ペットボトルで温度計作り！場所、時間帯ごとに気温はどう変わる？

季節や天気によって、暑かったり寒かったりすることがあります。温度を測る道具として温度計がありますが、今回はペットボトルを使った温度計を手作りしてみましょう。温度の変化を目で確認できるだけでなく、気圧や天気についても考えるきっかけになります。今回は、ペットボトルで作った温度計の仕組みや、自由研究をする場合の実験方法についてご紹介します。

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ペットボトル温度計の仕組み

空気はふくらんだりしぼんだりする

空気には「温まるとふくらみ、冷えるとしぼむ」という性質があります。ペットボトル温度計は、この性質を利用した仕組みです。ペットボトル温度計の中には空気と色を付けた水が入っていて、温度の変化によってストローの中の色水の高さが上がったり下がったりします。ペットボトルの中の空気が温まるとふくらみ、色水が追い出されてストローの中の高さが上昇しますが、ペットボトルの中の空気が冷えるとしぼみ、体積が小さくなるため、色水の高さが低くなるのです。

温められた空気がふくらむのはなぜ？

夏の暑い日に、ふたが閉まっているペットボトルを放置しておくと、膨張することや破裂することがあります。これは、ペットボトルの中の空気が温められてふくらんだためです。

空気がふくらむのはなぜでしょうか？空気に熱を加えると、空気の分子が活発に運動をするようになり、運動量が大きくなって分子同士のすき間が広くなり、体積が膨張するのです。
イメージしやすいように人に言い換えて考えてみましょう。何人かの人が集まった時に、一人ひとりが大きな動作で体操を始めたとします。すると、お互いにぶつかってしまいました。そのため、ぶつかり合わないように距離をとって離れていきますね。それと同じように、空気の分子はぶつかり合いながらすき間を広くしていくのです。

では、温められた空気はどれくらいふくらむのかというと、同じ気圧であった場合に、温度が１℃高くなると空気の体積は273分の1だけ増えます。

温度と気圧の関係

天気予報では、高気圧だと天気が良いとか、低気圧だと雨が降ると言っていますね。「気圧」というとピンとこない人も多いでしょうけれど、どうやらお天気と関係がある、ということはわかるでしょう。

気圧とは、空気の重さによってかかる圧力のことです。普段は感じることはありませんが、実際には私たちは常に大気の圧力によって押されています。高層ビルや山にのぼった時、飛行機に乗って上空に飛び立つ時に耳が痛くなることがありますね。それは、高さが変わることによって気圧が低くなるためです。空気は大気圏という場所までしかないので、高い場所に行くと、その場所から大気圏までの距離が短くなる=上空の空気量が減るということになり、圧力が下がるのです。

また、気圧は温度によっても変わります。温度が高くなると空気は温まってふくらむことは説明しましたが、ふくらんで体積が大きくなった空気は、分子の密度が低くなります。すると、分子と分子の間のすき間が広くなるため、分子が運動していても分子同士がぶつかり合うことがなくなり、温度が下がっていきます。私たちも、激しい運動をしていると暑くなってきますが、じっとしていると暑くなくなってきますね。それと似ていますが、気圧の高い空気は温かく、気圧の低い空気は冷たくなるのです。

自然界でもこのような現象が常に起こっています。気圧の低い状態で空気の温度が下がり続けると、やがて空気中に含まれる水分を空気が抱えきれなくなり、水滴となります。空の上でこれと同じことが起こると、水滴は雲となり、大きくなると雨となって地上に降るのです。反対に、気圧の高い状態では空気の温度は温かいままですので、水滴ができず、雲もできないため雨も降りません。だから、「低気圧なら雨」「高気圧なら晴れ」、ということになるのですね。

ペットボトル温度計作りに必要な材料、道具

・ペットボトル（500ml）
・水
・ストロー
・食紅
・キリ
・ビニールテープ
・プラスチック用ボンド

ペットボトル温度計の作り方

1．ペットボトルの3/4くらいまで水を入れる
2．水に食紅をいれて色を付け、ペットボトルを軽く振って混ぜる（あとでストローを使って水を吸い上げるため、絵具などは使わないよう注意しましょう）
3．ペットボトルのふたの真ん中に、ストローを通すための穴をあける
4．（3）であけた穴にストローを通す
5．ペットボトルのふたをした時に、ストローが水に3cmくらいつかるように調節する
6．ボンドを塗って、ストローとふたのすき間が無くなるようにうめる
7．ストローで色水を吸い上げ、しっかりとふたを閉める（口をストローから話した時に、色水が下に落ちてしまわなければOK。もしも失敗してしまったらふたを開けてもう一度やってみよう）
8．ふたの周りにビニールテープを巻き、空気が漏れないようにすれば完成！

ペットボトル温度計で実験できること

部屋ごとの温度差を調査してみよう

ペットボトル温度計をいろいろな部屋に置き、温度の違いがあるかどうか調査してみましょう。温度の違いがあった場合や、同じ温度だったときは、何が理由なのか考えてみましょう。例えば、窓の数の違いや、窓が開いていたのか閉めきっていたのか、カーテンは開けていたのか閉めていたのか、などを比べてみましょう。

時間帯による温度の変化を調査してみよう

同じ部屋に置いたペットボトル温度計が、朝、昼、夜などの時間帯によって変化があるか調査してみましょう。

日なたと日陰の温度の違いを調査してみよう

2つのペットボトル温度計をよく日が当たる場所と日が当たらない場所とにおいて、どれくらい水の上がる高さが違うかを比べてみましょう。

ペットボトル温度計の空気だけを温めてみよう

ペットボトル温度計は、本当に温度による空気の圧力の変化で色水の高さが変わるのか調べてみましょう。ペットボトルの空気の部分だけを手のひらで包んで温めていたらどうなるでしょうか？

ペットボトル温度計を冷水に入れてみよう

室内に置いて常温にしてあるペットボトル温度計を冷水につけてみましょう。ストローの中の色水が下がっていくのがわかるでしょう。冷水につけたことによって、ペットボトルの中の空気が冷やされてしぼんだため、色水が下がってきたのです。

ペットボトル温度計の色水の量を変えて調査してみよう

色水の量を変えたペットボトル温度計をいくつか用意し、同じ場所において温度の変化によってストローの水がどれくらいの高さまで上昇するかを比べてみましょう。温度が高くなると、水の量が少ない方がストローの水が高いところまで上昇することがわかります。
実は水も温まることによってふくらむ性質があるのですが、空気のほうがふくらみやすいのです。そのため、色水の量を少なくするとふくらむ空気の量が増え、押し出される色水の量も多くなるのです。

ペットボトル温度計の作り方動画

ペットボトル温度計で空気の変化を学ぼう！

今回ご紹介したペットボトル温度計は、気温の変化を正確に計測することはできませんが、だいたいの温度の変化を確認することはできます。また、ペットボトルの色水の色を変えてみる、色水の量を変えてみるなどしていくつか並べると、観賞用にもなります。
実験を通して学びたいポイントは、空気は温まるとふくらんで冷えるとしぼむということ。自然界でもこうした現象が繰り返されて天気が変化しています。中学生であれば、気圧と温度の関係や、どうして天気が変わるのか、などを調べてまとめてもよいでしょう。夏休みの自由研究テーマとして、ぜひ検討してみてくださいね。