大阪市立科学館研究報告 17, 121-124(2008)

サイエンスショー「水，空気，いろいろ大変身」の実施について
吉 彦 ＊斎 藤

概 要
相転移を紹介するサイエンスショーを企画し，2007 年６月から８月まで実施した。水と空気の三態変化，強磁性体のキュリー温度における転移，超伝導体と磁石の相互作用，を観察するものである。

１．はじめに超伝導体と磁石との反応を観察する。

大 阪 市 立 科 学 館では，「低 温」というテーマで 液体主な演示 実 験を表１に与えた。各演示 実 験の詳細

1,2窒素を用いたサイエンスショーを数多く実施してきた 。

は次に与える。

液体 窒素による低 温の現 象は迫力があり常に好 評であるが， 液 体 窒 素の 本 質 を理 解する 見 学 者 はま れで

表１．主な演示実験

ある。つまり，液体 窒素の派 手な現象に興 味を示すも(1)水の三態変化のの，三 態 変 化の 一 状 態として理 解することはほとん

凝固

過冷却水が凍る。

どない。液体窒素は極めて低温の特殊な物体であると液化と風船で閉じたフラスコで，水蒸気⇔水のいう印象を与えてしまうのである。そこで，今回のサイエ蒸発転移を観察する。

ンスショーは，相転移を紹介することを目的とし，これま湯気湯気と水蒸気の違いを観察する。

で実施してきたサイエンスショーから抽出した演示と新雲ペットボトル内に雲を生成する。

たに考案したものとを組み合わせ，液体窒素は三態変(2)空気の三態変化化の例示として使用する新しい流れで展開した。主な

気化

液体窒素の蒸発。

構成は次のとおりである。

液化

液体窒素で空気を冷却し液化する。

① 水と空気の三 態変 化を見せ，三態変 化を一般 的凝固

液体窒素を蒸発させ，その気化熱で液体な現象として納得させる。

窒素を冷却し固化する。

② 強磁性体のキュリー温度と超伝導状態を例にして，三態変化より広い概念として相転移を紹介する。

(3)相転移キュリ

本稿では，２章で演示内容を，３章でまとめを与える。

熱した鉄は磁石に着かないー温度
超伝導

２．演示

超伝導体が磁石を反発したり，両者の相対位置が固定されたりする。

次のような流れで演示を組み立てた。
（１） 水の三態変化を確認し，既知の事実を定着させ２-１．水の三態変化る。

① 凝固（２） 空 気 も 水 と 同 様 に 三 態 変 化 する ことを観 察 し，過冷却水に衝撃を与えると一気に凍る様子を観三態変化を一般的な現象として理解させる。

察する。意外性のある現象を導入とする 3 。

（３） 三態変化を拡張した概念として相転移を導入し，② 蒸発

その 例 として強 磁 性 体 か ら 常 磁 性 体 への 転 移 と笛吹きヤカンの笛の音で水蒸気を導入。蒸気機
関車や火力発電に言及する。

*③ 液化と蒸発大阪市立科学館 学芸課
E-mail:saito at sci-museum.jpフラスコで水を沸騰させ，風船で蓋をする。膨121斎藤 吉彦

らむ風船から気化すると体積が劇的に増加するこ

空気の液化したものであることを紹介する。とを知る(図 1 左)。次にフラスコ内の湯を捨て風② 気化船で蓋をする。風船がフラスコ内に膨らみ，底に液体窒素を笛吹きヤカンに入れ，笛を鳴らす。

水が生成する(図 2 右)。この水を蒸発させると風次にペットボトルに液体窒素を入れ，風船で蓋を船が外に出る。また冷やすと風船がフラスコ内にし，風船を膨らませる(図３)。2‑1②③と比較する。

膨らみ，底に水が生成する。

図３．液体窒素の蒸発で膨らむ風船
図 1．水蒸気で膨らむ風船（左）と水蒸気の液化③ 液化により中に膨らんだ風船(右)。底に少量の水が溜透明のビニール袋に空気を入れ，液体窒素で冷まる。

却すると，ビニール袋が収縮し液化した空気が観④ 湯気察できる(図４)。その後，液化した空気が蒸発し，コイルを熱して湯気が消えることで(図 2)，湯ビニール袋が膨らむ。2‑1③と比較する。

気と水蒸気の違いを確認し，湯気と雲が同質のものであること理解させる。

図４．かさ袋の底に出来た液体空気。
④ 凝固
真空鐘内に液体窒素を入れ，減圧する。気化熱
で液体窒素が冷え固化する(図５)。
⑤ 一般化
三態変化はほとんどの物質で起こることを説明する。
２−３．相転移

図２．コイルから噴出する湯気(上)。コイルを熱すると湯気が消えて高温の水蒸気が噴出する(下)。
⑤ 雲の生成ペットボトル内で，加圧した湿度の高い空気を断熱膨張させて雲を生じさせる。③と関連させ，見学者が日常見る雲と同質であることを納得させる。
２-２．空気の三態変化① 液体窒素の導入

図５．液体窒素の固化。表面で凍った固体窒素

液体窒素を床にまくなどしながら，液体窒素ががときどき飛び上がる。
122サイエンスショー「だれも知らない磁石のひみつ」の実施について① キュリー温度
磁石に着いたクリップをガスバーナーで熱すると，磁石に着かなくなることを観察する(図６)。
ここで，鉄も三態変化することを説明し，液化する前に常磁性に転移することを説明する。

図６．着いたクリップを熱すると，磁石に着かなくなる。
② 超伝導
常 温 で は 磁 石 に 反 応 し な い 高 温 超 伝 導 材 料 4が液体窒素温度で磁石を反発する(図７)。また，図8 のように磁石の近傍でこの高温超伝導材料を液体窒素で冷却すると，超伝導体内に磁力線がピン止めされ磁石と高温超伝導材との相対的位置が固定される(図９)。

図７．超伝導現象。磁石を反発する超伝導体。
図９．超伝導現象。磁力線のピン止め効果により磁石との相対距離を保つ超伝導体。
３．まとめ
今回のサイエンスショーは相転移を紹介することが目標であった。見学者にとって身近な概念である水の三態変化を導入とし，空気の三態変化から相転移へと展開した。導入から見学者にとって初めての現象が続き，多くは派手なもので感嘆の声があがった。水の三態変化，空気の三態変化，相転移，と 3 部構成となっていて，それぞれが一図８．磁力線のピン止め効果を与える冷却方法

つのサイエンスショーのテーマとしてもよいものである。演示実験は 2 章に示したように全てが相123

斎藤 吉彦転移による現象である。数多くの相転移現象を見せることで，相転移の帰納的理解を促すことを期
1

斎藤吉彦：大阪市立科学館研究報告 10,107(2000)
大倉宏：大阪市立科学館研究報告 16, 117(2006)
3
大倉宏：大阪市立科学館研究報告 14, 163(2004)4
新日本製鐵(株)の CuBaDyO 高温超伝導材
5
斎藤吉彦：「超伝導現象における磁力線観察」本誌,「マイスナー効果が見える磁力線観察」近畿の物理教育第 14 号,「超伝導現象を含む磁力線ダイナミク
スの大型演示」物理教育 56-2(2008)

待した。ただし，原子分子の概念のない小学生に2は，相転移と化学的変化との違いを理解させるのは不可能で，「大変身」という概念を代用することにした。演示者が相転移を常に意識して展開した
場合，目標は達成されたと思われる。
ただし，雲の生成の解説やキュリー温度では見学者に退屈な様子が見受けられた。一方で，超伝導現象はあまりにも強烈な印象を与えるものであった。やだし，相転移という概念で超伝導現象を観察する余裕のない見学者も多くいたようである。
そして，超伝導現象を観察を続けたいがために，起承転結の結の言葉が耳に入らない様子が見受けられた。
今回の演示で，湯気と水蒸気との違いに初めて気づいた見学者は多く，またその時の驚きや喜びも大きかったようである。今後，このような誤解を正す演示をサイエンスショーに取り入れることを検討したい。
超伝導に関しては，磁力線の観察を準備していたが 5 ，磁力線の概念を説明するのがサイエンスシ
ョーの構成上困難なため，今回は割愛した。機会を改めて超伝導現象における磁力線をテーマとしたサイエンスショーを企画する予定である。
今回のサイエンスショーは実験数が多すぎたよ
うで，一回のサイエンスショーで全ての演示について十分に観察や考察を行うことは，時間的にも見学者の体力からも無理があった。そのため，雲の生成実験は省くこともあった。また，液体酸素の生成も準備していたが，割愛した。ただし，複数回連続のサイエンスショーや学校授業には適していると思われる。
謝辞
本サイエンスショー企 画のきっかけは，板橋 隆 久先生の意見です。以前実施していたサイエンスショー「マイナス 200℃の世界Ⅱ」2 について「液体窒素は特別な物 体ではなく， 三 態 変 化の 一 形 態である ことを言う べき。」との意見をいただいたのです。この意見を検討するうちに，相転移をテーマとするサイエンスショーで，これまでにない新しいものが完成しました。板橋先生にこの場を借りて感謝します。
新日本製鐵（株）先端技術研究所新材料研究部には，著者の演示構想に理解いただき高温超伝導バルクを提供いただきました。特に同社の手嶋英一氏には様々な相談に快く応じていただきました。
厚く御礼申し上げます。
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