小さな羽根を動かすのは何か
ガラス球の中で、片面が黒く、反対側が明るい色の羽根が回る道具を見たことがあるでしょうか。クルックスのラジオメーターと呼ばれるものです。光を当てると回るので、光そのものが羽根を押していると考えたくなります。しかし一般的なこの道具の回転は、黒い面が温まりやすいことと、球の中に少量残した気体の働きが重要です。光が当たった事実だけでは、途中の仕組みまで決まりません。
黒い面と明るい面では光の吸収が違い、温度差ができます。薄い気体が羽根の周辺でどう動き、羽根へどのような力を与えるかが関係します。ここでは分子運動の詳しい式まで覚える必要はありません。「光→温度差→残った気体の働き→回転」という因果のつながりを考えます。完全な真空でも同じように回るという説明にはならない点を押さえます。
光の圧力と区別する
光が物体へ力を及ぼす現象自体はあります。ただし、それが存在することと、目の前の回転を主に説明することとは別です。二つの説明を比べるには、回る向きや気体の量を変えた結果が手がかりになります。原因候補を一つ思い付いたら終わりにせず、その候補で予想する結果と観察が合うか確かめることが、入試の考察問題でも必要です。
気体を減らすほど必ず速くなる、とも言えません。多すぎれば回転の妨げになることがあり、極端に少なければ羽根を動かす気体の効果も小さくなります。装置ごとに条件が異なるので、最もよく回る圧力を一般の数字として暗記しないでください。資料で三つの状態が示されていれば、その三点の範囲で結論を述べます。
例題1｜三つの観察から言えること
同じ形の模型で気体の量を変え、同じ光を当てました。気体が多いAは毎分2回、少ないBは毎分18回、ごく少ないCは毎分1回転でした。この資料は「気体が少ないほど速く回る」という説明を支持しますか。数値は考察用に作ったものです。
答え・解説：支持しません。AからBでは速くなっていますが、BからCでは遅くなっています。途中の一点だけを選べば単純な規則に見えても、三点全体とは合いません。ただしBがこの装置での最大速度だとまでは分かりません。AとB、BとCの間にまだ測っていない状態があるからです。観察した範囲で最速なのがB、と表現します。
例題2｜回転数と一周の時間
Bを測り直すと、20秒間に6回転しました。一定の速さなら1分間に何回転しますか。また一周の時間は何秒ですか。最初の20秒間は光を当てた直後ではなく、速さが安定してから測ったものとします。
答え・解説：1分は20秒の3倍なので6×3＝18回転です。一周は20÷6＝10/3秒、およそ3.33秒となります。18÷60は一秒の回転数で、一周にかかる秒数とは逆です。回転を数えた時間を横に書けば、どちらの割り算をすべきか確認できます。加速途中の20秒なら、その後の一分間も18回転になるとは限らないため、安定した速さという条件が必要です。
比べるものを一つずつ動かす
気体の量を調べるなら、羽根の大きさ、黒い面の塗り方、回転軸の摩擦、光源との距離をそろえます。光源を近付けた場合には、光が強くなるだけでなく、装置の温まり方も変わる可能性があります。回転数だけを光の強さへ直結させる測定器として扱うには、条件をそろえた対応表が必要です。
図には光の矢印だけでなく、黒白の面、気体、回転の記録を置きます。目に見えにくい温度や気体の存在を考慮するからこそ、見かけの説明を越えられます。「光で回った」は観察、「光が直接押した」は原因の仮説です。この二つを言葉の上で分けて書けるようになると、未知の装置を扱う問題でも、答えを急いで断定する失敗を減らせます。
反対の予想を立ててから観察を読む
二つの仮説が同じ予想をする条件だけでは、どちらの説明が正しいか絞りにくくなります。光を当てると回る、光を消すと遅くなる、という結果は、光が直接押す考えと、光で温められた気体が働く考えの両方から想像できてしまいます。そこで気体を減らした場合や、羽根の明暗を変えた場合に予想がどう分かれるかを考えます。実験の価値は回転を見せるだけでなく、説明の候補を区別するところにあります。
ただし、球の気体の量を変える操作は、簡単な家庭実験として行うものではありません。ここでは用意された比較資料を読む練習です。球を触って温めた場合の変化も、光の条件を一定に保った試験と合わせると温度の役割を考える手がかりになりますが、触った振動で軸が動いた可能性などを除く必要があります。道具の運動は、ごく小さい摩擦の差や傾きでも変わることがあります。期待する原因と別の操作影響を分けて扱います。
回転数を測るとき、羽根が四枚あることにも気を付けてください。一か所を羽根が24回通過したから24回転とは限りません。四枚が等間隔で一周ごとに全部通るなら、一周に四回の通過があるので6回転です。一枚だけに目印を付けた場合には、その目印の通過を数えれば一周と対応させやすくなります。光の仕組みを考察する前に、測定値そのものの数え方が間違っていないか確かめる必要があります。回転する題材で周期を求める際には、「何の通過を一回としたか」を先に定義することで、振り子の片道と一往復のような取り違えを防げます。
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