物質状態の視覚化教材装置

【課題】温度が低くなって分子間力の影響が無視できないような物質状態でも分子モデルを用いて視覚化可能であり、気体・液体・固体などの物質状態を視覚化できる視覚化教材装置を提供する。
【解決手段】壁面の少なくとも一部が透明な容器７と、容器内に収納され、視覚可能な複数の分子モデル８と、容器の少なくとも一部の壁面に設けられ、分子モデルを容器内に打ち出し可能な稼働部５と、を有し、分子モデルは高反発弾性の物質からなり、かつ複数の分子モデルのうち少なくとも一部は、該分子モデルの内部または表面に、１つまたは複数の磁石が組み込まれており、稼働部は、分子モデルの打ち出し速度を調節可能であり、分子モデルの打ち出し速度に応じた分子モデルの動きにより物質状態を視覚化する、ことを特徴とする物質状態の視覚化教材装置。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質状態の視覚化教材装置に関するものである。さらに詳しくは、本発明は、現実には目に見えない分子の運動と同様の振る舞いを実体のある分子モデルにさせ、それを目で見えるようにして、気体、液体、固体などの物質状態を視覚化する視覚化教材装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
気体の状態方程式は、圧力をＰ、体積をＶ、温度Ｔ、ｎを分子のモル数とすると、次の式、すなわち、ＰＶ＝ｎＲＴで表され、主として高等学校の物理や化学において学習するものであるが、理系大学生の専門基礎として学習することもあり、気体の性質を理解する上で、中心的位置を占めている。
生徒や学生にとって、状態方程式をあてはめた計算問題は比較的できるが、簡単な概念問題に状態方程式を応用することは困難である（例えば、非特許文献１参照）。これは、目に見えない気体について、圧力や温度の意味を理解しイメージすることが困難なことによると考えられる。
【０００３】
従来より、ピンポン玉や鋼球を気体分子のモデルになぞらえた気体分子運動モデル実験器が、気体分子の運動のイメージを捉えることのできる教材として知られている（例えば、非特許文献２及び３参照）。ピンポン玉を用いた気体分子運動モデル実験器５１を図１３に示す。これは、回転歯車５２によってピンポン玉５３を弾き上げ、ガラス容器内で飛び跳ねるピンポン玉５３を見ることができるようにしたもので、モーター５４の回転数を変えることで、ピンポン玉５３の動きが変わる。
【０００４】
鋼球を用いた気体分子運動モデル実験器６１を図１４に示す。これは、ピストン６２を往復運動させて、ピストン６２とフローティングピストン６３との間で動き回る鋼球６４を透明な筒６５を透して見ることができるようにしたもので、電圧を制御してピストン６２の振動数を変えることで、鋼球６４によって押し上げられるフローティングピストン６３の高さが変わる。また、フローティングピストン６３上にはおもりが載せられるようになっている。このモデル実験器は、ピストン６２とフローティングピストン６３の間の距離を気体の体積、フローティングピストン６３とその上に載せるおもりの重さを気体の圧力、ピストンの振動数を気体の温度と、それぞれ、なぞらえることにより、気体の物理量の間の関係を示そうと試みたものである。しかし、この実験器では、一応の傾向はつかめるものの、ボイルの法則やシャルルの法則などの正確な関係をとらえることには成功していない（非特許文献３の解説参照）。この原因としては、ピストンの振動数を気体の温度と見なすことの理論的な誤りやこのモデル実験器では重力の影響が避けられないこと、すなわち、鋼球の分布がピストン側に多く上下で均一な分布をしないことやピストンによって打ち出された剛球はその速さが減速してフローティングピストン６３に到達すること、などの技術的欠点が考えられる。ボイルの法則やシャルルの法則ほかの気体の状態方程式中に現れる物理量の間の種々の関係を正確にとらえるためには、これらの誤りや欠点を改善することが必要である。
【０００５】
特許文献１は、上記問題点を解決し、気体の状態方程式を正確に再現した気体の状態方程式の視覚化教材装置であり、本発明者が先に特許出願したものである。特許文献１の視覚化教材装置によって、気体の状態方程式を正確に再現して視覚化できるが、あくまで気体の状態を視覚化できるのみであり、液体や固体の状態などは視覚化できない。
【特許文献１】特開２００６−３０１１７４号公報
【非特許文献１】Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｅｄｕ，ｖｏｌ．７７，Ｎｏ．２，ｐ２３５−２３８（２０００）
【非特許文献２】古川千代男著「プロジェクトサイエンスシリーズ５物質の原子論−生徒と創造する化学の授業−」（株）コロナ社、１９８９年５月１０日、ｐ．１７−１９
【非特許文献３】近角聰信・豊田博慈監修「新訂図解実験観察大辞典物理」東京図書、１９９２年１０月３０日、ｐ．１０５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
温度が高く、気体分子の運動速度が高い時は、分子間力の影響は無視できるので特許文献１のような視覚化教材装置を用いれば気体分子の状態を視覚化できる。しかしながら、温度が低くなってきて分子の運動速度が低くなってくると、分子間力の影響を無視できなくなり、特許文献１のような視覚化教材装置では分子間力の影響を含めた物質状態の視覚化はできない。
【０００７】
本発明は上記問題点を解決し、温度が低くなって分子間力の影響が無視できないような物質状態でも分子モデルを用いて視覚化可能であり、気体・液体・固体などの物質状態を視覚化できる視覚化教材装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、本発明は以下の構成を有する。
壁面の少なくとも一部が透明な容器と、
前記容器内に収納され、視覚可能な複数の分子モデルと、
前記容器の少なくとも一部の壁面に設けられ、前記分子モデルを前記容器内に打ち出し可能な稼働部と、を有し、
前記分子モデルは高反発弾性の物質からなり、かつ前記複数の分子モデルのうち少なくとも一部は、該分子モデルの内部または表面に、１つまたは複数の磁石が組み込まれており、
前記稼働部は、前記分子モデルの打ち出し速度を調節可能であり、
前記分子モデルの打ち出し速度に応じた前記分子モデルの動きにより物質状態を視覚化する、ことを特徴とする物質状態の視覚化教材装置。
【０００９】
また、好ましくは以下の実施態様を有してもよい。
前記稼働部は、駆動源によって駆動される往復運動機構を介して側面と直交する方向に往復動可能な稼働底板であり、前記稼働底板には、その往復動によって前記分子モデルを前記容器内に打ち出すための突起が設けられている。
前記稼働底板の突起は三角突条であって、その長手方向が稼働底板の往復動方向と直交して所定間隔に設けられている。
前記容器の少なくとも一部の壁面に設けられ、該壁面に対して垂直方向に移動可能な圧力測定側壁部材をさらに有し、前記稼働部より打ち出された分子モデルが前記圧力測定側壁部材に衝突することによって発生する圧力の測定手段を具備する。
前記稼働部より打ち出された分子モデルが前記圧力測定側壁部材に衝突することによって発生する圧力を、バネで測定するようにした。圧力測定手段についてはバネに限定されるものではなく、例えば、ゴムなどの弾性体、ピストンシリンダを介した液柱などを用いてもよい。
【００１０】
分子モデルの形状の実施態様としては球状があり、これが好ましいが、これに限られることはなく、立方体、正四面体、楕円体などの実施態様もある。
各分子モデルの磁石の個数や配置は自由に選択できる。モデルとする分子の分子間力の方向に応じて配置すると良い。
容器内の分子モデルのすべてが磁石を有する必要はなく、一部の分子モデルには鉄などの磁性体のみを取り付ける実施態様もある。
一部の分子モデルには磁石も磁性体も設けないようにする実施態様もある。このような構成にすることにより、異なる種類の分子（沸点や融点が異なる）が混在しているときの物質状態を視覚化できる。
大きさ、形状、色が異なる分子モデルを混在させる実施態様もある。このような構成にすることにより、種類の異なる分子の振る舞いを視覚化することができ、たとえば、異なる物質が混合していく過程などを視覚化できる。
容器の形状としては直方体または立方体のものを用いることができ、これが好ましい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の分子モデルは内部または表面に磁石や磁性体が組み込まれており、磁石の結合力によって分子間力の影響を視覚化することができる。分子モデルの運動速度が高い（温度が高い）時は、磁石の結合力（分子間力）の影響はほとんど無いので、分子モデルは気体分子として振舞う。分子モデルの運動速度が低くなり（温度が下がり）、磁石の結合力（分子間力）の影響が無視できなくなってくると、分子モデルは緩やかな結合をして液体分子として振舞う。さらに、分子モデルの運動速度が低くなる（温度が下がる）と、分子モデルは磁石の結合力（分子間力）により動かなくなり、固体分子として振舞う。したがって、本発明の構成によって分子間力の影響を加味した物質状態の視覚化が可能である。
分子モデルの形状や磁石の配置を工夫することにより、物質ごとに異なる分子間力をより細かく視覚化することができ、固体化したときの結晶構造なども視覚化することもできる。また、圧力測定手段を設けることにより、気体から液体に変わるときに、圧力が気体の状態方程式から外れていくことも視覚化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、発明を実施するための最良の形態を示し、さらに詳しくこの発明について説明する。もちろん本発明は以下の実施の形態によって限定されるものではない。
【００１３】
図１は、本発明の物質状態の視覚化教材装置の一実施の形態を示す概略図である。図１に示される物質状態の視覚化教材装置１は、概略、底面と一側面が開放された透明カバー体２と、モーター３によって駆動されるクランク往復運動機構を介して側面と直交する方向（左右水平方向であって、図１の矢印Ａで示す。）に往復動可能な稼働底板５と、透明カバー体２内で稼働底板５と同方向（左右水平方向であって、図１の矢印Ｂで示す。）に移動可能な圧力測定側壁部材６で構成される容器７に、高反発弾性の分子モデル８が収納可能とされ、稼働底板５には、その往復動によって収納された分子モデル８を容器７内に打ち出すための三角突条１０が設けられており、稼働底板５より打ち出された分子モデル８が圧力測定側壁部材６に衝突することによって発生する圧力の測定手段を具備する構成のものである。図１では図示されていないが、分子モデル８の内部または表面には磁石が設けられている。
なお、本実施形態では圧力測定側壁部材６等の圧力測定手段が設けられているが、本発明は磁石を有する分子モデルを用いて物質状態を視覚化することを目的としており、これらの構成は必須のものではない。
【００１４】
透明カバー体２は、透明で矩形板状の前面壁部材（図示せず）、上面壁部材２ａ、後面壁部材２ｂ、右側面壁部材２ｃが互いに直交するように組み合わされて一体化され、底面と左側面が開放されたもので、直方体状のものとなっている。右側面壁部材２ｃの下端縁は、前後面壁部材の下端縁より短くなっており、稼働底板５の左右への往復動に支障がないスペースが確保されている。透明カバー体２は、フレーム（図示せず）にネジ等で固定されている。
透明カバー体２を構成する前面壁部材、上面壁部材２ａ、後面壁部材２ｂ、右側面壁部材２ｃとしては、アクリル板が、透明性が高く、分子モデル８が衝突しても割れたり破損したりせず、しかも、反発性が良好であることから好ましい。アクリル板を使用する場合は、前面壁部材、上面壁部材２ａ、後面壁部材２ｂ、右側面壁部材２ｃを接着して透明カバー体２が製造される。本実施形態では透明カバー体としてアクリル板を用いているがこれに限られるものではなく、ガラス等を用いてもよい。
【００１５】
稼働底板５の左右長さは、透明カバー体２の左右長さとほぼ同じか、やや長くされている。稼働底板５の前後幅は、透明カバー体２の前面壁部材と後面壁部材の間隔とほぼ同じであって、透明カバー体２の前面壁部材と後面壁部材の間に挟まれて、前後方向にぶれることなく規制され、左右に安定して往復動できるようになっている。そして、稼働底板５は、図示していないフレームに取り付けられた案内ローラによって支持されているが、これに限られるものではない。
【００１６】
稼働底板に設けられた三角突条１０は、その長手方向が稼働底板５の往復動方向と直交する前後方向に所定間隔をもって設けられ、その長さは、稼働底板５の前後方向の幅とほぼ同じである。三角突条１０の左斜面は、稼働底板５が往動（左方に移動）する際に、分子モデル８を圧力測定側壁部材６に向けて打ち出す機能を果たし、右斜面は、稼働底板５が復動（右方に移動）する際に、分子モデル８を右側面壁部材２ｃに向けて打ち出す機能を果たすことになる。図２は、稼働底板５の三角突条１０と分子モデル８の関係を示す説明図である。突条の断面形状としては、２等辺三角形が好ましく、頂角としては、８０〜９０゜である。このうち、頂角９０゜の二等辺三角形がより好ましい。三角突条１０の間隔Ｗは（三角突条の右斜面の基端とその右側にある三角突条の左斜面の基端との距離を示す。）、使用する分子モデル８の反発性にもよるが、分子モデル８の直径Ｄと同等かやや広め、一般に０．８〜１．５倍程度とすることが好ましい。三角突条の底辺の長さＳは、分子モデル８の直径Ｄ
の０．８〜１．０倍程度、高さＨは０．４０〜０．５０倍程度が好ましい。分子モデルの直径に応じ、三角突条の大きさ及び稼働底板上での配置間隔は、透明枠体及び稼働底板をフレームから外して、調節可能である。三角突条の大きさ及び配置間隔の異なる稼働底板を複数備え、交換できるようにしておくのも好ましい。
稼働底板５、三角突条１０の材質は、アクリル樹脂、木材、金属等が採用できる。また、稼働底板５の表面に潤滑剤を塗布しておいたり表面を潤滑加工しておく実施形態もあり、このようにすることにより、分子モデル８が三角突条１０などに引っ掛かることを防止できる。
【００１７】
クランク往復運動機構は、クランク板１１と従動リンク１２からなり、従動リンク１２の一端は枢軸１３で稼働底板５に連結され、他端はクランク板１１の回転中心から偏心した位置に植設されたピン１４で連結されている。モーター３の回転は、ベルト１５によってモータープーリー１６からクランク軸１７に固定されたプーリー１８に伝達され、クランク板１１が回転することで、稼働底板５が往復動することになる。図示していないが、モーター３はフレームに取り付けられており、クランク軸１７は、フレームに回転可能に軸支されている。
【００１８】
クランク往復運動機構の振幅は、分子モデルの直径の１．５〜２．５倍程度が好ましい。クランク往復運動機構の振動数は、モーターの電圧を制御することで適宜決定される。
なお、スライダーに植設したピンを、ネジでクランク板の半径方向に摺動するようにして、稼働底板の振幅を自由に変更することができるようにしてもよい。
【００１９】
圧力測定側壁部材６は、板状であって、その下端縁で移動台２０の右端縁に固定されており、該移動台２０の左端は起立板２３の下端と接合されており、圧力測定側壁６、移動台２０及び起立板２３は一体化されている（これを受圧部ともいう）。
かかる構造において、圧力測定側壁材６は、透明カバー２内で運動する分子モデル（スーパーボール）が圧力測定壁に衝突したとき、可及的にその荷重を正しく測定機構に伝達するため、受圧部は分子モデル衝突による移動時の摩擦抵抗を可及的に減ずるために低摩擦機構によって支持される必要がある。低摩擦機構としては、例えば十分に磨き上げられた大理石板やエアレーションによって浮遊させた状態とするとか、極めて回転しやすいベアリング付車等によって支える必要がある。中でも最も簡単な手段は円筒、所謂コロなどによって支えるのが好ましい。そこで図１にあっては、移動台２０とともに支持板２１に設置された筒状のコロ２２、２２、２２、２２に支持され、左右に移動可能となっている。移動台２０の左端縁には起立板２３が固定されている。支持板２１は、フレームに固定されている。
【００２０】
圧力測定側壁部材６の前後幅は、透明カバー体２の前面壁部材と後面壁部材の間隔とほぼ同じで、縦幅は、稼働底板５の左右の往復動に支障がない幅とされている。圧力測定側壁部材６、移動台２０、起立板２３によって圧力測定用枠２４が形成される。圧力測定側壁部材６を、透明なアクリル板とすると、容器７内で運動する分子モデル８の動きを圧力測定側壁部材６側からも観察することができる。
【００２１】
起立板２３にはコイルバネ２５の一端が係止されており、コイルバネ２５の他端は、外部固定板２６に係止されている。外部固定板２６は、透明カバー体２に取着したガイドバー（図示せず）に沿って左右方向に移動可能とされるとともに、ネジでガイドバーの任意の位置に固定できるようになっている。フレームにガイドバーを設け、外部固定板を左右方向に移動可能としても良い。
【００２２】
稼働底板５によって打ち出された分子モデル８が圧力測定側壁部材６に衝突することによって発生する圧力は、コイルバネのバネ定数、伸び、圧力測定側壁部材の面積に基づき算出すればよい。
外部固定板２６の位置を左右に変更することで、透明カバー体２、稼働底板５、圧力測定側壁部材６によって構成される容器７の体積を変更することができる。
また、起立板２３とコイルバネ２５との係止を解除し、圧力測定用枠２４を左方に移動させて、圧力測定側壁部材６を透明カバー体２から抜き出し、分子モデル８の数を変更したり、直径の異なる分子モデル８と交換することができる。分子モデル８の交換等が終了したら、圧力測定用枠２４を右方に移動させて、圧力測定側壁部材６を透明カバー体２内に挿入して元の位置に戻し、コイルバネ２５を起立板２３に係止すればよい。
【００２３】
分子モデル８は、高反発弾性の球状のボールが使用される。ボールの反発性は、１ｍの高さから自由落下させた時、コンクリートで反発し６５ｃｍ以上の高さにまで上昇するものであればよく、スーパーボールの商品名で市販されているものが使用できる。分子モデル８の大きさについては特に限定されないが数ｃｍ程度のものが良い。また、分子モデル８の形状は球状に限定されず、立方体、正四面体、楕円体などでも良い。
後述するように、分子モデル８の内部または表面には磁石が設けられている。
【００２４】
図３及び図４は、分子モデル８の内部に磁石８ａが組み込まれた例を示す図である。図３は球状の分子モデル８に磁石８ａを組み込んだ例であり、図４は立方体状の分子モデル８に磁石８ａを組み込んだ例である。図の例では、円筒状の磁石８ａを組み込んでいるがこれに限られず、球状磁石やリング状磁石を組み込んでもよい。また、組み込む磁石の数も１個とは限らず、複数個を組み込んでも良い。磁石を分子モデル８の内部に組み込むことにより、分子モデル８の高反発弾性を維持しながら、分子モデル８間に結合力を発生させることができるという効果がある。
【００２５】
図５及び図６は、分子モデル８の表面に磁石８ａが組み込まれた例を示す図である。図５は直角２方向に磁石８ａを組み込んだ例であり、図６は正四面体の各頂点方向である４方向に磁石８ａを組み込んだ例である。磁石の数や取り付け方向はこれらに限られず、モデルとする分子の分子構造や分子間力の方向に応じて様々な実施形態が考えられる。また、全てを磁石にする必要はなく、一部を鉄などの磁性体にしてもよい。磁石を分子モデル８の表面に組み込むことにより、磁石の結合力がより強力になり、強い分子間力を表現できるという効果がある。
【００２６】
磁石８ａが組み込まれた分子モデル８を用いることにより、分子間力を加味した分子モデルの振る舞いを観察することができる。稼働底板５の速度が速くて分子モデル８の速度が速いときは、分子モデル８間の結合力の影響は無視できるので、本発明者の先の特許出願（特許文献１）に記載されているような気体分子の振る舞いを観察できる。稼働底板５の速度が遅くなり分子モデル８の速度が遅くなると、分子モデル８間の結合力の影響が強くなり分子モデル８同士が結合し始めて、特許文献１に記載された気体の状態方程式から外れて、液体の状態を観察できる。さらに、分子モデル８の速度を下げると、分子モデル８間の結合力により分子モデル８同士が結合して動かなくなり固体の状態を観察できる。稼働底板５をゆっくり動かしながら止めていくと、図７や図８に示されるような結晶状態の観察も可能である。
【００２７】
以下、図面を用いて本実施形態の動作について説明する。
図９は、モーター３を起動していない初期状態であって、圧力測定用のコイルバネ２５は未伸長状態にある。分子モデルであるスーパーボール８が容器７内に収納されている。
図９の状態で、モーター３を起動させ、クランク運動機構を介して稼働底板５を往復動させると、容器７内に収納されたスーパーボール８が稼働底板５とともに動き始める。分子モデルのスーパーボールの動きが定常になったとき、その運動速度は稼働底板の往復動速度と等しいか又は少なくとも比較関係にあると見なし得る。往復動する稼働底板５の三角突条１０によって左右斜め方向に打ち出される。スーパーボール８は高反発弾性であることから、容器２の透明カバー体２、圧力測定側壁部材６との衝突と稼働底板５の三角突条１０による打ち出しが繰り返えされることで、あたかも、スーパーボール８が容器内で熱運動に似たランダムな運動をすることが実演でき、これを透明カバー体２を透してみることができる。スーパーボール８が圧力測定側壁部材６に衝突することによって、圧力測定側壁部材６がコイルバネ２５に抗して左方に移動することになる。コイルバネ２５の伸びを測定して、圧力測定側壁部材６に作用する力Ｆを求め、力Ｆを圧力測定側壁部材６の面積で割ることにより圧力が算出できる。
モーター３の電圧を制御することで、稼働底板５の往復振動数を高くすることができ、突起によって打ち出されるスーパーボール８の運動速度が増加し、その結果、圧力が高まることが確認できる。また、モーター３の電圧を低くすることでスーパーボール８の運動速度が低下し、その結果、スーパーボール８同士が結合し始めて圧力が急速に低くなり、液体状態が確認できる。さらにモーター３の電圧を低くするとスーパーボール８同士が結合したまま動かなくなり、固体状態が確認できる。
【００２８】
図１０は、圧力測定側壁部材６の初期位置を図９におけるよりもやや左に移動させたものである。圧力測定側壁部材６の初期位置の変更は、外部固定板２６を左にずらして、コイルバネに張力がかからない状態にセットすることで行えばよい。圧力測定側壁部材６の位置は、透明カバー体２の右側面壁部材２ｃからの距離を測定すれば良い。これに基づき容器の体積を算出できる。このように圧力測定側壁部材の初期位置を種々変更することで容器の体積を変えたり、稼働底板の振動数を変えたり、容器に収納するスーパーボールの数を変えたり、そのサイズを変えたりすることで、圧力測定側壁部材の受ける圧力、容器の体積、スーパーボールの数、サイズ等との相互関係が確認できる。また、以下のように物理量を評価することで、分子モデルの速度が高いときには気体の状態方程式を確認でき、速度が低くなると沸点や融点などを視覚的に確認できる。
ｎ：スーパーボールの数
Ｖ：容器の体積
Ｐ：圧力測定側壁部材にかかる圧力
Ｔ：温度（スーパーボールの速度の２乗平均に比例する。）
従って、この発明の装置によれば、気体の状態方程式から導かれる種々の関係と同様、以下に示すような定量的関係を検証することができることになる。
すなわち、分子モデルの速度が高いときには、（ａ）温度及び分子数が一定の条件下での、圧力と体積の逆比例関係（ボイルの法則）、（ｂ）圧力及び分子数が一定の条件下での、温度と体積の比例関係（シャルルの法則）、（ｃ）体積及び分子数が一定の条件下での、温度と圧力の比例関係、（ｄ）体積及び温度が一定の条件下での、分子数と圧力の比例関係等。また、分子モデルの速度が低いときには、（ｅ）沸点、（ｆ）融点など。
なお、コイルバネの選定は、スーパーボールの質量ｍ、左右方向の速度ｖ、数ｎ、容器内の左右方向の長さＬ（圧力測定側壁部材の内面から右側面壁部材の内側面の距離）とすると、圧力測定側壁部材に作用する力Ｆが、下記の数式１で表されることをベースに行えばよい。
【数１】

【００２９】
図１１は、この発明の気体の状態方程式の視覚化教材装置の他の実施の形態を示す概念図である。この気体の状態方程式の視覚化教材装置３１は、稼働底板５の往復動を偏心輪３２によって行うようにしたものである。偏心輪３２は、稼働底板５の下面に設けた突出部材３３、３３の間に挟まれており、偏心輪３２の回転により、稼働底板５が往復動することになる。その他は、図１に示す気体の状態方程式の視覚化教材装置１と同様なことから同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３０】
図１２は、この発明の気体の状態方程式の視覚化教材装置のさらに他の実施の形態を示す概念図である。この気体の状態方程式の視覚化教材装置４１は、圧力測定手段としてロードセル４２を使用したもので、ロードセル４２は外部固定板４３に設けられているものである。その他は、図１に示す気体の状態方程式の視覚化教材装置１と同様なことから同一番号を付し、詳細な説明は省略する。
【００３１】
以上、本発明の実施形態の一例を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において各種の変更が可能であることは言うまでもない。

【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の物質状態の視覚化教材装置の一例を示す概念図。
【図２】図１の装置における稼働底板の三角突条と分子モデルとの関係を示す説明図。
【図３】球状の分子モデルの内部に磁石を組み込んだ例を示す図。
【図４】立方体状の分子モデルの内部に磁石を組み込んだ例を示す図。
【図５】球状の分子モデルの表面に磁石を組み込んだ例を示す図。
【図６】球状の分子モデルの表面に磁石を組み込んだ別の例を示す図。
【図７】球状の分子モデルが組み合わさって結晶構造（正１２面体）を形成した例を示す図。
【図８】球状の分子モデルが組み合わさって結晶構造（ダイヤモンド構造）を形成した例を示す図。
【図９】図１に示す物質状態の視覚化教材装置の未稼働状態を示す概念図。
【図１０】図１に示す物質状態の視覚化教材装置において、圧力測定側壁部材の位置を変更した場合の未稼働状態を示す概念図。
【図１１】本発明の物質状態の視覚化教材装置の他の実施の形態を示す概念図。
【図１２】本発明の気体の物質状態の視覚化教材装置のさらに他の実施の形態を示す概念図。
【図１３】従来の気体分子運動モデル実験器の一例を示す説明図。
【図１４】従来の気体分子運動モデル実験器の他例を示す説明図。
【符号の説明】
【００３３】
１：視覚化教材装置、２：透明カバー体、３：モーター、５：稼働底板、６：圧力測定側壁部材、７：容器、８：分子モデル、８ａ：磁石、１０：三角突条、１１：クランク板、１２：従動リンク、２２：コロ、２５：コイルバネ、２６：外部固定板

【特許請求の範囲】
【請求項１】
壁面の少なくとも一部が透明な容器と、
前記容器内に収納され、視覚可能な複数の分子モデルと、
前記容器の少なくとも一部の壁面に設けられ、前記分子モデルを前記容器内に打ち出し可能な稼働部と、を有し、
前記分子モデルは高反発弾性の物質からなり、かつ前記複数の分子モデルのうち少なくとも一部は、該分子モデルの内部または表面に、１つまたは複数の磁石が組み込まれており、
前記稼働部は、前記分子モデルの打ち出し速度を調節可能であり、
前記分子モデルの打ち出し速度に応じた前記分子モデルの動きにより物質状態を視覚化する、ことを特徴とする物質状態の視覚化教材装置。
【請求項２】
前記稼働部は、駆動源によって駆動される往復運動機構を介して側面と直交する方向に往復動可能な稼働底板であり、
前記稼働底板には、その往復動によって前記分子モデルを前記容器内に打ち出すための突起が設けられている、ことを特徴とする請求項１記載の物質状態の視覚化教材装置。
【請求項３】
前記稼働底板の突起は三角突条であって、その長手方向が稼働底板の往復動方向と直交して所定間隔に設けられている、ことを特徴とする請求項２記載の物質状態の視覚化教材装置。
【請求項４】
前記容器の少なくとも一部の壁面に設けられ、該壁面に対して垂直方向に移動可能な圧力測定側壁部材をさらに有し、
前記稼働部より打ち出された分子モデルが前記圧力測定側壁部材に衝突することによって発生する圧力の測定手段を具備する、ことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の物質状態の視覚化教材装置。
【請求項５】
前記稼働部より打ち出された分子モデルが前記圧力測定側壁部材に衝突することによって発生する圧力を、バネで測定するようにした、ことを特徴とする請求項４記載の物質状態の視覚化教材装置。

【図１】