白井市

理科の考察(赤い月)

個別指導塾の学習空間、習志野藤崎・西白井教室の竹村です。
先月末には皆既月食がありましたね!
私の教室ではしばし机を離れて、幻想的な赤い月を観察しました。 

今日のテーマは特別編でこれです。
○…なんで月見えてるんでしょ?
皆既月食では月は地球の影に入り込むんですよね?
宇宙空間の真っ暗闇の中の月が、なぜ赤黒い色で見えてるんでしょう?

・屈折
この理由の半分は、中学校で習う凸レンズの特性の応用で説明できます
地球の周りには大気があります。球の形の空気の塊ですね。
また、大気(空気)にも真空と比べるとわずかに屈折率があります。
このため、大気は凸レンズのようなはたらきをします。
太陽からほぼ垂直に地球に来た光は、地球の影のほうへ曲がるわけです。
地球の影もまっ暗闇ではないんですね。

・散乱
でも、これでは赤くなる理由がわかりません。
これには「光の散乱」という現象が絡んでいて、細かいところは多分高校で習います。
※発展的な内容なので扱わない事もあり得ます。
小難しいところですが、高校数学ノータッチでイケるので、説明しますね。

まず予備知識として、太陽光(白色光)は、色々な波長の光が混ざっています。
また、光の波長の違いは、我々の目には色の違いとしてうつります。
最後に、光は何かに当たれば反射し、その向きを変えます。

さて、太陽光が大気を通過する際、含まれる光それぞれの波長の違いが問題になります。
光を人に例えると、波長の違いは、歩幅の違いとしてイメージしていいです。

青い光は波長の短い光です。
ちょこまかしてるので、空気中の細かな分子に当たってしまい、中々まっすぐ進めません。
そのため、皆が大気を通り抜けて地球の反対側に行く頃には、青い光は大体別のところ行ってしまってます。
※どこに行ったかって?地上(にいる我々の目)の方に来ています。おかげで空は青く見えます。

赤い光は波長の長い光です。
波長が長いため、空気中の分子などと言う細かいモノはどんどん跨(また)いでしまいます。
そのため、大気を通り抜けて地球の反対側に行く長い旅でも、赤い光はほぼ脱落者なくやりきります。
※夕焼けが赤いのは、他の色の光が次々脱落する中、赤い光は来るからと言えます。

なお、赤と青の間の他の色は、この間の性質となります。
すごく平たく言えば、大気をストレートに通過できるのは赤っぽい光のみということです。

さくっとまとめましょうか。
皆既食中の月は、太陽の光が直接には届かない場所にあります。
しかしそこは、地球の大気によって曲げられた赤い光が幽かに照らしているわけです。
赤い光で照らされた月は、当然赤く見えるわけですね。

この光の散乱で、海の青や低い位置の月の赤、変わりどころでグリーンフラッシュなども説明出来ます。
光の分散に反射屈折も加えれば、蜃気楼や虹、幻日など、多くの気象現象が説明できます。
気象現象は地学の範囲と思いきや、意外と物理現象として考察しきれるものも多いんですね。
興味がある方は物理勉強してみましょ!(そのためには数学の用意も忘れずに頼みます!)
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理科の考察(夜更かしの代金)

個別指導塾の学習空間、習志野藤崎・西白井教室の竹村です。
入試シーズン真っ只中ですが、いかがお過ごしでしょうか。
夜は雪に反射した月明かり…ではなく、文明の利器をフル活用して勉強している人が多いのではないかと思います。
今回はそんななか、「電気もったいないでしょ!はやくねなさい!」とか言われたある人向けのこちら。

○一日の照明に掛かる電気代(※テーマ文微修正)
「それよりおれには今勉強が必要なんだ!!!!」的なこと思ったり言ったりした人もいるかもしれません。
※え?スマホいじってた?うーん…擁護しません。
夜更かしの良し悪しはさておき、物理屋さんとして、どれくらいもったいないのか考察しましょう。

・電気代の出し方
基本的に、1kWhあたり何円という決まり方です。
条件によって変わりますが、一般家庭想定だと大体25~35円/kWh程度でしょうか。
キリよく30円/kWhにしときましょ。
よく勉強している人なら、これで解くのに十分でしょう。

・電力量の出し方
「kWhてなに?」と言われれば、電力量の単位と答えましょう。
電力量は電力と時間の積で求めます。
照明の電力と使用時間が分かれば出せますね!
国際単位系を使えば、この計算で使う単位は
 電力量[J](ジュール)、電力[W](ワット)、時間[s](秒)
となりますが、家電製品扱うときなど、
 電力量[kWh](キロワットアワー)、電力[kW](キロワット)、時間[h](時間)
の組み合わせで計算することがあります。
今回も、後者の方が計算に便利です。

・電力の出し方
照明の電力の求め方?幾つかありますが、今回は必要ないです。
その照明器具のどこかに書いてあります。探してください。
教室の蛍光灯は根元に消費電力93Wと書いてありました。これを常時15セット点けてます。
教室全体では、単純に1セットの15倍、大体1500Wですかね。
念のため単位変換しておきましょう。1kW=1000Wなので、1500W=1.5kWとなります。

・時間の出し方
「一日」は何時間かということになります。
24h(時間)と即答した方、ちょっと気が早すぎます。大事なのは照明が点いている時間です。
学習空間の教室は、通常17時~23時までやってます。
そういう意味では、「一日(のうち照明を点けている時間)」は6h程度です。
また、教室に講師が居る時間と言うと、前後の準備や事務があるため、8h以上になります。
そういう意味で、「一日」は8hとするのが今回はより正確でしょう。

・つまり照明に掛かる電気代は…
電気代[円]=(1.5kW×8h)×30円/kWh
=360円
少し高めに見積もっていはいますが、一か月で一万に近い額になってそうです。
教室レベルの照明の一日分でこれなんで、個人の部屋の夜更かし分(まず100円未満)が高いか低いかは判断のわかれそうなところ。
ただし実際には、ここの教室の場合にはエアコン(約2000W×2台!)という大口消費者がいますので、そっちの電気代が大きいです。
最近は教室開けている間つけっぱなしなので、単純に照明代の倍レベルの額があることに。。
エアコンに限らず、暖房機器はかなり電気食うので、節約ならそちらの使用頻度抑える方がいいでしょうね。
とはいえ、それで体調崩したら元も子もないです。しっかりあったかくして、寝不足にならない程度に詰めていきましょう!

おまけ
トイレの電気消し忘れて、夜中点けっぱなしに?
罰金50円ですかね!
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理科の知識(IHと電磁石)

個別指導塾の学習空間、習志野藤崎・西白井教室の竹村です。
寒い日が続きますね。深夜に帰宅する方々は、ガスコンロで料理を温めつつ暖をとることもあると思います。

…生徒のみなさんには当分無縁な(であってほしい)ことだとは思いつつ。
最近暖をとれない調理機器もありますね!今日は家庭によって関心が分かれそうなこれ。
○IHクッキングヒーター単体では暖をとれない理由
理解するには、原理を知る必要があります。

電磁石の特徴は小学校で習ったと思います。
また、配線ミスなどで、電気を流し続けた導線が熱くなるのを見たことがある方も多いでしょう。
なんの話って、IHと言われる調理器具は、この辺りの事をフルに利用しているんです。
順を追ってみてみましょう。
※平易な説明にするため、正確さに欠ける表現使ってますが、ご容赦を。

1.電流(&金属)→磁場 (電磁誘導)
電磁石がまさにこれですね。
導線に電流を流すと、導線は磁石であるかのようにふるまいます。
電流の流れ方を調節すれば、磁場の様子も調節できます。
磁場ってなぁにと言われたら、磁石のまわりにあるものと答えておきます。
次行きましょう。

2.磁場&金属→電流 (誘導電流)
導線の近くで磁石を動かすと、電流が流れます。
例えばコイルの中で磁石を動かすと、電流計が反応する程度の電流が流せます。
※補足:より正確には、磁場の変化が重要です。
うまくすれば、相手の金属に触れずに電流が流せるわけですね。
もうひとつ。

3.電流→熱 (ジュール熱)
金属にただ単に電流を流すと熱くなります。
熱くなるんです。
電磁石に電池付けっぱなしで放置しちゃった人、いませんか?アブナイです!
もう基本原理が分かりましたね(?)

装置内に強い電流を流し、1の原理で強い磁場を発生させます。
ただし磁場は目に見えず、生身の人間には、そのあるなしを判別するのは困難です。
※補足:流すのは交流である必要がある。磁場が強いだけでは2につながらない。
これがIH本体の基本の仕組みです。
そこに金属製の鍋等を十分に近づけると、2の原理で電流が流れます。
そして3の原理です。流れるだけで何もしない電流は、熱になります。
つまり鍋そのものが熱くなります。

そうなんです、IH本体は熱をほぼ発しません。
「近づけた金属を発熱させる装置」と見るのが分かりやすいと思います。
IHで暖を取りたければ、発熱させる金属が必須です。
最悪つけっぱなしで放置しても、火災の危険性はほぼありません。
※「ない」とは言い切りません。科学者の習性です。

火災の恐れがなくて良いと見るか、融通が利かないと見るかは判断の分かれる所でしょう。
なお、この1→2の併せ技は、スマホの非接触充電や、もっというと通信技術として広く使われてます。
ただ、3が主な狙いになるほどハイパワーなのは他にないかも。
話の都合、細かいところかなりごまかしているので、興味を持った人はぜひ、高校以降で詳しく学んでほしいところ!
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理科の知恵(蒸発熱と風呂)

個別指導塾の学習空間、習志野藤崎・西白井教室の竹村です。
風呂で温まるのが楽しみな季節になりましたが、一方で、風呂上りに寒い思いをするのが嫌な人も居るかと思います。
季節外れになる前に、風呂上りに寒い思いをせずに着替える方法について語りましょう

風呂場は多くの場合、3つのエリアに分けられると思います。
1つに脱衣所。風呂上り一番寒いのはここですね。暖房をして対策している家庭も多いのでは。
2つに浴室内。ここが寒いか否かは、感想が分かれるかもしれません。
3つに浴槽内。湯船とも言いますね。ここが寒いとおっしゃる方は…すみません、今回の内容は役に立ちません。
お風呂がすごく寒いという人は多くの場合、浴槽で温まって、脱衣所でその寒い思いをしている事でしょう。
暖房を使っていても寒く感じますね。
―ほとんどの場合、浴室内ではなく脱衣所なんです。
浴室内と脱衣所の違いは。そもそも、なぜ風呂上りに寒い=体温が急激に奪われるのか。
浴室内で寒い思いをしている方も、2点を抑えれば改善の余地があります。

・空気に熱を奪われる
この季節、空気は体温よりかなり冷たいです。冷たい空気に裸で当たれば当然熱を奪われます=寒いです。
「お湯に温められている」浴室内より、脱衣所の方が寒いのは当然と、納得している方もいるでしょう。
夏寒くないのはこの気温の差のせいだという見方は、とても自然です。
そしてこれは暖房を使うことで対策可能です。
…ですが、風呂場に限っては、これは重要ですが決定打ではありません。

・湯に熱を奪われる
具体的に、湯船に入った時やシャワーでついたお湯ですね。これが蒸発するときに奪う熱がかなり大きいです。
一般に、液体は蒸発するときに周囲から熱を奪います。これは温度差による熱の移動とは別勘定です。
この対策に暖房はほぼ効果なしです。お湯が皮膚から蒸発すること自体を防ぐ必要があるわけですから。
…そんなん対策できないじゃん、となりますが、お風呂場に限っては簡単なことでかなり防げます。
なぜ水は蒸発出来るでしょう。水は蒸発出来るから蒸発するわけです。
中学校2年以上の方は、飽和水蒸気量と言う言葉を聞いたことがあるはずです。
湿度100%の空気中なら、水は蒸発しません(※全くしないわけでは無いんですが省略)。
そんな空気がどこあるのかって、あるんです、浴室内に!
浴室内に十分なお湯がまかれた後(または浴槽のフタがない場合)は、浴室内の湿度は100%になります。
浴室内では寒くないのは、このためです。
一番風呂ではこの点、寒い思いをする場合がありますね。

つまりこうです。
浴室は入浴前に、十分に湿らせます。一番に入る場合、シャワーを浴びれば丁度いいでしょう。
湯船につかった後は、脱衣所に出るのではなく、浴室内で体を十分に拭いて、出来れば少し乾かします。
十分に乾いていれば、脱衣所はそんなに寒くないはずです。
脱衣所に暖房を入れてある場合、全く寒い思いをすることはないでしょう。

ただし、浴室のカビ対策や光熱費は意識してください。
生徒さんは、今は家の人が大抵やってくれるかもしれませんが、結構馬鹿にならないはずです。
暖かいお風呂で、エネルギー問題にも思いを馳せてくれれば幸いです。

理科の知恵(暖かい寝方)

個別指導塾の学習空間、習志野藤崎・西白井教室の竹村です。
寒くなってきましたね!今回は毛布と布団のより暖かい掛け方について語りましょう。

今の時期、毛布と羽毛布団を併用している人は多いのではないかと思います。
ところで、どちらを上に、どちらを下(人と接する側)にすると暖かいでしょう?

―結論からいうと、毛布上、羽毛布団下が保温性大です。
一般に、毛布はより断熱性が高く、羽毛布団はより熱をため込みます。
誤解しがちな点として、毛布に触れると暖かく感じますが、毛布が暖かいのではありません。
毛布が熱を通しにくい=触れても体温を奪われにくいので、相対的に暖かく感じるだけです。
似たところ、段ボールや発泡スチロールも触れると暖かく感じますね。

つまり、外の冷たい空気を毛布で遮断して、内側に暖かい布団を置くことで、暖かく眠れるわけです。
どちらかに特殊な仕掛けでもない限り、これが最適でしょう。

更なる考察として、これで暖かいのは冷たい外気が布団(や人)に触れるのを遮るからです。
そのため、布団の端がガバガバだったり、毛布が布団より小さい場合、きちんと外気を遮れないと、効果が低いです。
布団を少し丸めて、隅まで完全に毛布で覆うと、より暖かくしやすいですね。

似たところ、部屋の窓からくる冷気も、対策するとより暖かくできます。
一般の窓(ガラス)は断熱効果が低く、周囲に隙間が出来ている事も多いため、冬は冷えやすいです。
冷えた空気は窓のすぐ下の面を滑り、窓際に寝床がある場合、そこを冷やします。
カーテンなどで下の隙間を塞ぎ、この冷気の流れを遮ると、冷えにくくなることがあります。
そうでない場合も、カーテンや雨戸をしめる事だけでも、だいぶ冷えにくくなることがありますね。
※東北などで見られる二重ガラスの窓は、この点で素晴らしい性能です。全然冷気来ないですね。
部屋の構造や現在の状況によっては、すぐに体感できる場合もあるので、試してみてください。

体調管理に気を付けて、冬を乗り切りましょう!
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思いついたネタをずらずらと(物理の雑学)

個別指導塾の学習空間、習志野藤崎・西白井教室の竹村です
私元は物理屋ですので、物理っぽい話も少々。

私が理科、特に物理の専門だというと、それ勉強してなんの役に立つのと聞かれることがあります。
まずどの学問もそうですが、知らなくても生きて行けます。知らなくても全然問題ないです。
また、学問自体、誰もが「役に立つからやってる」とは限らないです。知的好奇心のままにってヤツですね。
でも、面白いからやるんだ、では納得してもらいにくいのがちょっとさみしいところ。
私個人として正直、物理が役立つという話は職業柄仕入れた後付けです。
ただ、学んだ動機がなんであれ、知っていると世界が広がるのもまた事実です。
特に必要から生まれた部分も多い理科、物理は、役に立つ場面をいくらでも作れます。

前置きが長くなりました。物理の理解を深めるとわかる事を列挙してみましょう!
今の時期気になりそうな事を中心に…

・毛布と布団のより暖かい掛け方
・IHクッキングヒーター単体では暖をとれない理由
・固くしまったビンのフタの開け方
・風呂上りに寒い思いをせずに着替える方法
・ブレーカーを落とさずに多数の電化製品を使う方法
・一日つけっぱなしの照明に掛かった電気代
・各種暖房機器の効率の良い使い分け方
・灯油をポンプを使って容器を移し替える楽な方法
・メーカーや使用時期の異なる電池を併用してはいけない理由
・電子機器が長時間の使用などで加熱し、また調子が悪くなる理由

個別に生活の知恵として知っているものがあるかもしれませんね。
でも、どれも知らなくても全然問題ないですね!
大抵はほんのちょっと寒い思いをしたり時間をかけたりするだけで済みます。

もちろん、知っていれば便利ですし、せっかくですから中身を紹介していきましょう。
まずは…っと、文章量がそろそろ1ページ分ですね…つづきはまた今度にしましょう。
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