【自由研究】氷が早く溶けるのは水中か空気中か
家ですぐにできる！ 簡単な実験を通じてできる自由研究をご紹介します（写真：januaryphoto／PIXTA）
「子どもの自由研究に苦労している」という方は多いと思いますが、自由研究は「理系科目を伸ばす」きっかけにもなります。大事なのは、日常生活の中で出会う「不思議なこと」。本稿では、『簡単実験でわかる！解ける！ 続 本当はおもしろい中学入試の理科』の著者、尾嶋好美氏が、家ですぐにできる簡単な実験を通じてできる自由研究を紹介します。
「手を動かす」からわかることがある
今年の夏も暑いですね。そして日本各地で豪雨による被害も起きています。「どうしてこんなに一気に雨が降るのだろう？」と疑問に思うお子さんもいるでしょう。
また、夏休みに家族で行った博物館で、山の中で見つかった海の生き物の化石を見る機会があるかもしれません。「山なのに、なぜ貝や魚の化石が見つかるのかな？」と不思議に思うこともあると思います。
Chat GPTなどを使えば、子どもが持つ疑問の多くは解決できてしまいます。でも、たんに文字として読むのと、自分の手を動かして実感するのとでは、大きな違いがありますよね。
こんな時代だからこそ、特にお子さんにとっては“身をもって経験すること”が大切になってきています。お子さんの理系科目の力を伸ばすためにも、実体験はとても有効です。親子で楽しみながら手と頭を使い、身近にある不思議を解き明かしていきましょう。
たとえば、カフェなどで、茶色と白の二層になったカフェ・オレを見かけることがあります。茶色はコーヒー、白は牛乳です。また、オレンジ色と茶色に層が分かれた飲み物もあります。これは、オレンジジュースとアイスティーを組み合わせたアイスオレンジティー。
ストローで混ぜるとすぐに混ざってしまうのに、どうして二層に分かれているのでしょう？
その秘密は、2つの液体の「密度」にあります。密度とは、物質の1立方センチメートルあたりの重さのこと。ここで、想像してみてください。同じ大きさの鉄でできた球とコルク栓を水に入れると、どうなるでしょうか？ 鉄は水に沈むけれど、コルクは浮きますね。コルクより鉄のほうが密度が大きいため、このような違いが生じるのです。
二層ドリンクを作ってみよう！
液体にも密度の違いがあります。密度の大きい液体の上に、密度の小さい液体をそっと注ぐと、二層に分かれます。とても簡単にできるので、オレンジジュースとアイスティーを使って、二層ドリンクを自分で作ってみましょう。
【二層ドリンクの作り方】
1. オレンジジュースをコップに注ぐ。
2. 氷をたっぷり入れる。
3. 氷の上から無糖のアイスティーをそっと注ぐ
オレンジジュースを入れたコップに、氷を伝わらせながらアイスティーをそっと注ぐ
二層のドリンクができた
アイスティーはオレンジジュースよりも密度が小さいので、上のほうにたまっていきます。注ぐときのポイントは、氷を伝わらせながら少しずつ静かに注ぎ入れること。氷を伝わらせずに注いでしまうと、注いだときの勢いで混ざってしまうので、注意してください。
二層ドリンクができたら、今度は順番を逆にして、先にアイスティーをコップに入れてからオレンジジュースを注ぐとどうなるかを試してみましょう。密度の小さいアイスティーを先にコップに入れてから密度の大きいオレンジジュースを注ぐと、オレンジジュースが下に沈んでいって混ざってしまい、きれいな二層にはなりません。
自由研究として実験する場合は？
自由研究として実験する場合は、飲み物を100mLずつコップにとり、はかりにのせて重さを比べてみるといいですね。密度の違いが数値でわかります。密度の差が大きいほど、きれいな二層になります。
この実験は、オレンジジュースに砂糖を加えて密度の差を大きくするとどうなるか、ほかの飲み物に替えたらどうなるかなど、いろいろと工夫できると思います。
もう1つ、家庭で簡単にできる実験を紹介しましょう。
冷凍食品には、「早く解凍したい場合は流水につけましょう」と書いてあるものがありますね。なぜ流水につけると早くとけるのでしょう？
「とける」というのは、熱が氷に伝わることで起きる現象です。結論から言ってしまうと、空気よりも水のほうが熱を伝えやすいため、水につけたほうが早くとけるのです。
2つの氷を使って実験してみましょう。
【氷がとけるスピードを比べる】
1. 同じ大きさの氷を2つ用意する。
2. 1つはお皿の上に置く。
3. もう1つは水を入れたコップに入れる。
実験をしてみるとわかりますが、水の中に入れた氷のほうが、お皿に置いた氷よりもずっと早くとけます。水の温度は室温よりも低いのに、不思議ですね。
お皿の上の氷は、底はお皿にくっついていますが、まわりは空気に囲まれています。コップの中の氷は、水に囲まれています。“水に”囲まれているか、“空気に”囲まれているかで、とけるスピードが変わるのです。
なぜ水に囲まれているほうがとけるのが早い？
熱は分子どうしがぶつかることで、伝わっていきます。熱い分子と冷たい分子がぶつかると、熱い分子から冷たい分子に熱が移動します。同じ体積の空気と水の中の分子の数を比べると、空気中の分子の数より、水の中の分子の数のほうがずっと多いです。
このため、水の中に入れた氷にぶつかる分子の数は、空気中に置いた氷にぶつかる分子の数より多くなります。つまり熱の移動が起こる頻度が高くなるため、早くとけるのです。
実験を「自由研究」としてまとめるときは、いくつかのポイントがあります。「自由研究」とは、「自由」に「研究」をすることなので、やり方にとくに決まりはないのですが、「研究」なので、書いたほうがいいことはあります。次の6つは書くようにしましょう。
�仝Φ罎量榲�……何を研究したのか
�⊆存該猯繊帖勅存海忙箸辰燭發里浪燭�
��実験方法……どのような実験をしたのか
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�ス融 帖弔匹Δ靴討修ΔいΨ覯未砲覆辰燭塙佑┐襪�
��参考にした本やURL……この研究の参考にしたものは何か
�△亮存該猯舛蓮△曚�の人でもできるように、必ず数値も書きましょう。二層ドリンクの作り方であれば、「オレンジジュース150mL」のように、材料とその量を書きます。
��の実験方法も、時間や温度などは数値で書くようにします。
�い侶覯未蓮�表やグラフを使ってまとめると、見た人がわかりやすいですね。「結果」には、実験で得られた事実を書きましょう。氷の実験なら、「氷を入れる前の水の温度17℃」、「1分20秒でとけきった」というように書きます。ここには自分の意見は書きません。
�イ旅融，砲蓮屬覆爾修里茲Δ雰覯未砲覆辰燭塙佑┐襪�」を書きます。前述の氷の実験でいうと、「なぜ水の中の氷のほうが早くとけるか」についてなどです。これは自分の考えなので、間違っていてもかまいません。
小学生の場合、自由研究の参考にするのは書籍や図鑑などがいいと思います。インターネットで調べることもできますが、その場合は、国の研究機関などのウェブサイトがおすすめです。個人のブログなどは玉石混淆で、間違っている情報もあるので注意しましょう。参考にした本やサイトのURLも、最後に書いておきます。
同じ実験をテーマにした入試問題に挑戦！
近年の中学入試では、実験をテーマにした出題が増えています。単に知識を問うのではなく、考える力を問う問題です。自分の手を動かして実験をした経験があると、これらの問題も解きやすくなります。
家で実験をしたあとは、同じ実験が登場する入試問題にチャレンジしてみるのもおすすめです。難しそうに感じた問題も、意外とすらすら解けてしまうことに気づくはずです。
ぜひ、親子で楽しみながら実験をして、考える力を伸ばしていってください。
（尾嶋 好美 ： サイエンスコーディネーター、博士（学術））
