【小4理科】物のあたたまり方と体積を図解で総まとめ—金属・水・空気の伝わり方と体積の変化｜武蔵野個別指導塾

金属・水・空気のあたたまり方を図で比べ、温度計の読み取りや球と輪の例題から、温度と体積の関係を親子で確かめられます。

よくあるのは、祖父母の家の客間で、暖房のある部屋の上の方があたたかいと聞いたお子さまが、「熱は何でも上に進むから、金属の棒も上からあたたまる」と答える場面です。身近な経験を思い出せているのに、その説明を別の物へ広げたところで、理科の決まりとずれてしまいます。ここでは「何があたたまっているのか」と「物そのものが動くのか」を分けて考えることが役立ちます。

金属、水、空気は、どれもあたためると温度が上がります。しかし、全体へあたたかさが広がる様子は同じではありません。また、温度が変わると、物が占める大きさである体積も変わります。あたたまり方と体積の変化を結び付けると、部屋の空気や学校の実験器具の様子を、理由とともに説明できるようになります。温度計の目盛りを読むところから、実験結果を言葉にするところまで、順に確かめていきましょう。

この単元で身につけること

• 金属のあたたまり方を説明します。あたためた所から、近い所へ順にあたたかさが伝わることを、棒や板の図で確かめます。
• 水と空気の動きを読み取ります。あたたまった水や空気が上へ動き、まだ温度の低い部分と入れかわりながら、全体があたたまる様子を考えます。
• 温度と体積を区別します。温度はあたたかさの程度、体積は物が占める場所の大きさです。同じ言葉として扱わず、別々に記録します。
• 金属、水、空気の体積の変化を比べます。この単元で扱う範囲では、あたためると体積が大きくなり、冷やすと小さくなります。特に空気の変化が大きいことを押さえます。
• 温度計を正しく読み、安全に観察します。目盛りの間隔と目の高さを確かめ、温度を手の感覚だけで決めないようにします。

前に学んだ、日光で物があたたまることや、とじこめた空気と水の性質が、この単元につながります。ただし、空気を押して体積を変える実験と、温度を変えて体積を調べる実験では、変えている条件が違います。似た器具が出てきても、何を調べる実験なのかを最初に言葉にする習慣を付けましょう。

基本の考え方

金属は、あたためた所から順に伝わります

金属の棒の端をあたためると、まずその端の温度が上がり、続いて近くの部分、その先の部分へとあたたかさが伝わります。金属の棒そのものが、あたためた端から反対側へ流れていくわけではありません。物の位置がほぼそのままでも、あたたかさは伝わります。

平らな金属の板なら、あたためた所を中心として周りへ広がります。棒の図を見たときだけ「左から右」と覚えてしまうと、右端や中央をあたためる問題で困ります。「左」「右」ではなく、「あたためた所に近い順」と言い直すと、向きが変わっても考えられます。ただし、別の金属や太さの違う棒を比べるときに、近さだけで伝わる速さまで決めることはできません。

学校では、ろうの変化や温度によって色の変わる材料などから、金属のあたたまる順を調べることがあります。色の変化は、そこで温度が上がったことを知らせる手がかりです。色そのものが熱になって進んでいるのではありません。実験図では、あたためる場所、印を付けた場所、変化した順をそれぞれ読み取ります。

図1のように、金属の棒に沿う矢印と、水や空気の中の矢印では意味が異なります。金属の矢印はあたたかさが伝わる向き、水と空気の矢印は物が動く向きです。図の色は様子を見分けるためのもので、実際の水や空気にこの色が付いているという意味ではありません。

水と空気は、あたたまった部分が動きます

水の一部を下の方であたためると、その部分の水が上へ動きます。周りのまだ温度の低い水が下の方へ動き、あたためられた水と入れかわります。この動きが続くことで、全体があたたまっていきます。あたたかさだけが水の中を一直線に上がる、と考えるよりも、水そのものが動く様子を思い描きましょう。

あたたまった水は体積が大きくなり、同じ体積で比べると周りの冷たい水より軽くなるため、上へ動きやすくなります。ここで、「水の重さが消えた」と考えないことが大事です。ひとかたまりの水が広がったので、同じ大きさの場所に入る水の重さに違いが生まれます。小4では、まず「あたたまった水が上へ動く」という観察結果を確かめ、その動きと体積の変化を結び付ければ十分です。

水の上の方だけをあたためる場合は、下からあたためる場合ほど、全体が入れかわる動きが起こりにくくなります。そのため、下の方まであたたまるのに時間がかかります。「水なら、どこをあたためても同じ順」とは限りません。問題の図で、あたためる位置を見落とさないようにします。

空気も、あたたまった部分が上へ動きます。部屋の上の方にあたたかい空気が集まりやすいのは、この性質と関係しています。ただし、実際の部屋では、暖房から出る風や窓の位置なども空気の動きに影響します。図1は、空気の入れかわりを考えるために単純に表した図です。部屋のどこでも同じ向きに流れ続ける、と受け取らないようにしましょう。

温度が変わると、体積も変わります

金属、水、空気は、ふつうの室温付近からあたためると、体積が大きくなります。冷やして元の温度に近づけると、体積も元の大きさに近づきます。温度を変える前と後で同じ物を比べ、途中で中身を足したり減らしたりしていないかを確認することが大切です。

金属の変化は小さいため、見た目だけでは気付きにくいことがあります。それでも、金属の球が輪を通るかどうかを調べれば、変化をとらえられます。水の場合は、細い管を使うと、わずかな体積の変化を水面の高さの変化として見やすくできます。水面が上がったことと、水の量を新しく足したことは同じではありません。

空気は、同じ温度の上がり方で比べると、金属や水より体積の変化が大きくなります。ただし、自由にふくらめる入れ物で調べた場合の話です。かたい容器の中に完全に閉じこめれば、空気が思うままに体積を増やせるわけではありません。容器の条件を見ずに、「温めれば容器ごと必ず大きくなる」とは書けません。

水には、冷やして氷になると体積が大きくなるという別の性質もあります。この単元の体積の決まりを、氷になる場面までそのまま広げないようにします。水のままでの温度変化を調べているのか、氷や水じょう気へ姿を変えることを調べているのかを、問題文で区別しましょう。ここでの例題は、室温付近の水を少しあたためる範囲で考えます。

例題で解き方を確かめる

例題1　金属の棒は、どの順にあたたまりますか

同じ太さのまっすぐな金属の棒に、左からA、B、Cの印があります。印の間隔は同じです。棒の右端の、Cに近い所をあたためたとき、印の部分があたたまる順を答えましょう。棒の途中を別に冷やすことはなく、それぞれの印で同じ方法により温度の変化を調べます。

1. あたためる場所を探します。文字が左から並んでいても、あたためているのは右端なので、Aから考え始めないようにするためです。
2. 右端から近い順に印をたどります。同じ棒の中では、あたためた所から近い所へ順にあたたかさが伝わるからです。
3. C、B、Aの順を、あたためる場所ともう一度照らし合わせます。位置関係を確かめれば、単に文字の順番を書いていないか点検できます。

答え：C → B → Aの順です。

この問題で必要なのは、熱は右へ進むという暗記ではありません。棒の向きを変えても、あたためる場所からたどれば同じ考え方が使えます。中央をあたためた場合には両側へ広がるため、棒の端から端へ進む説明だけでは足りなくなることにも気付きましょう。

例題2　温度計の細かい目盛りを読みましょう

図2の温度計では、20 ℃から30 ℃までが同じ幅の5区間に分かれています。液の先端は、30 ℃から上へ2区間の位置です。このときの温度と、先端が20 ℃にあったときから何 ℃上がったかを答えましょう。図は読み取りを練習するため、目盛りの部分を大きく表しています。

1. 数字が書かれた目盛りどうしの差を求めます。30 − 20 ＝ 10なので、その間に10 ℃の違いがあるとわかります。
2. 目盛りの線の本数ではなく、間の区間を数えます。10 ÷ 5 ＝ 2なので、細かい1区間は2 ℃です。
3. 30 ℃から上の2区間分を足します。2 ＋ 2 ＝ 4、30 ＋ 4 ＝ 34なので、先端の位置は34 ℃です。
4. はじめと後の温度の差を求めます。34 − 20 ＝ 14となり、温度そのものと、上がった分を分けて答えられます。

答え：温度は34 ℃で、20 ℃のときから14 ℃上がりました。

図2の右側の目の印は、液の先端と同じ高さから読むことを表しています。上や下からのぞくと、先端と目盛りがずれて見えてしまいます。「一番近い大きな数字を読む」のでも、「細かい目盛りはいつも1 ℃」と決めるのでもなく、その温度計の目盛りを確かめます。

実際に水の温度を測るときは、温度計の液だめを水に入れ、容器の底や側面に触れないようにします。液の先端の動きが落ち着いてから、水に入れたまま読みます。読みやすくするために水から取り出すと、測りたい水とは別の温度へ近づいてしまうことがあります。ガラスの温度計は振ったり、混ぜる棒として使ったりせず、器具の使い方について先生の指示に従います。

例題3　水の上と下では、どちらが先ですか

水の入った容器の底の左側をあたためます。Pはあたためる場所の真上、Qは底の右側にあります。水をかき混ぜないとき、PとQのどちらの温度が先に上がりやすいでしょうか。また、その理由を「水が動く」という言葉を使って説明しましょう。

1. あたためる場所と、それぞれの点の位置を見ます。棒の問題とは違い、あたためた場所からの近さだけでは決められないからです。
2. あたたまった水が上へ動く様子を考えます。底の左側の水が上へ動くと、その真上にあるPの付近にあたたまった水が届きます。
3. 点の名前と理由をつないで文にします。「上だから」だけでなく、水自体の動きを書くと、金属との違いを説明できます。

答え：Pで、あたたまった水が上へ動くからです。

この答えは、問題に示された位置と、かき混ぜない条件をもとにしています。途中でかき混ぜれば、水の動きは変わります。条件をそろえた実験であっても、最後には両方の温度が上がるため、どちらが「先に」変わったかという時間の順序まで記録する必要があります。

例題4　空気の体積だけを比べる条件はどれですか

空気を入れた、やわらかく動くふくろについて考えます。中の空気が出入りせず、ふくろがまだ十分に広がれるとします。Aは同じふくろを冷たい場所と少しあたたかい場所に置いて比べる方法、Bは同じ温度でふくろへ空気を足して比べる方法です。温度による空気の体積の変化を調べるのに合う方法を選び、予想も書きましょう。

1. 調べたい条件を言葉にします。今回は、空気を入れる量ではなく、温度の違いが体積に関係するかを調べます。
2. 途中で空気を足す方法を外します。Bでは温度が同じでも、足した空気によってふくろが大きくなるためです。
3. Aで温度が上がる前後を比べます。空気の出入りがなく、ふくろが広がれるなら、温度の上昇に伴う体積の変化を見分けやすくなります。

答え：Aで、あたたかい場所では中の空気の体積が大きくなると予想します。

ふくろの大きさだけを見て理由を決めず、ふくらむ前に何を変えたかを調べるのが、この問題の要点です。温度以外に、外から押す力や空気の出入りが変わっていないかも確認します。これは実験条件を読むための問題で、ふくろや密閉した容器を暖房器具に近づけて試す手順ではありません。

つまずきやすいところと直し方

誤り1　金属でも「上からあたたまる」と書く

誤った書き方は、「金属も水も空気も、上の方からあたたまる」です。水や空気で見た動きを、金属にも当てはめているところが違います。金属は、棒や板そのものが流れて入れかわるのではなく、あたためた所から順にあたたかさが伝わります。

正しい書き方は、「金属はあたためた所から順にあたたまり、水や空気はあたたまった部分が上へ動いて、全体があたたまる」です。お子さまが迷ったら、図の矢印の上に何を置いて想像しているかを聞いてみましょう。水を示す小さな印が動くのか、金属の位置はそのままで色が変わるのかを分けると、違いがはっきりします。

誤り2　球が通らないのは、重くなったからと書く

誤った書き方は、「金属の球は、あたためると重くなって輪を通れなくなる」です。輪を通れるかどうかは、球の大きさと輪の穴の大きさとの関係で決まります。重さが増えた証拠として扱っているところが違います。

図3のように、輪の穴の大きさを変えず、球だけをあたためた前後を比べます。もとの球は穴より小さく、あたためた球は穴より大きくなると、通らなくなります。図では違いを見分けやすくするため、球の大きさの変化を強調してあります。実際に同じ割合で大きくなることを示してはいません。

正しい書き方は、「球をあたためると体積が大きくなり、輪の穴を通れなくなる」です。輪をあたためていないという条件も添えると、何を比べたのかが明確になります。球を冷やして元の温度に戻せば、再び通ることからも、温度と体積の関係を確かめられます。熱い金属は、見た目だけで温度を判断できません。この実験は学校の安全管理の下で行い、球に手で触れて確かめることはしません。

誤り3　管の水面が上がったので、水が増えたと書く

誤った書き方は、「水をあたためたら、細い管の水面が上がったので、水が新しく増えた」です。温度によって占める場所が大きくなったことと、外から水を加えたことを混同しています。管の高さだけを見るのではなく、水の出入りがあったかを確かめる必要があります。

正しい書き方は、「水を加えていないのに水面が上がったのは、水の体積が大きくなったから」です。ただし、容器に空気が残っていると、空気の体積の変化も水面に影響します。水の体積を調べる装置では、水で満たして空気を残さないなど、調べたい物に合わせた準備が必要になります。

水面の上がった高さをそのまま別の装置と比べることにも注意します。同じ体積の変化でも、管が細いほど水面の高さの変化は大きくなります。温度による水の変化を比べたいなら、管の太さやはじめの水の体積などもそろえます。「よく見えた変化」と「変化した体積の大小」を、すぐに同じものとして扱わないようにしましょう。

練習問題

練習1

横に置いた同じ太さの金属の棒の中央をあたためます。中央から左右に同じ距離だけ離れた所に、LとRの印があります。周りの条件も左右で同じです。LとRのどちらが先にあたたまると考えられますか。理由も書きましょう。

練習2

ある温度計は、10 ℃から20 ℃までが同じ幅の10区間に分かれています。液の先端が20 ℃から上へ7区間の位置にあります。温度は何 ℃ですか。また、はじめの温度が18 ℃だったとき、何 ℃上がりましたか。

練習3

水の底の一部をあたためると、あたたまった水はどちらへ動きますか。そのとき、周りのまだ温度の低い水はどのように動くかも書きましょう。「熱が上に行く」という言い方だけで終わらせず、水の動きとして説明します。

練習4

輪はあたためず、金属の球だけをあたためたところ、もとは通っていた輪を通らなくなりました。球を元の温度まで冷やすと、どうなると考えられますか。その理由と、確かめる際に守る安全上の注意をそれぞれ書きましょう。

答えと解説

練習1の答えは、「LとRはほぼ同じころにあたたまる」です。同じ棒で、あたためる場所からの距離や周りの条件も同じだからです。中央をあたためても、片方にしかあたたかさが伝わらないわけではありません。

練習2の答えは、「27 ℃で、9 ℃上がった」です。1区間は（20 − 10）÷ 10 ＝ 1 ℃です。20 ＋ 7 ＝ 27、27 − 18 ＝ 9の順に求めます。現在の温度と変化した分を、別々の数として示しましょう。

練習3の答えは、「あたたまった水が上へ動き、周りのまだ温度の低い水が下の方へ動いて入れかわる」です。上へ動く水だけを書いて終わらず、入れかわりによって全体があたたまるところまで説明できると、観察結果がつながります。

練習4の答えは、「再び輪を通ると考えられ、理由は冷やすと球の体積が小さくなるから」です。安全上の注意は、「熱いかどうかを素手で触って確かめず、先生の指示に従って器具を扱う」などです。輪の穴の大きさが変わっていないことを押さえると、球の変化を根拠に説明できます。

次の単元へのつながりと家庭での確かめ方

温度によって水や空気が変化することは、じょう発や、空気中の水じょう気が水になる現象を学ぶ土台になります。また、何を変え、何をそろえて比べるかという考え方は、発芽や物のとけ方など、別の実験でも使います。温度計の読み取りは、実験の条件と結果を数で記録するための共通の道具になります。

家庭では、保護者と一緒に、次のどちらかを5分ほどで試せます。1つ目は、紙に温度計の目盛りを描き、液の先端の位置を指して温度を読む方法です。今回の図2を見ながら、1区間の大きさを言ってから答えます。温度の数字だけでなく、「どの目盛りから数えたか」まで説明すれば、読み間違いの原因を探せます。

2つ目は、部屋の見取り図に暖房の位置を描き、あたたまった空気の動きを矢印で予想する方法です。暖房器具に触れたり、家具に上がったりする必要はありません。床の近くと上の方ではどう違いそうかを話し、窓や風によって予想どおりにならない場合も考えます。これは空気の動きの予想であり、実際の温度を測った記録とは分けて扱います。

個別指導では、順番の答えが違えば、まずあたためる場所を図で指せるところまで戻ります。体積の説明が曖昧なら、水や空気を足した場合と、同じ中身のまま温度を変えた場合を比べて確かめます。家庭で火や熱湯を使って再現したり、密閉容器を加熱したりする必要はありません。

まとめ

「上へ動く」と書いたら、何が動いたのかを確かめてみましょう。「大きくなった」と書いたら、何と何を比べたのかを図に戻って探します。言葉を少し具体的にするだけで、金属の棒、容器の水、部屋の空気を、それぞれに合う決まりで説明できるようになります。

正解の順番を覚えるだけでは、あたためる位置が変わった問題には対応しきれません。観察した場所と条件を示せることが、答えの確かさを支えます。金属には熱の伝わる道筋があり、水と空気には入れかわる動きがあります。