校庭にある白い百葉箱。中に温度計を入れるのは、気温を測るためです。
それなら、雨や日光が入らないように、すき間を全部ふさいだ方がよさそうに思えませんか。
でも、空気まで閉じ込めてしまったら、外の空気の温度を測る目的から離れてしまいます。
百葉箱は、何もかも遮る箱ではありません。遮りたいものと、通したいものを分けて考えましょう。
測りたいのは、日なたで熱くなった温度計？
温度計を日光に直接当てると、温度計自体が日光のエネルギーを受けて温まります。
そのときの値を、そのまま周りの空気の温度とすることはできません。
「暑い日の本当の気温を知りたいから、日なたに置く」という考え方には注意が必要です。
気温として測りたいのは空気の温度です。温度計を日光で直接温める影響は、できるだけ避けます。
日光を遮っても、空気は入れ替える
百葉箱の側面には、板を重ねたようなすき間があります。
直射日光や雨が入りにくく、それでも周りの空気が通るようにしたつくりです。
もし密閉した箱にしてしまうと、箱の中の空気が外の空気と入れ替わりにくくなります。箱が受けた熱などの影響も残りやすくなります。
「外の影響を受けないため」とだけ説明すると、空気まで遮るように聞こえてしまいます。
日光の直接の影響は避ける。周囲の空気は通す。ここまで分けて説明してみてください。
冷やすための箱ではない
百葉箱に入れる目的は、温度計をできるだけ冷たくすることではありません。
日光で温度計が余分に温まる影響を避け、周りの空気の温度に近づけて測るためです。
「気温を正しく測る」と「低い温度を出す」は同じではありません。実験器具の工夫を見るときは、何を測りたいのかに戻りましょう。
箱の形が違っても、目的はつながる
気象観測では、温度計を通風筒に入れ、ファンで空気を流す装置も使われています。
学校で見る百葉箱と見た目が違っても、日光の影響を避けながら空気を通す、という考え方は共通しています。
百葉箱は自然に空気が入れ替わるつくり。ファンを使う装置は、空気の流れをつくります。
形の名前だけでなく、その形が何のためにあるのかを考えると、初めて見る装置の図も読みやすくなります。
最後に、一問だけ
「百葉箱のすき間をテープでふさげば、外の影響を受けないので、もっと正しく気温を測れる」
この説明の、どこを直せばよいでしょうか。
周りの空気まで通りにくくしてしまうところです。
気温を測るには、日光を直接受けないようにしながら、周りの空気と入れ替わることが必要です。
箱に入れる理由と、すき間を残す理由。反対に見える二つの工夫も、測りたいものを決めると、つながって見えてきます。
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参考資料
編集補足：百葉箱の工夫を、一つずつ役割に結び付ける
ここからは、測定方法を比べる自作例題です。温度計の値を並べたとき、「高い方が正しい」「低い方が正しい」と数字だけで選ばないようにします。測りたいものは、その場所の空気の温度です。その目的に対して、日光や空気の出入りがどう関わるかを考えます。
箱の中の温度計は、外から隔離して何の影響も受けなくするものではありません。周囲の空気とは熱をやり取りして、その温度に近づく必要があります。避けたい日光の直接の影響と、必要な空気との接触を、別の矢印で表してみましょう。
器具のずれと、置き場所の影響を切り分ける
二本の温度計で値が違ったとき、置いた場所だけが原因とは限りません。器具そのものの指示に差がある可能性もあります。比較実験の計画では、まず二本を同じ条件に置いて、値が安定したときの対応を確かめる、という段階を考えます。これは観測設備を勝手に移す指示ではなく、与えられた実験資料を読むための考え方です。
Aの温度計を日なた、Bを日陰に置いた一回の結果だけでは、器具と場所が同時に違っています。時間による変化も考慮して条件を整えた模型で、器具を入れ替えても日なた側の値が高くなるなら、置き場所の影響を検討する材料が増えます。入れ替えさえすれば完全に原因が決まるのではなく、日射や測定時刻が変わっていないかも確認します。
百葉箱の白い色、日光を遮る構造、空気を通すすき間を別々に説明できるようにすると、比較問題でも変えた条件を見つけやすくなります。『百葉箱だから正しい』で終わらず、何の影響を小さくし、何を周囲と近づけたい装置なのかまで言葉にしましょう。
例題1：数値が高い温度計を採用してよい？
同じ場所・時刻で、Aは日光が直接当たる温度計、Bは日光を遮り周囲の空気が通る適切な場所の温度計です。Aが34℃、Bが29℃を示しました。器具は正常で、Bは測定値が安定しています。「暑い日の気温なので、高い34℃を採用する」という説明を直してください。
空気の温度を測る目的に合うBの29℃を使います。 Aには日光が温度計自体を温める影響が加わっています。34℃と29℃の平均31.5℃にすれば正しくなるわけでもありません。測定条件の違う値を平均しても、その影響を取り除いたことにはならないからです。
この数値差5℃は、この自作資料の条件での差です。日なたの値からいつも5℃引けば気温になる、という換算には使えません。日光の強さや器具の状態が変われば、差も同じとは限りません。
例題2：日光と通風、両方を変えた比較
Aは日光を遮り空気が通る箱、Bは日光が入り空気も通りにくい箱でした。中の温度計に差が出ました。この結果だけで「差はすべて通風の悪さが原因だ」と結論づけられますか。通風の影響を比べたいなら、どの条件をそろえますか。
原因を通風だけには決められません。日光を遮る条件を同じにして、通風の条件を比べます。 AとBでは二つの条件が同時に違うため、結果を一つの理由へ割り当てられません。温度計や測定時刻、設置場所なども比較に合うようにそろえます。
学校の観測用百葉箱をふさいで試すという意味ではなく、実験計画の資料として考える問題です。実際の観測設備には手を加えず、指示された条件の図を比較してください。測定装置を守ることと、比較の考え方を学ぶことは両立します。
一回の値だけで、箱の性能を決めない
温度計を置いてすぐは、前にあった場所の温度の影響が残ることがあります。同じ時刻というだけでなく、測定値が落ち着くまで待った条件があるかも確かめます。手で液だめを握ってしまった場合も、周囲の空気以外から熱が伝わり得ます。
目的は最も都合のよい数字を探すことではなく、条件をそろえた記録を得ることです。器具を入れ替えても同じ傾向か、時刻をそろえて複数回確かめたかなど、資料にある比較の仕方を読みます。結果が一つあるだけで、原因の説明まで完成するとは限りません。
図の部品名のあとに、働きを書き添える
「すき間がある」という形の説明へ、「周囲の空気が通る」を加えます。「板が重なっている」へは、「日光や雨を直接入りにくくする」を対応させます。同じ側面でも、二つの働きを同時に持たせていることが分かります。
測る対象、避ける影響、残す必要のあるやり取りを分けると、初めて見る通風筒の図でも考えられます。名前を知っている装置かどうかだけで判断せず、空気の通り道と日光の入り方を図から探してみてください。