金属棒の熱伝導について　―小学校教材（金属棒を伝わる熱）の検討―

抄録

金属棒を伝わる熱量が，どのような要素に左右されるかを実験・考察し，小学校理科「熱の伝わり方」の教材の選び方について検討した。細長い金属棒の一端を熱し，熱量の移動が定常的になったときの，金属棒と周囲との温度差は，熱源からの距離に対して，指数関数的に減少するいとう理論通りの結果が得られた。温度差の減少の割合は，金属棒の断面積・熱伝導率・円周・発散率などが影響していることがわかった。次に，ニュートンの冷却の法則の実験から，表面より発散する熱量の割合（発散率）は．物体の形・大きさ・種類に関係なく．表面の状態だけで決まることが結論できた。この2つの実験を基礎にして「熱の伝わり方」に関する小学校教材を検討した。先ず，金属棒に等間隔にロウを少量つけ，一端を熱したとき，ロウが熱源の方から融けていく速さで，熱の伝わり方を調べる実験である。同じ直径を持つCu• Al• Feの3本の金属棒について，温度伝導率はCu>Al>Feであるが，実験結果はCu≒Al>Feであり，予想に反する。このことば表面の状態がCuとAlとで違っているために，空気中へ発散していく熱星に差があるためである。従って，この実験をする場合は，金属性塗料を塗布するなどして，表面の状態を同一にするか，又は，表面の状態がよく似た試料を選ばなければならない。同じ実験装置で， 金属棒の一端を，水の入っている小型の熱量計に浸す。金属棒の他端を熱して，金属棒を通じて熱を伝え，水温の上昇速度で熱の伝わり方を調べる実験がある。実験の結果，同じ直径，同じ長さであれば，水温の上昇速度は， 金属の熱伝導率の順になり， 表面からの発散は，あまり影響しないことがわかった。結論として， 「熱の伝わり方」に関する教材として，教材を選ぶ前に「温度の伝逹」か「熱量の伝達」かを見究める必要があり， 「熱の伝わり方」を「熱量の伝わり方」と解釈するときには，一般によく用いられている「ロウを融かす現象」よりも， 「水温を上昇させる現象」の方が優れていることがわかった。