(57)【要約】【課題】  気体分子モデルが壁と衝突して圧力が生ずることや運動速度が増すと圧力が高まること等の定性的挙動に留まらず、定量的にも、気体分子モデルによって気体の状態方程式が成立することを導出できる気体の状態方程式の視覚化教材装置を提供する。【解決手段】  底面と一側面が開放された透明カバー体２と、駆動源によって駆動される往復運動機構を介して側面と直交する方向に往復動可能な稼働底板５と、前記透明カバー体内で該稼働底板と同方向に移動可能な圧力測定側壁部材６で構成される容器に、高反発弾性の球状気体分子モデルが収納可能とされ、前記稼働底板には、その往復動によって収納された気体分子モデルを前記容器内に打ち出すための突起が設けられており、前記稼働底板より打ち出された気体分子モデルが前記圧力測定側壁部材に衝突することによって発生する圧力の測定手段を具備することを特徴とする。【選択図】図１
2006301174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面と一側面が開放された透明カバー体と、駆動源によって駆動される往復運動機構を介して側面と直交する方向に往復動可能な稼働底板と、前記透明カバー体内で該稼働底板と同方向に移動可能な圧力測定側壁部材で構成される容器に、高反発弾性の球状気体分子モデルが収納可能とされ、
前記稼働底板には、その往復動によって収納された気体分子モデルを前記容器内に打ち出すための突起が設けられており、
前記稼働底板より打ち出された気体分子モデルが前記圧力測定側壁部材に衝突することによって発生する圧力の測定手段を具備することを特徴とする気体の状態方程式の視覚化教材装置。
【請求項２】
前記稼働底板の突起は三角突条であって、その長手方向が稼働底板の往復動方向と直交して所定間隔に設けられていることを特徴とする気体の状態方程式の視覚化教材装置。
【請求項３】
前記圧力測定側壁部材が、低摩擦機構に支持されて移動可能とされていることを特徴とする請求項１または２記載の気体の状態方程式の視覚化教材装置。
【請求項４】
前記稼働底板より打ち出された気体分子モデルが前記圧力測定側壁部材に衝突することによって発生する圧力を、バネで測定するようにしたことを特徴とする請求項１、２または３記載の気体の状態方程式の視覚化教材装置。
【請求項５】
前記稼働底板が、モーターによって駆動されるクランク機構を介して往復動されるようになっていることを特徴とする請求項１、２、３または４記載の気体の状態方程式の視覚化教材装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、気体の状態方程式の視覚化教材装置に関するものである。さらに詳しくは、この発明は、現実には目に見えない気体分子の運動と同様の振る舞いを実体のある気体分子モデルにさせ、それを目で見えるようにした気体の状態方程式の視覚化教材装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
気体の状態方程式は、圧力をＰ、体積をＶ、温度Ｔ、ｎを分子のモル数とすると、次の式、すなわち、ＰＶ＝ｎＲＴで表され、主として高等学校の物理や化学において学習するものであるが、理系大学生の専門基礎として学習することもあり、気体の性質を理解する上で、中心的位置を占めている。
【０００３】
生徒や学生にとって、状態方程式をあてはめた計算問題は比較的できるが、簡単な概念問題に状態方程式を応用することは困難である（例えば、非特許文献１参照）。
【０００４】
これは、目に見えない気体について、圧力や温度の意味を理解しイメージすることが困難なことによると考えられる。
【０００５】
従来より、ピンポン玉や鋼球を気体分子のモデルになぞらえた気体分子運動モデル実験器が、気体分子の運動のイメージを捉えることのできる教材として知られている（例えば、非特許文献２及び３参照）。
【０００６】
ピンポン玉を用いた気体分子運動モデル実験器５１を図１３に示す。これは、回転歯車５２によってピンポン玉５３を弾き上げ、ガラス容器内で飛び跳ねるピンポン玉５３を見ることができるようにしたもので、モーター５４の回転数を変えることで、ピンポン玉５３の動きが変わる。
【０００７】
鋼球を用いた気体分子運動モデル実験器６１を図１４に示す。これは、ピストン６２を往復運動させて、ピストン６２とフローティングピストン６３との間で動き回る鋼球６４を透明な筒６５を透して見ることができるようにしたもので、電圧を制御してピストン６２の振動数を変えることで、鋼球６４によって押し上げられるフローティングピストン６３の高さが変わる。また、フローティングピストン６３上にはおもりが載せられるようになっている。このモデル実験器は、ピストン６２とフローティングピストン６３の間の距離を気体の体積、フローティングピストン６３とその上に載せるおもりの重さを気体の圧力、ピストンの振動数を気体の温度と、それぞれ、なぞらえることにより、気体の物理量の間の関係を示そうと試みたものである。しかし、この実験器では、一応の傾向はつかめるものの、ボイルの法則やシャルルの法則などの正確な関係をとらえることには成功していない（非特許文献３の解説参照）。この原因としては、ピストンの振動数を気体の温度と見なすことの理論的な誤りやこのモデル実験器では重力の影響が避けられないこと、すなわち、鋼球の分布がピストン側に多く上下で均一な分布をしないことやピストンによって打ち出された剛球はその速さが減速してフローティングピストン６３に到達すること、などの技術的欠点が考えられる。ボイルの法則やシャルルの法則ほかの気体の状態方程式中に現れる物理量の間の種々の関係を正確にとらえるためには、これらの誤りや欠点を改善することが必要である。
【非特許文献１】Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｅｄｕ，ｖｏｌ．７７，Ｎｏ．２，ｐ２３５−２３８（２０００）
【非特許文献２】古川  千代男著「プロジェクトサイエンスシリーズ５  物質の原子論−生徒と創造する化学の授業−」（株）コロナ社、１９８９年５月１０日、ｐ．１７−１９
【非特許文献３】近角聰信・豊田博慈監修「新訂図解実験観察大辞典  物理」東京図書、１９９２年１０月３０日、ｐ．１０５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記したピンポン玉や鋼球を気体分子のモデルとして使用した気体分子運動モデル実験器は、気体分子運動のイメージを目から捉えることはできるが、気体の定性的な関係や傾向しか見ることができず、気体分子のモデルを用いて定量的に気体状態方程式を導き出せるものとはいえない。
【０００９】
この発明は、上記のような実情に鑑み鋭意研究の結果創案されたものであり、目に見える気体分子モデルを用い、これが壁と衝突して圧力が生ずることや運動速度が増すと圧力が高まること等の定性的挙動に留まらず、定量的にも、気体分子モデルによって気体の状態方程式が成立することを導き出せるようにした、気体の状態方程式の視覚化教材装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、この発明の気体の状態方程式の視覚化教材装置は、以下の（１）〜（６）の通りである。
（１）底面と一側面が開放された透明カバー体と、駆動源によって駆動される往復運動機構を介して側面と直交する方向に往復動可能な稼働底板と、前記透明カバー体内で該稼働底板と同方向に移動可能な圧力測定側壁部材で構成される容器に、高反発弾性の球状気体分子モデルが収納可能とされ、
前記稼働底板には、その往復動によって収納された気体分子モデルを前記容器内に打ち出すための突起が設けられており、
前記稼働底板より打ち出された気体分子モデルが前記圧力測定側壁部材に衝突することによって発生する圧力の測定手段を具備することを特徴とする。
（２）上記（１）において、前記稼働底板の突起は三角突条であって、その長手方向が稼働底板の往復動方向と直交して所定間隔に設けられているものであることが好ましい。
（３）上記（１）または（２）において、前記圧力測定側壁部材が、コロその他の低摩擦機構に支持されて移動可能とされているものであることが好ましい。
（４）上記（１）〜（３）のいずれかにおいて、前記稼働底板より打ち出された気体分子モデルが前記圧力測定側壁部材に衝突することによって発生する圧力を、バネで測定するようにしたものであることが好ましい。
（５）上記（１）〜（４）のいずれかにおいて、前記稼働底板が、モーターによって駆動されるクランク機構を介して往復動されるようになっているものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
この発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載されるような効果を奏する。
【００１２】
すなわち、この発明の装置によれば、稼働底板より打ち出された気体分子モデルが容器内で熱運動に似たランダムな運動をすることが実演でき、これを透明カバー体を透してみることができるとともに、気体分子モデルが圧力測定側壁部材に衝突することによって生ずる圧力を測定することができる。そして、稼働底板の往復振動数を高くすることで、突起によって打ち出される気体分子モデルの運動速度が増加し、その結果、圧力が高まることが確認できる。また、圧力測定側壁部材の初期位置を種々変更することで容器の体積を変えたり、容器に収納する気体分子モデルの数を変えたり、そのサイズを変えたりすることができ、圧力測定側壁部材の受ける圧力、容器の体積、気体分子モデルの数、サイズ等との相互関係を知ることができる。
【００１３】
このような種々の条件の基での容器内でランダムな運動をする気体分子モデルを目で見ることができ、気体分子運動のイメージを容易に理解できることになる。そして、この発明の装置は、気体分子が容器壁に衝突することによって圧力を生ずること、その圧力は気体分子の運動速度が増すと圧力が高まること等の定性的挙動に留まらず、以下のように物理量を評価することで、定量的にも、気体の状態方程式と同様な関係が成立することを示すことができる。
【００１４】
ｎ：  気体分子モデルの数
Ｖ：  容器の体積
Ｐ：  圧力測定側壁部材にかかる圧力
Ｔ：  温度（気体分子モデルの速度の２乗平均に比例する。）なお、この関係は、気体分子の運動エネルギー（式の左辺）が以下の数式１で表されることによる。
【００１５】
【数１】
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（但し、ｍは質量、ｖは気体分子の平均運動速度、Ｔは絶対温度、ｋはボルツマン定数でｋ＝１．３８０７×１０−２３ジュール／°Ｋである。）
この式から、温度と気体分子の運動エネルギーとが一定の関係、すなわち平均運動速度が２倍になれば、温度が４倍になったことに相当する。
【００１６】
この発明にあっては、稼動底板の往復動速度を気体分子モデルの平均運動速度と同一（又は比例関係にある）と見なすものとする。
【００１７】
従って、この発明の装置によれば、気体の状態方程式から導かれる種々の関係と同様、以下に示すような定量的関係を検証することができることになる。
【００１８】
すなわち、（ａ）温度及び分子数が一定の条件下での、圧力と体積の逆比例関係（ボイルの法則）、（ｂ）圧力及び分子数が一定の条件下での、温度と体積の比例関係（シャルルの法則）、（ｃ）体積及び分子数が一定の条件下での、温度と圧力の比例関係、（ｄ）体積及び温度が一定の条件下での、分子数と圧力の比例関係等。
【００１９】
このように、発明の装置は、いわば、容器壁に囲まれた気体分子系の本質的要素を気体分子モデル系に抽出してその性質を示すものとなっており、気体分子モデルがあたかも熱攪乱によって動き始めると圧力測定側壁部材が動き、圧力が増す様子を直接目の当たりすることができることになり、印象的であり、圧力や温度のイメージを定性的にも定量的にも容易に理解することができることになる。
【００２０】
そして、この発明の装置は、構造が単純であり、また、透明カバー体を透して容器内の気体分子モデルの運動や稼働底板の動き等が見やすく、製造コストも低く経済的でもある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、発明を実施するための最良の形態を示し、さらに詳しくこの発明について説明する。もちろんこの発明は以下の実施の形態によって限定されるものではない。
【００２２】
図１は、この発明の気体の状態方程式の視覚化教材装置の一実施の形態を示す概略図である。図１に示される気体の状態方程式の視覚化教材装置１は、概略、底面と一側面が開放された透明カバー体２と、モーター３によって駆動されるクランク往復運動機構を介して側面と直交する方向（左右水平方向であって、図１の矢印Ａで示す。）に往復動可能な稼働底板５と、透明カバー体２内で稼働底板５と同方向（左右水平方向であって、図１の矢印Ｂで示す。）に移動可能な圧力測定側壁部材６で構成される容器７に、高反発弾性の球状気体分子モデル８が収納可能とされ、稼働底板５には、その往復動によって収納された気体分子モデル８を容器７内に打ち出すための三角突条１０が設けられており、稼働底板５より打ち出された気体分子モデル８が圧力測定側壁部材６に衝突することによって発生する圧力の測定手段を具備する構成のものである。
【００２３】
透明カバー体２は、透明で矩形板状の前面壁部材（図示せず）、上面壁部材２ａ、後面壁部材２ｂ、右側面壁部材２ｃが互いに直交するように組み合わされて一体化され、底面と左側面が開放されたもので、直方体状のものとなっている。右側面壁部材２ｃの下端縁は、前・後面壁部材の下端縁より短くなっており、稼働底板５の左右への往復動に支障がないスペースが確保されている。透明カバー体２は、フレーム（図示せず）にネジ等で固定されている。
【００２４】
透明カバー体２を構成する前面壁部材、上面壁部材２ａ、後面壁部材２ｂ、右側面壁部材２ｃとしては、アクリル板が、透明性が高く、気体分子モデル８が衝突しても割れたり破損したりせず、しかも、反発性が良好であることから好ましい。アクリル板を使用する場合は、前面壁部材、上面壁部材２ａ、後面壁部材２ｂ、右側面壁部材２ｃを接着して透明カバー体２が製造される。透明カバー体の素材としてガラス等が使用できないものではない。
【００２５】
稼働底板５の左右長さは、透明カバー体２の左右長さとほぼ同じとされている。稼働底板５の前後幅は、透明カバー体２の前面壁部材と後面壁部材の間隔とほぼ同じであって、透明カバー体２の前面壁部材と後面壁部材の間に挟まれて、前後方向にぶれることなく規制され、左右に安定して往復動できるようになっている。そして、稼働底板５は、図示していないフレームに取り付けられた案内ローラによって支持されているが、これに限られるものではない。
【００２６】
稼働底板に設けられた三角突条１０は、その長手方向が稼働底板５の往復動方向と直交する前後方向に所定間隔をもって設けられ、その長さは、稼働底板５の前後方向の幅とほぼ同じである。三角突条１０の左斜面は、稼働底板５が往動（左方に移動）する際に、気体分子モデル８を圧力測定側壁部材６に向けて打ち出す機能を果たし、右斜面は、稼働底板５が復動（右方に移動）する際に、気体分子モデル８を右側面壁部材２ｃに向けて打ち出す機能を果たすことになる。図２は、稼働底板５の三角突条１０と気体分子モデル８の関係を示す説明図である。突条の断面形状としては、２等辺三角形が好ましく、頂角としては、８０〜９０゜である。このうち、頂角９０゜の二等辺三角形がより好ましい。三角突条１０の間隔Ｗは（三角突条の右斜面の基端とその右側にある三角突条の左斜面の基端との距離を示す。）、使用する気体分子モデル８の反発性にもよるが、気体分子モデル８の直径Ｄと同等かやや広め、一般に０．８〜１．５倍程度とすることが好ましい。三角突条の底辺の長さＳは、気体分子モデル８の直径Ｄの０．８〜１．０倍程度、高さＨは０．４０〜０．５０倍程度が好ましい。分子モデルの直径に応じ、三角突条の大きさ及び稼働底板上での配置間隔は、透明枠体及び稼働底板をフレームから外して、調節可能である。三角突条の大きさ及び配置間隔の異なる稼働底板を複数備え、交換できるようにしておくのも好ましい。
【００２７】
稼働底板５、三角突条１０の材質は、アクリル樹脂、木材等が採用できる。
【００２８】
クランク往復運動機構は、クランク板１１と従動リンク１２からなり、従動リンク１２の一端は枢軸１３で稼働底板５に連結され、他端はクランク板１１の回転中心から偏心した位置に植設されたピン１４で連結されている。モーター３の回転は、ベルト１５によってモータープーリー１６からクランク軸１７に固定されたプーリー１８に伝達され、クランク板１１が回転することで、稼働底板５が往復動することになる。図示していないが、モーター３はフレームに取り付けられており、クランク軸１７は、フレームに回転可能に軸支されている。
【００２９】
クランク往復運動機構の振幅は、気体分子モデルの直径の１．５〜２．５倍程度が好ましい。クランク往復運動機構の振動数は、モーターの電圧を制御することで適宜決定される。
【００３０】
なお、スライダーに植設したピンを、ネジでクランク板の半径方向に摺動するようにして、稼働底板の振幅を自由に変更することができるようにしてもよい。
【００３１】
圧力測定側壁部材６は、板状であって、その下端縁で移動台２０の右端縁に固定されており、該移動台２０の左端は起立板２３の下端と接合されており、圧力測定側壁６、移動台２０及び起立板２３は一体化されている（これを受圧部ともいう）。
【００３２】
かかる構造において、圧力測定側壁材６は、透明カバー２内で運動する分子モデル（スーパーボール）が圧力測定壁に衝突したとき、可及的にその荷重を正しく測定機構に伝達するため、受圧部は分子モデル衝突による移動時の摩擦抵抗を可及的に減ずるために低摩擦機構によって支持される必要がある。低摩擦機構としては、例えば十分に磨き上げられた大理石板やエアレーションによって浮遊させた状態とするとか、極めて回転しやすいベアリング付車等によって支える必要がある。中でも最も簡単な手段は円筒、所謂コロなどによって支えるのが好ましい。そこで図１にあっては、移動台２０とともに支持板２１に設置された筒状のコロ２２、２２、２２、２２に支持され、左右に移動可能となっている。移動台２０の左端縁には起立板２３が固定されている。支持板２１は、フレームに固定されている。
【００３３】
圧力測定側壁部材６の前後幅は、透明カバー体２の前面壁部材と後面壁部材の間隔とほぼ同じで、縦幅は、稼働底板５の左右の往復動に支障がない幅とされている。
【００３４】
圧力測定側壁部材６、移動台２０、起立板２３によって圧力測定用枠２４が形成される。
【００３５】
圧力測定側壁部材６を、透明なアクリル板とすると、容器７内で運動する気体分子モデル８の動きを圧力測定側壁部材６側からも観察することができる。
【００３６】
起立板２３にはコイルバネ２５の一端が係止されており、コイルバネ２５の他端は、外部固定板２６に係止されている。外部固定板２６は、透明カバー体２に取着したガイドバー（図示せず）に沿って左右方向に移動可能とされるとともに、ネジでガイドバーの任意の位置に固定できるようになっている。フレームにガイドバーを設け、外部固定板を左右方向に移動可能としても良い。
【００３７】
稼働底板５によって打ち出された気体分子モデル８が圧力測定側壁部材６に衝突することによって発生する圧力は、コイルバネのバネ定数、伸び、圧力測定側壁部材の面積に基づき算出すればよい。
【００３８】
外部固定板２６の位置を左右に変更することで、透明カバー体２、稼働底板５、圧力測定側壁部材６によって構成される容器７の体積を変更することができる。
【００３９】
また、起立板２３とコイルバネ２５との係止を解除し、圧力測定用枠２４を左方に移動させて、圧力測定側壁部材６を透明カバー体２から抜き出し、気体分子モデル８の数を変更したり、直径の異なる気体分子モデル８と交換することができる。気体分子モデル８の交換等が終了したら、圧力測定用枠２４を右方に移動させて、圧力測定側壁部材６を透明カバー体２内に挿入して元の位置に戻し、コイルバネ２５を起立板２３に係止すればよい。
【００４０】
気体分子モデルは、高反発弾性の球状のボールが使用される。ボールの反発性は、１ｍの高さから自由落下させた時、コンクリートで反発し６５ｃｍ以上の高さにまで上昇するものであればよく、スーパーボールの商品名で市販されているものが使用できる。
【００４１】
図３は、モーター３を起動していない初期状態であって、圧力測定用のコイルバネ２５は未伸長状態にある。気体分子モデルであるスーパーボール８が容器７内に収納されている。
【００４２】
図３の状態で、モーター３を起動させ、クランク運動機構を介して稼働底板５を往復動させると、容器７内に収納されたスーパーボール８が稼働底板５とともに動き始める。分子モデルのスーパーボールの動きが定常になったとき、その運動速度は稼動底板の往復動速度と等しいか又は少なくとも比較関係にあると見なし得る。往復動する稼働底板５の三角突条１０によって左右斜め方向に打ち出される。スーパーボール８は高反発弾性であることから、容器２の透明カバー体２、圧力測定側壁部材６との衝突と稼働底板５の三角突条１０による打ち出しが繰り返えされることで、あたかも、スーパーボール８が容器内で熱運動に似たランダムな運動をすることが実演でき、これを透明カバー体２を透してみることができる。スーパーボール８が圧力測定側壁部材６に衝突することによって、圧力測定側壁部材６がコイルバネ２５に抗して左方に移動することになる。コイルバネ２５の伸びを測定して、圧力測定側壁部材６に作用する力Ｆを求め、力Ｆを圧力測定側壁部材６の面積で割ることにより圧力が算出できる。
【００４３】
モーター３の電圧を制御することで、稼働底板５の往復振動数を高くすることができ、突起によって打ち出されるスーパーボール８の運動速度が増加し、その結果、圧力が高まることが確認できる。
【００４４】
図４は、圧力測定側壁部材６の初期位置を図３におけるよりもやや左に移動させたものである。圧力測定側壁部材６の初期位置の変更は、外部固定板２６を左にずらして、コイルバネに張力がかからない状態にセットすることで行えばよい。圧力測定側壁部材６の位置は、透明カバー体２の右側面壁部材２ｃからの距離を測定すれば良い。これに基づき容器の体積を算出できる。このように圧力測定側壁部材の初期位置を種々変更することで容器の体積を変えたり、稼働底板の振動数を変えたり、容器に収納するスーパーボールの数を変えたり、そのサイズを変えたりすることで、圧力測定側壁部材の受ける圧力、容器の体積、スーパーボールの数、サイズ等との相互関係が確認でき、また、以下のように物理量を評価することで、定量的にも、気体の状態方程式と同様な関係が成立することが分かる。
【００４５】
ｎ：  スーパーボールの数
Ｖ：  容器の体積
Ｐ：  圧力測定側壁部材にかかる圧力
Ｔ：  温度（スーパーボールの速度の２乗平均に比例する。）
従って、この発明の装置によれば、気体の状態方程式から導かれる種々の関係と同様、以下に示すような定量的関係を検証することができることになる。
【００４６】
すなわち、（ａ）温度及び分子数が一定の条件下での、圧力と体積の逆比例関係（ボイルの法則）、（ｂ）圧力及び分子数が一定の条件下での、温度と体積の比例関係（シャルルの法則）、（ｃ）体積及び分子数が一定の条件下での、温度と圧力の比例関係、（ｄ）体積及び温度が一定の条件下での、分子数と圧力の比例関係等。
【００４７】
なお、コイルバネの選定は、スーパーボールの質量ｍ、左右方向の速度ｖ、数ｎ、容器内の左右方向の長さＬ（圧力測定側壁部材の内面から右側面壁部材の内側面の距離）とすると、圧力測定側壁部材に作用する力Ｆが、下記の数式２で表されることをベースに行えばよい。
【００４８】
【数２】
2006301174.tif 000004
図５は、この発明の気体の状態方程式の視覚化教材装置の他の実施の形態を示す概念図である。
【００４９】
この気体の状態方程式の視覚化教材装置３１は、稼働底板５の往復動を偏心輪３２によって行うようにしたものである。偏心輪３２は、稼働底板５の下面に設けた突出部材３３、３３の間に挟まれており、偏心輪３２の回転により、稼働底板５が往復動することになる。
【００５０】
その他は、図１に示す気体の状態方程式の視覚化教材装置１と同様なことから同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
【００５１】
図６は、この発明の気体の状態方程式の視覚化教材装置のさらに他の実施の形態を示す概念図である。
【００５２】
この気体の状態方程式の視覚化教材装置４１は、圧力測定手段としてロードセル４２を使用したもので、ロードセル４２は外部固定板４３に設けられているものである。
【００５３】
その他は、図１に示す気体の状態方程式の視覚化教材装置１と同様なことから同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
【実施例】
【００５４】
図１に示す気体の状態方程式の視覚化教材装置を用いて、圧力測定側壁部材にかかる圧力Ｐ、容器の体積Ｖ、温度（スーパーボールの速度の２乗平均に比例する。）Ｔ、スーパーボールの数ｎの関係を算出した。結果は、図７〜図１２に示すとおりであり、気体の状態方程式と同様な関係を示すことが確認された。
【００５５】
気体の状態方程式の視覚化教材装置の透明カバー体、圧力測定側壁部材には厚さ１ｃｍのアクリル板を使用した。透明カバー体の前・後面壁部材のサイズは、左右長さ３８ｃｍ、縦幅１５ｃｍであり、上面壁部材のサイズは、左右長さ３８ｃｍ、前後幅２６ｃｍである。圧力測定側壁部材の面積は、３２０ｃｍ２である。
【００５６】
稼働底板と三角突条は、木製とし、稼働底板の厚さは１ｃｍ、三角突条の底辺は２ｃｍ、高さ１ｃｍ、三角突条の間隔は２．７ｃｍとした。
【００５７】
稼働底板の振幅は、３ｃｍ、振動数は８〜１５回／秒とした。
【００５８】
コイルバネのバネ定数は、０．０４９Ｎ／ｃｍである。
【００５９】
スーパーボールは、１ｍの高さから自由落下させた時、コンクリートで反発し約７０ｃｍの高さにまで上昇する反発弾性のものであって、小径（直径２．１ｃｍ、４．６ｇ）、大径（２．６ｃｍ、８．０ｇ）の２種類を使用した。
【００６０】
図７は、圧力Ｐと体積Ｖとが逆比例関係、すなわち、下記の数式３のボイルの法則が成立することを示す。小径のスーパーボールを使用して測定した（ｎ＝１９個）。温度Ｔは、稼働底板の最大速度とスーパーボールの質量を用いてスーパーボールの運動エネルギーとして算出した（以下、同様）。図７には３つの温度についての結果を示している。●はスーパーボールの運動エネルギーが２．０５×１０−３J、■はスーパーボールの運動エネルギーが３．０５×１０−３J、▲はスーパーボールの運動エネルギーが３．８６×１０−３Jの場合である。体積Ｖは、圧力測定側壁部材の位置を変更することで調節した。
【００６１】
【数３】
2006301174.tif 000005
図８は、図７に示された３つの温度におけるデータについて、数式３を変形した下記の数式４が成立すること、すなわち、圧力が変化しても粒子数及び温度が一定であればＰＶの値は一定に保たれることを示す。
【００６２】
【数４】
2006301174.tif 000006
図９は、数式４をさらに変形した下記の数式５が成立すること、すなわち、上記の３つの温度のデータに関して、粒子数が一定であれば、ＰＶ／Ｔは、圧力、温度、体積によらず一定に保たれることを示す。
【００６３】
【数５】
2006301174.tif 000007
図１０は、体積Ｖと温度Ｔが比例関係、すなわち、下記の数式６のシャルルの法則が成立することを示す。○は、大径のスーパーボール（ｎ＝１０個）、▲は大径のスーパーボール（ｎ＝８個）、■は大径のスーパーボール（ｎ＝６個）、●大径のスーパーボール（ｎ＝５個）の場合である。圧力Ｐは、バネの伸びが一定になるように外部固定板２６の左右方向の位置を調節することによって、一定に保った。
【００６４】
【数６】
2006301174.tif 000008
図１１は、圧力Ｐとスーパーボールの数ｎが比例関係、すなわち、下記の数式７が成立することを示す。スーパーボールには小径のものを使用した。温度Ｔは，稼働底板５の往復運動の振動数を一定に保つことによって、スーパーボールの運動エネルギーとして３．４５×１０−３Jの条件下に保った。体積Ｖは、ｎが変化しても変わらないように、外部固定版５の左右方向の位置を調節することによって、一定値（８．０×１０−３ｍ３）に保った。
【００６５】
【数７】
2006301174.tif 000009
図１２は、圧力Ｐと温度Ｔが比例関係、すなわち、下記の数式８が成立することを示す。スーパーボールには小径のものを、ｎ＝１９個使用した。体積Ｖは、Ｔが変化しても変わらないように、外部固定版５の左右方向の位置を調節することによって、一定値（６．５２×１０−３ｍ３）に保った。
【００６６】
【数８】
2006301174.tif 000010
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】この発明の気体の状態方程式の視覚化教材装置の一実施の形態を示す概念図である。
【図２】図１の装置における稼働底板の三角突条と気体分子モデルの関係を示す説明図である。
【図３】図１に示す気体の状態方程式の視覚化教材装置の未稼働状態を示す概念図である。
【図４】図１に示す気体の状態方程式の視覚化教材装置において、圧力測定側壁部材の位置を変更した場合の未稼働状態を示す概念図である。
【図５】この発明の気体の状態方程式の視覚化教材装置の他の実施の形態を示す概念図である。
【図６】この発明の気体の状態方程式の視覚化教材装置のさらに他の実施の形態を示す概念図である。
【図７】図１に示す気体の状態方程式の視覚化教材装置を用いて気体の状態方程式と同様な関係が成立することを示す図である。
【図８】図１に示す気体の状態方程式の視覚化教材装置を用いて気体の状態方程式と同様な関係が成立することを示す他図である。
【図９】図１に示す気体の状態方程式の視覚化教材装置を用いて気体の状態方程式と同様な関係が成立することを示すさらに他の図である。
【図１０】図１に示す気体の状態方程式の視覚化教材装置を用いて気体の状態方程式と同様な関係が成立することを示すさらに他の図である。
【図１１】図１に示す気体の状態方程式の視覚化教材装置を用いて気体の状態方程式と同様な関係が成立することを示すさらに他の図である。
【図１２】図１に示す気体の状態方程式の視覚化教材装置を用いて気体の状態方程式と同様な関係が成立することを示すさらに他の図である。
【図１３】従来の気体分子運動モデル実験器の一例を示す説明図である。
【図１４】従来の気体分子運動モデル実験器の他例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  視覚化教材装置
２  透明カバー体
３  モーター
５  稼働底板
６  圧力測定側壁部材
７  容器
８  気体分子モデル
１０  三角突条
１１  クランク板
１２  従動リンク
２２  コロ
２５  コイルバネ
２６  外部固定板
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2006301174.tif 000018
【図９】
2006301174.tif 000019
【図１０】
2006301174.tif 000020
【図１１】
2006301174.tif 000021
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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