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ゴムの弾性エネルギーと温度変化

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中学校1年でばねの伸びがばねを引く力に比例する「フックの法則」を習います。小学校ではバネではなくゴムを使って台車を動かしてゴムの伸びと距離の関係について調べます。では、なぜ中学校ではゴムを使わずにばねを使うのでしょうか?
今回はその理由を説明します。

ゴムの弾性エネルギーと温度変化

それは、ゴムの弾性力がバネのように規則的にはたらかないからです。
輪ゴムを軽く引っ張ると、初めは軽い力で伸びますが、引けば引くほど強い力が必要になります。さらに力を加え続けると、今度は力を加えてもゴムが伸びなくなります。ゴムの限界ですね。つまり、グラフがS字になるんです。これでは中学校では実験しづらいですね。輪ゴムにはもう1つ、力を熱エネルギーに変換するはたらきもあります。簡単な実験でそれを確かめてみます。

ゴム風船を用意します。

ゴム風船に力を加えて伸ばして、そのま頬に当てると・・・
暖かい♩
逆に縮めてすぐに頬に当てると・・・
冷たい!
そう、ゴムは伸び縮みすることで熱エネルギーの出入りがあるんです。縮もうとするときに熱エネルギーが発生します。
そのため、輪ゴムに重りを吊るした状態で熱湯をかけると、輪ゴムが縮みます。これはバネにはない性質です。
同じようにゴムと熱エネルギーについての実験です。
2つのゴムボールを用意します。
一方には普通のスーパーボール
もう一方には弾まないゴムボールが埋め込まれています。
ハンマーでそれぞらのゴムボールを叩くとどのような変化が起こるかわかりますか?弾むボールをハンマーで叩くとハンマーが跳ね返されます。運動エネルギーが運動エネルギーとして帰ってくるのです。しかし、弾まないボールをハンマーで叩いてもハンマーは跳ね返りません。全てのエネルギーがボールにのこることになります。弾まないボールをハンマーで叩いた直後に触ると熱くなっていることがわかります。運動エネルギーが熱エネルギーに変換されたんです。

これは鉛をハンマーで潰しているところです。

触るとヤケドしそうなくらい熱かったです。弾まないゴムボールと同じように運動エネルギーが熱エネルギーに変換されたことがわかります。
エネルギー保存の法則は奥が深いと思いました。中学校の実験では、力とバネの伸びとの関係を見せたいので、熱エネルギーなどが関わってくると困るんですね。輪ゴムではなくバネを使うのにもちゃんと意味があるんですね。勉強になりました。

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自己紹介(PROFILE)

窪田 一志

窪田 一志

1986年生まれ、近畿大学農学部卒業、理科コア・サイエンス・ティーチャー(CST)養成課程修了
家庭教師、個別指導、塾講師を経て、神奈川県で5年間中学校理科教師として勤務。現在は大阪で理科の楽しさを子どもたちに伝えるため日々奮闘中。
教材や教具、デジタル教材の開発、効果的なICT機器の活用方法、カードゲームや問題解決を通してのコミュニケーション能力の育成など自らの実践に基づいた教育活動を展開中。
ブログのアクセス数は月7万pvを超え、ブログがアプリ化されるなど勢いのある教育研究者 兼 教育実践者。記事執筆、研修・講演依頼、書籍化についてはお問い合わせフォームからお願いします。

【著書】
100均グッズからICTまで 中学校理科アイテム&アイデア100[明治図書出版]

【協力実績】
株式会社 NHKエデュケーショナル
株式会社 朝日新聞社 企画事業本部文化事業部
株式会社 高純度化学研究所
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東京学芸大学 理科教育学分野
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