ガスのモデル

ガスのモデル

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|title=Gas
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|title=ガスのモデル
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|description=This lesson allows the student to model a gas as a system of light circular solid objects kept in a container. This simple system can be used to gain understanding of abstract yet common concepts like pressure, temperature, heat conduction and insulation.
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|description=円形の、軽い物体をコンテナの中に閉じ込めたシステム(系)でガスのモデルを作ります。
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この単純なシステムは、温度、熱伝導、断熱材の圧力のような抽象的にも関わらず一般的な概念を理解するために使用することができます。
|target=lesson-keystage3
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|keywords=lesson-fluids-gases, lesson-thermodynamics
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|objectives=*Build a mental picture for temperature, heat and pressure based on particle system
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|objectives=*粒子系に基づいた温度と熱、圧力のイメージを作る。
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*Understand isolation and heat conduction through the particle model
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*粒子モデルを使って、断熱や熱伝導について理解する。
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*Make prediction, setup a simple test and evaluate the results
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*予想をして、簡単な実験を行い、その結果を解析する。
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|inclass=Discuss what makes a balloon expand when you blow it up. Why is it difficult to compress the balloon. Ask if anyone has experience of what happens if you bring the balloon into a cold environment? What happens when it is brought back to a warm environment? This applies also to solids, although the particles are more tightly coupled. Discuss also the phenomena of heat conduction, e.g., how heating one end of a metal spoon eventually results in a raised temperature at the other end. Discuss strategies for isolat- ing the handle of the spoon from its head.
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|inclass=次のことについて議論します。
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*風船をふくらませるときに、何がバルーンを大きくしているのか。
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Discuss how this can be visualized and explored in Algodoo. Let the students create scenes in Algodoo using the suggestions you came up with together or let them use their own ideas. Help the students make decisions and ask guiding questions.
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*なぜ風船を圧縮するのは難しいのか。
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*風船を冷たい環境に持っていくとどうなるか。 (経験したことの人がいるかどうか尋ねます。)
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Encourage the students to follow the procedure '''Create – Predict – Interact - evaluate'''.
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*再び暖かい環境に戻すとどうなるでしょう。
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このことは固体についても適用されます(ただし、固体では、粒子がより強く結びついています)。
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Allow the students to follow-up and share their experiences in class after the simulation.
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熱伝導についても議論します。例えば、
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*金属のスプーンの片側を熱するとどのようにもう片側が熱せられるか。
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*スプーンの取っ手を、そのスプーンの頭に対して断熱するにはどうしたら良いか。
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*議論した内容をアルゴドゥで再現して調べるにはどうしたら良いか。
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児童にシーンを作成させます。このとき、みんなで出したアイデアや独自のアイデアを試させるようにします。
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児童に方針を立てるのを助け、ガイドとなる問いかけをしてください。
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次の順序で学習を進めさせます。<br />
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'''シーンの作成 - 予測 - シミュレーションの実行 - 検証'''<br />
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|headline=Create a scene
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|headline=シーンの作成
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|text=Create a container made of four fixed walls and a movable inner wall. Create a circular particle and give it a light mass. Set the restitution (bounciness) of the walls and particle to 1. Make copies of the particle to fill the container.
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|text=このシーンを作成するには、シンプルモードでは不都合があります。シーンの作成に取り掛かる前に、オプションメニューからノーマルモードあるいはアドバンストモードに変更しておきます。
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これにより、質量や反発の度合いを変更することができるようになります。
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さらに、このレッスンでは重力が働かないようにしておきます。オプションメニューのシミュレーションの項目から変更できます。<br />
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* <nowiki>*</nowiki> It is practical to turn gravity off in this lesson.
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四方の壁を固定し、中央にある壁を左右に動かせるようにしたコンテナを作ります。
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円形の粒子を作成し、その質量を軽く設定します。また、壁と粒子の反発の度合(アルゴドゥの世界における反発係数は衝突する2つの図形の反発の度合の相乗平均です)を1に設定します。
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この円形粒子をコピーして、コンテナの中にたくさん配置します。この粒子がガスのモデルです。
|image=Gas container.png
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|headline=Make a prediction
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|headline=予測
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|text=What happens to the gas as you move the wall towards one of the side-walls? One of the gases is now heated to a higher temperature. What effect does the gas have on the movable wall if you let it go? What will happen if the inner wall is deleted?
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|text=次のことを予想します。
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*中央の壁を一方の壁に向けて動かすと、ガスはどうなるか。
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片方のガスは温められた状態です。
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*中央の壁を削除するとどうなるか。
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{{Section
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|headline=Run/interact
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|headline=シミュレーションの実行
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|text=Run the simulation and interact with it.
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|text=シミュレーションをスタートさせて調査します。
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温められたガスが、中央の壁を押す様子を観察します。これはちょうど風船の中の粒子が風船の膜を押す様子と同じです。
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中壁を取り除いた後に、コンテナの片側に分布していた速いスピードが均等に再分配されるまでの様子を観察します。これが熱伝導です。最終的には等温になります。
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|headline=Evaluate
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|headline=検証
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|text=Observe that the heated gas pushes the movable wall - as do particles in a balloon. After the inner wall is removed, observe how the high velocities are being redistributed from being focused to one part of the container to become evenly distributed. This is heat conduction. The result is an even temperature. Based on these observations, how can an insulating wall be realized in reality? Try to replicate this in the simulation.
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|text=次のことを検証します。
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*この観察に基づくと、実世界での断熱壁はどのように実現できるか。
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*断熱壁をシミュレーションで再現するにはどうしたらよいか。
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A solid can be modeled as system of particles connected by springs in a regular pattern. If you have time - model this as well and study its behaviour. You may observe both thermal vibrations and collective waves (sound waves).
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固体をモデル化するには、周期的なパターンでバネを粒子に結びつけた系を作ります。
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時間があれば、このモデルを上手く作って、その振る舞いを調べてください。
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熱振動や集団波(音波)を観察することができる可能性があります。
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{{EndInAlgodoo}}
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Latest revision as of 03:48, 20 October 2011


ガスのモデル

Language: 日本語
Description: 円形の、軽い物体をコンテナの中に閉じ込めたシステム(系)でガスのモデルを作ります。

この単純なシステムは、温度、熱伝導、断熱材の圧力のような抽象的にも関わらず一般的な概念を理解するために使用することができます。

Target: Key Stage 3
Category: Exercise, Laboratory
Discipline: Fluids and gases, Thermodynamics
Learning objectives:
  • 粒子系に基づいた温度と熱、圧力のイメージを作る。
  • 粒子モデルを使って、断熱や熱伝導について理解する。
  • 予想をして、簡単な実験を行い、その結果を解析する。
In class: 次のことについて議論します。
  • 風船をふくらませるときに、何がバルーンを大きくしているのか。
  • なぜ風船を圧縮するのは難しいのか。
  • 風船を冷たい環境に持っていくとどうなるか。 (経験したことの人がいるかどうか尋ねます。)
  • 再び暖かい環境に戻すとどうなるでしょう。

このことは固体についても適用されます(ただし、固体では、粒子がより強く結びついています)。 熱伝導についても議論します。例えば、

  • 金属のスプーンの片側を熱するとどのようにもう片側が熱せられるか。
  • スプーンの取っ手を、そのスプーンの頭に対して断熱するにはどうしたら良いか。
  • 議論した内容をアルゴドゥで再現して調べるにはどうしたら良いか。

児童にシーンを作成させます。このとき、みんなで出したアイデアや独自のアイデアを試させるようにします。 児童に方針を立てるのを助け、ガイドとなる問いかけをしてください。

次の順序で学習を進めさせます。
シーンの作成 - 予測 - シミュレーションの実行 - 検証

シミュレーション後に実験結果を共有させます。

Steps in Algodoo


シーンの作成

このシーンを作成するには、シンプルモードでは不都合があります。シーンの作成に取り掛かる前に、オプションメニューからノーマルモードあるいはアドバンストモードに変更しておきます。

これにより、質量や反発の度合いを変更することができるようになります。 さらに、このレッスンでは重力が働かないようにしておきます。オプションメニューのシミュレーションの項目から変更できます。

四方の壁を固定し、中央にある壁を左右に動かせるようにしたコンテナを作ります。 円形の粒子を作成し、その質量を軽く設定します。また、壁と粒子の反発の度合(アルゴドゥの世界における反発係数は衝突する2つの図形の反発の度合の相乗平均です)を1に設定します。

この円形粒子をコピーして、コンテナの中にたくさん配置します。この粒子がガスのモデルです。
Gas container.png


予測

次のことを予想します。
  • 中央の壁を一方の壁に向けて動かすと、ガスはどうなるか。

片方のガスは温められた状態です。

  • 中央の壁を削除するとどうなるか。


シミュレーションの実行

シミュレーションをスタートさせて調査します。

温められたガスが、中央の壁を押す様子を観察します。これはちょうど風船の中の粒子が風船の膜を押す様子と同じです。

中壁を取り除いた後に、コンテナの片側に分布していた速いスピードが均等に再分配されるまでの様子を観察します。これが熱伝導です。最終的には等温になります。


検証

次のことを検証します。
  • この観察に基づくと、実世界での断熱壁はどのように実現できるか。
  • 断熱壁をシミュレーションで再現するにはどうしたらよいか。

固体をモデル化するには、周期的なパターンでバネを粒子に結びつけた系を作ります。 時間があれば、このモデルを上手く作って、その振る舞いを調べてください。

熱振動や集団波(音波)を観察することができる可能性があります。
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