学校の理科教育においては、「実験」と呼ばれているものを通して理科的諸事象への理解を深める試みが多数なされています。マグマの種類の違いによって、形成される火山の形状が変化することを理解するためにも「実験」が行われており、これまでに様々な方法が提案されています。
自由研究などの参考にもなるかと思うので、こういったモデル実験をざっくり見ていこうかと思います。
結論
- 小麦粉・スライム・シリコン・重曹が代表的
- 正確性と費用・準備のバランスが難しい
小麦粉
小麦粉を水やエタノールなどの溶媒へ溶かしたものを、ポリ袋や注射器といった外部からの力をかけることで体積を容易に変化させることが可能な容器へと封入します。これの上に穴の開いた板などを蓋をするように置いた上でこの二つを固定します。その後外部から力をかけることでマグマの噴出、噴火を再現します。また小麦粉と溶媒のバランスを変化させることで粘度の差を再現することで、例えば玄武岩質マグマと流紋岩質マグマの差を再現することが可能です。
この方法では非常に準備は簡単でかつ低コストであるため実践例はかなりありました。しかしながら問題点としてダマが生まれてしまうことや水分量の調整が難しいこと、エタノールを溶媒に用いた場合は換気が強く求められることなどが挙げられています。
小麦粉を用いた実験例
- 「昭和新山を作ってみよう」北海道大学。
- 「小麦粉で火山を作ろう」秋田大学国際資源学部、2017年。
- 「小麦粉を使った火山の形のモデル実験」北海道立教育研究所附属理科教育センター。
- 西来邦章、下司信夫、宝田晋治「地質情報展2009おかやま 「キッチン火山実験」－小麦粉溶岩で火山を作ろう！－」『地質ニュース』第672巻、2010年8月、31-34ページ、国立国会図書館書誌ID: 10798416、ISSN: 0009-4854、NAID: 40017257328。
スライム
ホウ砂と洗濯のり（PVA）を主原料として作られるネバネバしたものがあり、これは一般的に「スライム」と称されます。語源と若干ずれていて気持ち悪いところはありますが、世間一般の名称を使うことにします。
スライムはホウ砂・PVA・水のバランスを変化させることによって、容易に粘性を変化させることが可能です。そのためマグマの粘度の差を再現するのにはぴったりの教材といえるでしょう。実験は小麦粉を用いた実験とほぼ同じ要領で行うことが出来ます。
デメリットとしては、スライムという中途半端な粘性を持ったものの片付けがものすごく面倒であることが挙げられます。
スライムを用いた実験例
- 日向宏伸、佐藤鋭一「マグマの粘性と火山体の形状に関する教育実践：スライムを用いたかんたん実験とその学習効果」『地学教育』第69巻4号、2016年、185-198ページ、国立国会図書館書誌ID: 028208872、NAID: 130006602663、DOI: 10.18904/chigakukyoiku.69.4_185。
歯科用印象材
化石のレプリカを作成するときの型作りにも用いられる「歯科用印象材（シリコン）」を使って火山の形成を試みるものです。実験方法としては小麦粉やスライムを用いたものとほぼ同一です。また色を変えることが可能であり、それほど時間がたたなくても色が混ざりづらいため、火山に限らず堆積過程の理解にも役立つ実験材料であるといえるでしょう。
参考文献・実験例において多く参照され、そのメリットとしては安全性と粘性の変化させやすさが挙げられています。しかしながら印象材が高価なものであるというデメリットも存在します。
歯科用印象材を用いた実験例
- 境智洋「歯科用印象材を活用した火山モデルの開発と実践」『北海道立教育研究所附属理科教育センター研究紀要』第16巻、2004年。
- 石原里佳、川上紳一、多和田有紗「歯科用印象材を用いた火山噴火と地層の形成に関するモデル実験 : 中学校理科「大地のつくりとその変化」での授業実践」『岐阜大学教育学部研究報告 自然科学』第33巻、2009年、25-30ページ、ISSN: 0533-9529、NAID: 110007095097、hdl: 20.500.12099/25024。※本文PDFがリンク切れを起こしています
重曹
重曹というものが市販されているのですが、要するに炭酸水素ナトリウムです。炭酸水素ナトリウムに酸を加えることで二酸化炭素を作り出すことが可能であるため、重曹に対して食酢やクエン酸を添加し、さらに粘性を与えるためにPVAを加えることで噴火を再現することが可能です。
この実験ではPVAの量を変化させることによりモデルの粘性を簡単に変化させることが可能であるということがメリットとして挙げられます。デメリットも当然あり、粘性を極めて高くすことが困難であることから、事前に紙粘土などで「山」を作っておく必要があるということが挙げられます。
重曹を用いた実験例
- 佐野恭平「インターネットを活用した児童向けオンライン火山実験教室の成果と課題」『地域資源マネジメント研究』第2巻、2021年9月30日、12-21ページ、ISSN: 2436-2387、NAID: 120007163731。
- 山田暢司「火山噴火モデルの工作」らくらく科学実験、YouTube、2021年。
ゴマ
粘度の差を形成することは難しいですが、面白いと思ったのでのっけておきます。ゴマというのは白ゴマと黒ゴマという感じで分けられますが、この色の差を用いることによって成層火山の形成を再現することが可能だそうです。
ゴマを用いた実験例
- 成田一之慎「火山灰堆積実験装置「はい，そうなんです」の開発」『北海道立教育研究所附属理科教育センター研究紀要』第28巻、2016年。
炭酸飲料
「メントスガイザー」と呼ばれている現象があります。これはコーラなどの炭酸飲料に対してメントスを入れることにより、メントス表面の凹凸において炭酸飲料中のCO2が集まることで急速に発泡が発生することから激しく炭酸飲料が容器外へと噴き出す現象のことです。
この現象が炭酸飲料が火山そのものの形状比較に用いることはできませんが、参考のために掲載しておきます。
炭酸飲料を用いた実験例
- 「親子で簡単！コーラで噴火実験～休校中・小学生学習支援」有珠山ブログ、2020年。
- ちーがくん「【家でできる理科実験】火山噴火は”コーラ”で再現できる！」ちーがくんと地学の未来を考える、2022年4月22日。
- 川村教一、金田皓樹、山下清次「地学の野外実習へのモデル実験導入の試み: 教養ゼミナール「ジオパーク学入門」での実施例」『秋田大学教養基礎教育研究年報』第18巻、2016年3月14日、45-53ページ、ISSN: 1344-9311、NAID: 40020788126、DOI: 10.20569/00003260。
- 霧島ジオパーク夏休み子ども火山スクールにおける超音波洗浄装置を用いた実験例
参考文献
- 山﨑寛己、角縁進「マグマの粘りけと火山の形状実験: 教科書におけるマグマと火山の形の取り扱い」『佐賀大学大学院学校教育学研究科研究紀要』第3巻、2019年3月、163-176ページ、ISSN: 2432-9215、CRID: 1050568937752665984。
最後に
前回のざっくりわかる火山シリーズ: 空洞が崩れてできるカルデラ
以上のことを見てみると、可能な限りシリコンを用いた実験を行いたいという気持ちが出てきてしまいます。しかしながらそれが難しい場合は重曹がいいのかなと個人的には思います。またシリコン以外の実験では片付けが面倒であることがあり、その点の考慮をしないと実践する際に困るなとも感じました。
個人的にそれぞれの方法を比較したものがインターネット上にあまり見られないと感じたこともあり、モデル実験の方法をまとめたものを作りました。こちらサイドで実験は行えておらず適切なまとめになっているのか若干不安ですが、火山に関するモデル実験の参考になれば幸いです。
追記: 「自由研究レポートをちょっと大人っぽくする方法を考える」を書きました。火山モデルを用いて自由研究をやっつけたい人に最適にならないような内容ですが、よろしければどうぞ。
