはたらきがある、という見方につながります。ただし、この単元で中心になるのは流れる風ではなく、逃げ道のない空気です。風の強さを調べるときとは、空気が置かれている条件が違います。

基本の考え方

「とじこめた」と「体積」を図でつかむ

空気を入れた筒の先をふさぎ、もう一方からピストンをおす場面を考えます。ピストンは筒の中を動く部分です。先端のふさぎとピストンの間にある空気は、外へ出られないようになっています。この状態を「空気をとじこめた」といいます。先が開いていたり、横に穴があったりすると、同じ条件にはなりません。

体積とは、物が場所を占める大きさです。空気は見えませんが、閉じた筒の中に空気だけが入っていれば、先端からピストンまでの空間が、その空気の体積を表します。同じ太さの筒なら、その部分が短くなると体積も小さくなります。筒全体の長さや、おす棒の長さを見ているのではありません。

図1のように、同じ太さの筒でおす前とおした後を並べると、どこが変わったかがはっきりします。上の空気では色の付いた部分が短くなります。下の水では、ピストンの位置がほとんど変わりません。色は中身のある場所を示すためのもので、空気に色があるという意味ではありません。

図1で見るべき境目は、色の付いた部分とピストンが接する位置です。棒の先だけを見ていると、筒の位置がずれたことまで体積の変化だと思ってしまいます。観察するときは筒を安定させ、同じ場所から境目を見ると、変化をとらえやすくなります。

空気はちぢまり、元に戻ろうとする

とじこめた空気をピストンでおすと、空気の体積は小さくなります。この変化を「おしちぢめる」といいます。空気が外へ逃げたのではなく、同じ空気が、より小さい場所に入っている状態です。「小さくなった」と書くときには、空気の量ではなく体積が小さくなった、と言葉を補いましょう。

おし始めはピストンが動いても、さらにおしていくと手ごたえが大きくなります。これは、ちぢめられた空気が元の体積に戻ろうとして、ピストンをおし返すからです。空気の体積を小さくするほど、おし返すはたらきが強くなります。手ごたえとは、手でおしたときに感じる、おし返される感じのことです。

おす力をゆるめると、ちぢめられた空気が広がろうとしてピストンを戻す様子が見られます。ただし、実際の器具にはすべりにくさもあります。必ず最初の位置にぴったり戻る、と位置まで決めつける必要はありません。「元に戻ろうとすること」と「器具がどこで止まるか」を分けて見ると、観察した結果を無理なく説明できます。

ボールを手で軽くおすと、形が変わり、手をゆるめると戻ることがあります。中の空気にも、おしちぢめられるとはね返そうとするはたらきがあります。ただし、ボールの表面の材料にも戻るはたらきがあるので、ボールだけで空気の性質をすべて確かめたことにはなりません。筒を使う実験は、空気の入る場所の大きさを見やすい点に意味があります。

水は流れても、おしちぢめられるわけではない

同じような筒を水で満たし、空気が残らないようにして先をふさぎます。このときピストンをおしても、水の体積はほとんど変わりません。小4の学習では、この性質を「水はおしちぢめられない」とまとめます。手でおす学習の実験では、空気のようなはっきりした体積の変化が見られない、ということです。

「水はおせない」という言い方を、水に力を加えることもできない、という意味に受け取らないようにします。水に力を加えることはできます。違いは、おした結果として体積が小さくなるかどうかです。水に手ごたえがないのでもありません。先をふさいだ筒では、ピストンがほとんど進まないという手ごたえを感じます。

水をコップから皿へ移すと、広がって形が変わります。それでも、水をこぼさずに移せば、形が変わっただけで水の体積が小さくなったことにはなりません。同じように、先が開いた筒をおして水が出る場合も、残った水が減ったのであって、水そのものをおしちぢめたわけではありません。形が変わること、外へ出ること、体積がちぢむことを区別しましょう。

空気と水を比べる実験では、中身以外の条件をそろえます。同じ種類の器具を使い、最初の体積をそろえ、どちらも先をふさぎます。水の側に空気の泡があれば、泡の空気がおしちぢめられてピストンが動く場合があります。予想と違う動きがあったときには、水の性質をすぐに変えて考えるのではなく、泡やもれを先に確かめます。

例題で解き方を確かめる

例題1　空気の体積の変化を読み取る

空気をとじこめた筒で、ピストンの位置から体積を読みました。おす前は30 mL、おして止めたときは20 mLでした。空気の体積は何mL小さくなりましたか。また、空気が外へ出たといえますか。空気のもれはなかったものとします。

1. おす前とおした後の体積を区別します。30 mLが初めの体積、20 mLが後の体積です。順番をそろえると、何がどれだけ変わったのかが見やすくなります。
2. 初めの体積から後の体積を引きます。30 − 20 ＝ 10なので、体積は10 mL小さくなっています。求められているのは後の体積ではなく、変化した大きさです。
3. 出口の条件を確かめます。「とじこめた」「もれはなかった」とあるので、空気が外へ出たとはいえません。体積の減少を、そのまま空気の量の減少に読み替えないためです。

答え：体積は10 mL小さくなり、空気は外へ出ていません。

この数値は読み取りのために与えられた記録です。どの筒でも同じ力でおすと必ず20 mLになる、という決まりを表してはいません。筒の目盛りを使う問題では、問題文に示された値で計算し、手ごたえの大きさを数値から勝手に決めないようにします。

例題2　公平に比べられる組み合わせを選ぶ

空気と水がおしちぢめられるかを比べます。Aは空気を30 mL入れて先をふさいだ筒、Bは水を30 mL入れて先をふさいだ筒、Cは水を30 mL入れて先を開けた筒です。筒は同じ種類で、BとCには空気の泡がありません。どれとどれを比べるとよいですか。

1. 調べたい違いを決めます。ここでは中身が空気か水かによる違いを調べたいので、中身だけを変える組み合わせを探します。
2. 中身以外の条件を比べます。AとBは初めの体積、筒の種類、先をふさぐ条件が同じです。同じ条件を確かめることで、結果の違いを中身と結びつけられます。
3. Cを使ったときの問題を考えます。Cはおすと水が外へ出るので、ピストンの動きだけで水がちぢんだかを判断できません。逃げ道のある実験を混ぜないために除きます。

答え：AとBを比べます。

条件を選ぶ問題は、見た目が似た器具を選ぶ問題ではありません。「何を変え、何をそろえたか」を言えることが目標です。先をふさいだかどうかは小さな違いに見えても、とじこめた中身を調べられるかどうかを決める大事な条件になります。

例題3　体積と手ごたえを結びつける

同じ筒にとじこめた空気を、ゆっくりおしていきました。体積が25 mLのときと15 mLのときでは、どちらの手ごたえが大きいと考えられますか。途中で空気はもれず、同じ器具を使い続けたものとします。

1. 同じ空気を続けておしていることを確かめます。別々の筒を比べているわけではないので、器具の違いを考えずに、ちぢみ方に注目できます。
2. 体積の大小を比べます。15 mLは25 mLより小さいので、15 mLのときのほうが空気をよりおしちぢめています。数字の小さいほうが、手ごたえも小さいとは限りません。
3. ちぢめられた空気のおし返すはたらきと結びつけます。空気はおしちぢめられるほど元に戻ろうとするはたらきが強くなるので、よりちぢんでいるときの手ごたえが大きくなります。

答え：15 mLのときのほうが手ごたえは大きいと考えられます。

体積の数字から、手ごたえが何倍かまでは求めません。この単元で説明するのは、空気の体積が小さくなるほど手ごたえが大きくなるという関係です。「大きい」と「小さい」が何を指すのか、体積と手ごたえをそれぞれ主語にすると混乱が減ります。

例題4　空気でっぽうで前の玉が動く理由を書く

空気でっぽうでは、筒の前と後ろに玉を入れ、その間に空気をとじこめます。後ろの玉を棒でおすと、前の玉が飛び出しました。後ろの玉が前の玉にぶつかっていないのに、前の玉が動いた理由を説明しましょう。

図2は、前の玉が動き出すまでの順序を表しています。上から「おす前」「空気がちぢんだところ」「前の玉が動いたところ」です。赤い矢印は、後ろの玉や前の玉の動く向きを示します。飛ぶ距離や速さを表す図ではありません。

1. 後ろの玉が動くと、どの場所が小さくなるかを見ます。前後の玉の間が短くなり、とじこめた空気の体積が小さくなります。棒が直接おしているものと、間にあるものを分けるためです。
2. ちぢんだ空気のはたらきを考えます。おしちぢめられた空気は元に戻ろうとして、前の玉をおします。目に見えない空気を説明の途中から抜かさないことが大切です。
3. 原因から結果の順に文をつなぎます。「後ろの玉をおす」「空気がちぢむ」「空気が前の玉をおす」の順なら、玉どうしが触れなくても動いた理由が伝わります。

答え：後ろの玉でおしちぢめられた空気が元に戻ろうとして、前の玉をおしたからです。

図2の前の玉が動く直前にも、前後の玉の間には空気があります。「棒の力で飛ぶ」だけでは、その間で何が起きたのかが抜けています。また、筒に穴があって空気が逃げると、同じようには空気をおしちぢめられず、前の玉をおすはたらきも十分に得られません。実物は学校などで指導者の説明に従って扱い、人や動物へ向けず、筒の先から中をのぞかないようにします。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　「空気が減ったので体積が小さくなった」

誤った書き方は、「ピストンをおすと空気が外へ出て、体積が小さくなった」です。先をふさいで空気がもれていない実験なのに、外へ出たと説明している点が違います。「とじこめた」という条件を読み飛ばすと、この書き方になりやすくなります。

正しい書き方は、「とじこめた空気がおしちぢめられ、体積が小さくなった」です。直すときは、空気が通れる出口を図で探してもらいます。出口がないことを確かめてから、ピストンの位置の変化を見れば、外へ出たのではなく、入っている場所が小さくなったと説明しやすくなります。

誤り2　「水の筒が少し動いたので、水もちぢむ」

誤った書き方は、「水を入れた筒でピストンが動いたから、水も空気と同じようにちぢむ」です。ピストンが動いたという観察だけでは、中にある何の体積が変わったかを決められない点が違います。泡の空気がちぢんだり、水がもれたりした可能性を確かめる必要があります。

図3のように、水の上に空気が残っている筒では、おした後に空気の部分が短くなっても、水の部分の大きさは変わりません。図では見分けやすいように、水を下側、空気を上側にまとめて描いています。実際の小さな泡でも、中の空気がおしちぢめられるという点は同じです。

正しい書き方は、「水に残った空気がおしちぢめられた可能性があるので、泡やもれを確かめる」です。図3では、上の空気と下の水を別々に指して比べてみましょう。器具全体の動きを中身全体の変化だと思い込まず、変わった場所を特定する練習になります。

誤り3　「体積が小さいほど手ごたえも小さい」

誤った書き方は、「空気の入る場所が小さくなったので、おし返す力も小さくなる」です。とじこめた同じ空気をよりちぢめたときには、元に戻ろうとするはたらきが強くなるので、関係が逆です。「小さい」という言葉を、別の性質にそのまま当てはめています。

正しい書き方は、「空気の体積が小さくなるほど、元に戻ろうとするはたらきが強くなり、手ごたえが大きくなる」です。ノートでは、体積の変化と手ごたえの変化を別々の行に書き、その間を理由の文でつなぐと整理できます。数字だけを丸で囲むより、何の数字かを添えるほうが、考え直す手がかりになります。

練習問題

練習1　体積の変化を計算する

空気のもれない筒で、とじこめた空気の体積が40 mLから28 mLになりました。体積は何mL小さくなりましたか。また、「空気が外へ出た」と説明してよいですか。計算と説明の両方を書きましょう。

練習2　実験の条件を直す

空気の筒は先をふさぎ、水の筒は先を開けたままおしました。水の筒のピストンも動いたので、「水もおしちぢめられる」とまとめました。この結論を確かめるには、水の筒の条件をどう直せばよいですか。筒の種類と初めの体積はそろっているものとします。

練習3　手ごたえの順を考える

同じ筒にとじこめた空気を続けておして、体積が30 mL、24 mL、18 mLになったときの手ごたえを比べました。空気のもれはありません。手ごたえが大きい順に体積を書き、その理由を説明しましょう。

練習4　空気でっぽうの説明を完成させる

「後ろの玉をおすと、前後の玉の間の空気の体積が（ア）。その空気が（イ）として、前の玉をおす。」アとイに合う言葉を書きましょう。さらに、筒に空気が逃げる穴があると、同じように前の玉を飛ばしにくくなる理由も説明しましょう。

答えと解説

練習1の答え：12 mL小さくなり、空気が外へ出たとは説明できません。40 − 28 ＝ 12です。もれがないという条件から、空気の量が外へ出て減ったのではなく、とじこめた空気の体積が変わったと判断します。

練習2の答え：水に空気の泡がないことを確かめ、水の筒の先もふさぎます。先が開いていると水が外へ出るため、ピストンの移動を水の体積のちぢみとはいえません。中身以外の条件をそろえることが必要です。

練習3の答え：18 mL、24 mL、30 mLの順です。同じ空気をおしちぢめるほど、元に戻ろうとするはたらきが強くなります。ここで比べているのは、同じ空気を続けてちぢめたときの関係であり、量の違う空気を別の器具で比べた結果ではありません。

練習4の答え：アは「小さくなる」、イは「元に戻ろう」です。穴があると空気が逃げ、十分におしちぢめられないため、前の玉をおすはたらきが得られにくくなります。「穴から風が入るから」ではなく、とじこめる条件が失われることに注目します。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

この単元の体積という見方は、空気や水をあたためたときの変化にもつながります。ただし、手でおして体積を変えることと、温度を変えて体積を変えることは、原因が違います。結果だけを見て同じ説明にせず、何をした実験なのかを先に確かめる習慣をつけましょう。

家庭での確かめ方の1つ目は、保護者が付き添い、やわらかい透明な袋に少し空気を入れて口を閉じ、手のひらでそっとおす方法です。口を手で押さえたまま軽くおし、ゆるめたときのふくらみを見ます。袋を破るほどおさず、顔にかぶせないでください。袋の形や材料の影響もあるため、これだけで体積を正確に比べず、空気の手ごたえを感じる入口にします。準備から片づけまで5分ほどでできます。

2つ目は、同じく保護者と、水を少量入れたコップから別の形の容器へ、受け皿の上で移す方法です。元のコップの水面に印を付け、こぼさずに移してから戻します。水面がほぼ元の印に戻ることから、容器に合わせて形が変わっても体積が減るわけではないと確かめます。これも5分ほどででき、水をおしちぢめる実験との違いを話し合えます。

個別指導で説明が止まったときは、まず「空気がある場所を指せるか」「筒の出口が開いているかを読めるか」まで戻ります。そのうえで、観察した変化と、その変化が起きた理由を別々に言葉にしてつなぎます。

まとめ

ノートの「ちぢむ」という言葉に、空気のある場所を示す線を添えてみましょう。さらに「おし返す」という言葉を加えると、ピストンの手ごたえから空気でっぽうの前の玉まで、同じ性質で説明がつながります。水との違いも、見た目の動きだけでなく、出口や泡の有無を確かめて判断できるようになります。

空気でっぽうの説明の決め手は、飛んだ玉ではなく、玉と玉の間で小さくなった空気にあります。