暑い日に水筒へ冷たい飲み物を入れて出かけると、何時間たっても冷たいままのことがあります。
一方、ペットボトルに入れた飲み物は、外に置いておくとだんだんぬるくなっていきます。
ここで疑問です。
水筒の種類によって、冷たさを保てる時間はどのくらい違うのでしょうか？
魔法瓶タイプの水筒、一般的な水筒、ペットボトルなどに同じ温度・同じ量の水を入れ、同じ場所へ置いてみましょう。
そして1時間ごとに温度を測れば、「なんとなく魔法瓶の方が冷たい」ではなく、数字で保冷力を比べることができます。
夏だからこそできる、身近で実用的な自由研究です。
- この自由研究は何日かかる？
- まず予想してみよう
- そもそも「保冷力」って何？
- どうして冷たい水はだんだんぬるくなるの？
- 魔法瓶の水筒はなぜ冷たさを保てる？
- 自由研究｜水筒の保冷力を比べてみよう
- 実験に使う水筒を選んでみよう
- 実験で一番大切なのは「スタート温度をそろえる」こと
- 水の量もそろえよう
- 実験方法
- 今回「変えるもの」と「そろえるもの」は？
- 温度を記録しよう
- 「何℃だった？」だけでなく「何℃上がった？」を計算しよう
- グラフにすると保冷力が一目でわかる
- 外気温も測っておくとさらに面白い
- 暑い場所で実験した方がいい？
- 直射日光に当てる場合は条件をそろえる
- 測るたびにふたを開けると結果に影響する？
- 氷は入れた方がいい？
- 追加実験｜氷あり・なしを比べよう
- 追加実験｜日なたと日陰で比べる
- 追加実験｜水筒カバーは意味がある？
- 追加実験｜水の量を変えたらどうなる？
- ペットボトルにタオルを巻いたらどうなる？
- 結果が予想と違ったら？
- 「魔法瓶が一番だった」で終わらせない
- 生活につなげて考えてみよう
- 次は「入れ物そのもの」を大きくしてみよう
- 何年生におすすめ？
- 自由研究のまとめ方
- 写真・温度表・グラフを印刷してまとめよう
- まとめ｜水筒の保冷力は「温度の上がり方」で比べられる
- よくある質問
この自由研究は何日かかる？
- おすすめ学年：小学2～6年生
- おすすめ期間：1日
- 実験時間：4～6時間程度
- 結果が出るまで：当日
- 材料の入手しやすさ：★★★★★
- 当日完成：◎
朝や昼から実験を始めれば、その日のうちに結果まで出せます。
低学年なら開始時と数時間後だけ、高学年なら1時間ごとに温度を測ってグラフにするのがおすすめです。
まず予想してみよう
実験する前に、どの容器が一番冷たさを保てると思うか予想します。
- 魔法瓶タイプの水筒
- 普通の水筒
- ペットボトル
例えば、
「魔法瓶の水筒が一番冷たいと思う」
だけではなく、
「魔法瓶は外の暑さが中へ伝わりにくいように作られていると思うから」
のように、理由まで書いておきましょう。
そもそも「保冷力」って何？
今回の自由研究では、保冷力を、
「中に入れた冷たい水の温度が上がりにくいこと」
として比べます。
例えば、すべて5℃からスタートして5時間後に、
- A：7℃
- B：13℃
- C：20℃
になったとします。
この場合、最も温度上昇が小さかったAが、今回の条件では最も冷たさを保てたと考えることができます。
どうして冷たい水はだんだんぬるくなるの？
冷たい水を暑い場所へ置いておくと、周囲から熱が伝わります。
そのため、時間がたつにつれて水の温度が上がっていきます。
しかし、容器の素材や構造によって、外から中へ熱が伝わる速さは同じではありません。
そこで今回の実験では、
「容器によって温度の上がり方がどれくらい違うのか」
を調べます。
魔法瓶の水筒はなぜ冷たさを保てる？
ステンレス製の真空断熱ボトルなどは、容器が二重構造になっていて、その間が真空に近い状態になっています。
熱は、
- 伝導
- 対流
- 放射
などによって移動します。
真空断熱構造では、特に空気などを介した熱の伝わりを抑えやすくなっています。
そのため、外が暑くても中の冷たい飲み物へ熱が伝わりにくく、温度が上がりにくくなります。
自由研究｜水筒の保冷力を比べてみよう
用意するもの
- 真空断熱タイプの水筒
- 別の種類の水筒
- ペットボトル
- 水
- 氷（スタート温度の調整用）
- デジタルキッチン温度計
- 計量カップ
- キッチンタイマーや時計
- 記録用紙
- 筆記用具
- カメラやスマートフォン
容器は必ずしも3種類そろえる必要はありません。
家にある2種類からでも実験できます。
実験に使う水筒を選んでみよう
真空断熱タイプを調べるならサーモスの水筒
真空断熱タイプの水筒を使えば、ペットボトルやほかの容器との温度変化を比較できます。
自由研究が終わったあとも、学校やお出かけなど普段の水分補給に使えるものを選ぶと無駄になりにくいでしょう。
子ども用の保冷水筒で調べてもOK
子どもが普段使っているような保冷水筒を実験に使うのもおすすめです。
「毎日使っている水筒は、本当にどのくらい冷たさを保っている？」という疑問から自由研究を始められます。
温度変化を数字で調べるならキッチン温度計
今回の実験で特に重要なのが温度計です。
触った感覚だけではなく、
「スタート5.2℃ → 3時間後8.1℃」
のように数字で記録できるため、比較しやすくなります。
実験で一番大切なのは「スタート温度をそろえる」こと
例えば、
- 魔法瓶：4℃
- 普通の水筒：8℃
- ペットボトル：12℃
から始めてしまうと、どの容器が冷たさを保ったのか比較しにくくなります。
そこで、水をまとめて冷やしてから分けるなどして、
すべてほぼ同じ温度からスタート
させましょう。
水の量もそろえよう
水の量が違うと、温度変化の仕方にも影響します。
例えば、
- 魔法瓶：300ml
- 普通の水筒：300ml
- ペットボトル：300ml
のように同じ量へそろえます。
ただし容器の容量が大きく異なると、容器内に残る空気の量など別の条件も変わります。
完全に同条件にはできない場合、その違いも考察に書いておきましょう。
実験方法
- 比較する容器を用意します。
- 同じ水を十分に冷やします。
- 温度計でスタート温度を確認します。
- 同じ量ずつ各容器へ入れます。
- すべてのふたを閉めます。
- 同じ場所へ並べます。
- 実験開始時刻を記録します。
- 1時間ごとに水温を測ります。
- 測定後はすぐにふたを閉めます。
- 4～6時間程度観察します。
- 結果を表とグラフにまとめます。
今回「変えるもの」と「そろえるもの」は？
| 項目 | どうする？ |
|---|---|
| 容器の種類 | 変える |
| 水 | 同じものを使う |
| 水の量 | そろえる |
| スタート温度 | そろえる |
| 置く場所 | そろえる |
| 測定時刻 | そろえる |
| ふたを開けている時間 | できるだけそろえる |
今回意図的に変えるのは容器の種類です。
温度を記録しよう
| 時間 | 魔法瓶 | 普通の水筒 | ペットボトル |
|---|---|---|---|
| 開始時 | |||
| 1時間後 | |||
| 2時間後 | |||
| 3時間後 | |||
| 4時間後 | |||
| 5時間後 | |||
| 6時間後 |
「何℃だった？」だけでなく「何℃上がった？」を計算しよう
例えば、
開始時5℃ → 6時間後9℃なら、
9－5＝4℃上昇
です。
開始時5℃ → 6時間後20℃なら、
20－5＝15℃上昇
です。
この「温度上昇」を比べると、スタート時に少し温度差があった場合でも結果を考えやすくなります。
| 容器 | 開始温度 | 終了温度 | 上昇した温度 |
|---|---|---|---|
| 魔法瓶 | |||
| 普通の水筒 | |||
| ペットボトル |
グラフにすると保冷力が一目でわかる
結果は折れ線グラフにするのがおすすめです。
- 横軸：経過時間
- 縦軸：水温
として、それぞれの容器の温度を線でつなぎます。
温度の上がり方が緩やかなものほど、今回の条件では冷たさを保てていたことがわかります。
外気温も測っておくとさらに面白い
可能なら、実験している場所の気温も記録しましょう。
| 時間 | 気温 |
|---|---|
| 開始時 | |
| 1時間後 | |
| 2時間後 | |
| 3時間後 | |
| 4時間後 |
すると、
「外はこんなに暑くなったのに、魔法瓶の中はあまり温度が上がらなかった」
など、周囲の温度と水温の関係も考察できます。
暑い場所で実験した方がいい？
温度差を観察するために、ある程度暖かい場所で実験する方法はあります。
ただし、炎天下の車内など危険な高温になる場所へ子どもが入って実験するのは避けましょう。
屋外で行う場合も、測定する人は日陰で休憩し、水分をとりながら行ってください。
自由研究のために熱中症になる必要はありません。
直射日光に当てる場合は条件をそろえる
ひとつだけ日なた、ほかは日陰では公平に比較できません。
すべて同じ場所に並べて、
- 日なたなら全部日なた
- 日陰なら全部日陰
にします。
また、容器の色や表面の素材も熱の受け方に影響する可能性があります。
その違いも含めて観察してみましょう。
測るたびにふたを開けると結果に影響する？
温度を測るためにふたを開けると、外の空気が容器の中へ入ります。
そのため、測定そのものが温度へ少し影響する可能性があります。
すべての容器で、
できるだけ同じ時間だけふたを開け、測ったらすぐ閉める
ようにしましょう。
氷は入れた方がいい？
基本実験では、氷を入れずに同じ温度の冷水だけで比較するとわかりやすくなります。
氷が残っている間は、水温が0℃付近に保たれやすくなるため、容器そのものの違いだけを比べにくくなる場合があるからです。
まず冷水だけで実験し、そのあと、
「氷を入れたら何時間冷たさが続く？」
を別の実験として行うのがおすすめです。
追加実験｜氷あり・なしを比べよう
同じ水筒を2本用意できる場合は、
- A：冷水だけ
- B：冷水＋氷
で比較できます。
水と氷の量を記録し、1時間ごとに温度を測ってみましょう。
すると、
「氷を入れることで、冷たい時間はどのくらい延びる？」
という発展研究になります。
追加実験｜日なたと日陰で比べる
同じ種類の容器を2本用意できるなら、
- A：日陰
- B：日なた
に置いて温度変化を比べる方法もあります。
今度は容器ではなく、置く場所だけを変える実験です。
追加実験｜水筒カバーは意味がある？
水筒カバーを持っている場合は、
- カバーあり
- カバーなし
で比較してみても面白いでしょう。
ただし、同じ水筒を2本用意するなど、ほかの条件をそろえる必要があります。
追加実験｜水の量を変えたらどうなる？
同じ水筒を使って、
- 少量
- 半分程度
- 満水に近い量
など、水の量を変えて温度変化を比べる方法もあります。
今度は、
「水筒にたくさん入れた方が冷たさは長持ちする？」
という別の研究になります。
ペットボトルにタオルを巻いたらどうなる？
ペットボトルへタオルなどを巻いて、
- 何も巻かないペットボトル
- タオルを巻いたペットボトル
を比較する方法もあります。
身近なものを使って、
「断熱すると温度の上がり方は変わる？」
を調べることができます。
結果が予想と違ったら？
例えば、予想より普通の水筒の温度が上がらなかったとしても失敗ではありません。
考えられる理由として、
- 実験時間が短かった
- 気温があまり高くなかった
- 容器の容量が違った
- 普通の水筒にも断熱性があった
- スタート温度に差があった
などがあります。
「なぜ予想と違ったのか」を考えるところまでが自由研究です。
「魔法瓶が一番だった」で終わらせない
例えば結果が、
- 魔法瓶：＋2℃
- 普通の水筒：＋7℃
- ペットボトル：＋14℃
だったとします。
その場合、
「魔法瓶が一番冷たかった」
だけでなく、
「6時間後の温度上昇は魔法瓶が最も小さく、ペットボトルとの差は12℃だった」
と数字を使って書くと、説得力のある結果になります。
生活につなげて考えてみよう
実験結果から、
- 学校へ持っていくならどの容器が向いている？
- 短時間のお出かけならペットボトルでもいい？
- 真夏に長時間外へいるなら？
- 水筒を日なたに置かない方がいい？
など、実際の生活につなげて考えてみましょう。
自由研究が単なる実験ではなく、夏の水分補給について考えるきっかけにもなります。
次は「入れ物そのもの」を大きくしてみよう
水筒で保冷力に違いがあるなら、
保冷バッグやクーラーボックスではどうでしょうか？
水筒と同じように、一定時間ごとの温度を測れば比較できます。
水筒から保冷バッグ、クーラーボックスへと実験を広げれば、夏の「冷たさを守る仕組み」をまとめて研究できます。
何年生におすすめ？
小学1～2年生
大人と一緒に開始時と数時間後の温度を測り、「どれが一番冷たかった？」を写真や絵でまとめましょう。
小学3～4年生
1時間ごとに温度を測り、表や折れ線グラフにするのがおすすめです。
小学5～6年生
熱の移動や真空断熱の仕組みを調べ、外気温や温度上昇量まで記録すると本格的な研究になります。
自由研究のまとめ方
- 疑問：水筒の種類で保冷力は変わる？
- 予想：どの容器が一番冷たさを保つと思うか書く
- 調査：熱の移動や魔法瓶の仕組みを調べる
- 実験：同じ温度・同じ量の水を容器へ入れる
- 測定：1時間ごとに温度を測る
- 結果：温度を表にまとめる
- 計算：開始時から何℃上がったか求める
- グラフ：時間と水温を折れ線グラフにする
- 考察：容器の構造と温度変化の関係を考える
- 発展：氷、日なた・日陰、保冷バッグなどを比較する
写真・温度表・グラフを印刷してまとめよう
今回の自由研究では、
- 比較した容器の写真
- 実験開始時
- 温度を測っているところ
- 時間ごとの温度表
- 折れ線グラフ
- 実験終了時の写真
を組み合わせると、実験の流れが伝わりやすくなります。
写真や比較表、グラフを自宅で何枚も印刷すると、プリンターのインクを多く使うことがあります。
印刷枚数が増えそうなら、純正品だけでなく互換インクを比較してみるのもひとつの方法です。
▶ 自由研究の写真・温度表の印刷に使える互換インクをチェックしてみる
まとめ｜水筒の保冷力は「温度の上がり方」で比べられる
冷たい水を同じ場所へ置いても、入れる容器によって温度の上がり方が違うことがあります。
特に真空断熱構造の水筒は、外から中へ熱が伝わるのを抑える工夫がされています。
今回の自由研究では、
同じ温度・同じ量の水を入れ、時間ごとの温度を測る
ことで、その違いを数字として比較できます。
さらに、氷の有無や置く場所、水筒カバーなどへ条件を広げれば、研究をどんどん発展させることもできます。
毎日何気なく使っている水筒も、
「どうして冷たいままなの？」
と考えてみると、熱の伝わり方を調べる立派な自由研究になります。
よくある質問
水筒の保冷力はどうやって比べればいいですか？
同じ温度・同じ量の冷水をそれぞれの容器へ入れ、同じ場所に置いて一定時間ごとに水温を測ります。開始時からの温度上昇が小さいものほど、今回の条件では冷たさを保てたと比較できます。
氷は入れた方がいいですか？
容器そのものの違いを比較する基本実験では、まず同じ温度の冷水だけで行うと結果を比較しやすくなります。氷あり・なしは別の発展実験にするとよいでしょう。
何時間くらい測ればいいですか？
4～6時間程度でも違いを観察できます。学校へ水筒を持っていく時間を想定して、朝から夕方まで長時間測る研究にしても構いません。
ペットボトルでも比較できますか？
できます。真空断熱水筒などとペットボトルを比較すると、容器の構造による温度変化の違いを観察しやすくなります。
暑い車の中に置いて実験してもいいですか？
高温になった車内へ人が入るのは危険です。自由研究では安全に測定できる場所を選び、屋外の場合も熱中症に注意して行ってください。
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