部活や塾、友だちとの予定などで忙しい中学生の夏休み。もちろん宿題もたくさん出ますし、そのなかでも夏休みの自由研究テーマをどうしようか悩んでいる学生も多いのではないでしょうか? せっかくやるなら楽しみつつ、成績アップにつながって理科の知識も深まるような自由研究にしたいですよね。そこで、理科実験教室「サイエンス・ラボ」代表の倉橋修さんに、中学生の自由研究にぴったりな面白い実験や観察テーマを教えていただきました。「果実は葉からできている!?」と位置エネルギーや運動エネルギーの理解を深める「ヘロンの噴水を高く飛ばすには?」を動画付きでご紹介します。40年以上にわたって多くの学生を指導してきた理科の達人・倉橋先生が、わかりやすい動画とともに詳しく解説してくださったので、自由研究のテーマ決めに悩んでいたり、理科に苦手意識があったりする中学生の皆さんは必見ですよ!
サイエンス・ラボ 代表
名古屋市で小学生を対象とした実験教室サイエンス・ラボを主宰。
慶応義塾大学卒。一般企業で勤務した後、約25年間、河合塾で理科を教え、独立。中日新聞「こどもウィークリー」の理科ワンダーランドを2013年まで執筆。
YouTubeで、理科の実験と授業を融合させた動画を配信中。視聴回数1,100万回、チャンネル登録者52,000名。多くの中学受験生の理科勉強のバイブル動画になっている。現在は、オンラインでも理科教室を開催。理科の全単元を実験動画にし、中学受験の理科勉強を短時間で楽しくできるようにしている。
サイエンス・ラボ：http://science-labo.com/
実験教室「サイエンス・ラボ」代表の倉橋修です。中学生になると、当然ながら勉強の内容はより難しくなりますが、とくに理科は好き・嫌いが顕著に現れます。理科が苦手だと言う学生の多くは、教科書や参考書で勉強するだけで、具体的なイメージができていません。学校の授業はどうしても机上の学習が中心になりがちですが、理科を学ぶうえで重要なのは、実物を見て、触って、原理や法則を理解することです。夏休みの自由研究は、自分の力で実験や観察をする絶好の機会! 中学生にオススメの自由研究テーマ「果実は葉からできている!?」と「ヘロンの噴水を高く飛ばすには?」を紹介しますので、ぜひチャレンジしてみてください。
目次
１．【中学生向け】夏休みの自由研究にもなる面白い理科実験①果実は葉からできている!?
２．【中学生向け】夏休みの自由研究にもなる面白い理科実験②ヘロンの噴水を高く飛ばすには?
３．夏休みの自由研究テーマにもオススメ! 面白い理科実験 まとめ
【中学生向け】夏休みの自由研究にもなる面白い理科実験①果実は葉からできている!?
私たちが何気なく食べている野菜や果物は、どのようにしてできたのか知っていますか? 植物の実を切って観察すると、種の付き方に“ある共通点”が見つかります。以前、某難関中学の入試で「ピーマンを切りました。どのように種が付いているか図で書きなさい」と出題されたことがあって、私の生徒の親御さんたちから「すべての実を覚えてないといけないの?」と数多くの問い合わせをもらったことがありました。そこで調べてみたところ、とても興味深いことがわかったので紹介したいと思います。
私たちが食べている野菜や果物のほとんどは、花からできています。めしべの膨らんでいる部分「子房」が成長して実となり、実を割ってみると中に種子があることは、中学1年生の「花と果実のつくり」の単元で学びますね。でも、今回のテーマは「果実は葉からできている!?」、いったいどういうことなのでしょうか? 紐解いてみましょう。今からおこなう観察は中学校の授業では詳しく習わないのですが、とても面白いのでぜひ知ってほしい内容です。よく食卓に上がる野菜や果物がたくさん出てきますから、一緒に観察していきましょう。
エンドウ豆からわかる! 植物の進化
まずはエンドウ豆を観察してみましょう。筋を取って開くと、種が交互に付いているのがわかるでしょうか? ここがポイントです。花を咲かせて種子をつくり、果実を付ける植物は、恐竜がいたような大昔からあったわけではありません。昔の植物は茎と葉っぱだけでした。
植物は、地球の環境が変化する過程で種子をつくるようになり、葉の周辺に胚珠（種子のもと）ができました。そして、胚珠を守ろうと葉を閉じたのが、子房の始まりです。なので、子房が成長した果実は大元を辿れば葉っぱだったんですね。上図とエンドウ豆を開いた画像を見比べてみましょう。エンドウ豆は1枚の葉でできていることが、はっきりわかります。
エンドウ豆やモモ、ウメ、サクランボも! 1枚の葉が変化してできた果実
あらためて、エンドウ豆を見てみましょう。エンドウ豆の筋は、葉っぱが合わさった縫合線だとわかります。普段食べているものが、長いときを経て葉っぱから変化したものなんて興味深いですよね。エンドウ豆以外にも、1枚の葉が変化してできた果実は身の回りにたくさんあります。
たとえば、モモやウメ、サクランボも一枚の葉が変化したものです。果実の割れ目のような部分は、元々は葉の縫合線だったんですね。続いて、複数の葉っぱが変化して果実になったものを見ていきましょう。
複数枚の葉が変化してできた果実
エンドウ豆の断面図を見てみると、胚珠（種子）を守るために“1枚の葉”が袋状となり、子房に変化したことがわかります。種は上部に付いていますね。しかし、果実のなかには袋がたくさんあるものも存在します。たとえば、レモンやグレープフルーツなどの柑橘類です。まるで果実の中がたくさんの部屋で仕切られているように見えるのは、袋状になった“複数枚の葉”が重なった結果なんですね。
では、複数の葉が変化してできた果実の断面を見ていきましょう。種類によって部屋の数が違いますね。レモンは10部屋程度にわかれているため、元々は10枚程度の葉っぱが胚珠を守るために袋状となり、子房に変化していったことがわかります。トマトは2～5部屋、キウイは部屋がないように見えますが、拡大して観察してみると、たくさんの部屋が集まっていることがわかると思います。種子はもちろん内側にありますね。バナナは突然変異で種子がなくなってしまいましたが、種子の跡は残っていて、手で押し出してみると3つの部屋に分かれます。“種子は縫合線の内側に付いている”という共通点に気付くと、何枚の葉が変化してできた果実でも、種がどこに付いているのか予測できるでしょう。
ちなみに、子房の中で種子が付く位置は「胎座」と呼ばれ、さまざまな形があるんですよ。エンドウ豆は1枚の葉でできていて、フチに種子が付くため「縁辺胎座（えんぺんたいざ）」で、種子の付き方の基本型だと言われています。トマトは中央に種子がついていて、「中軸胎座（ちゅうじくたいざ）」と言います。
【果実は葉からできている!?】自由研究のまとめ方と発展①「側膜胎座」を調べよう
一部例外もありますが、一般的に果実と呼ばれるものは子房が成長したもので、その子房は大元を辿れば葉っぱだった、ということがわかったら、ほかの植物も調べてみましょう。たとえばアブラナ科は、上図左のように2枚の葉が子房に変化したもの、ウリ科の果実は上図右のように3枚の葉っぱが変化したものなんですよ。これらの果実は、葉のへりとへりがつながっているだけで、部屋は完全には区切られていません。そのため、胚珠（種子）は子房の壁に付きます。このタイプの胎座型を「側膜胎座（そくまくたいざ）」と言います。
自由研究として、側膜胎座の代表であるスイカやきゅうり、かぼちゃなど、ウリ科に属する果実を観察してまとめてみましょう。上図は加賀野菜のひとつ、加賀太きゅうりです。破線のように隔膜ができることがあるのでわかりにくいのですが、3枚の葉からできていることが見て取れます。
いろいろなウリ科の果実の断面を観察して、どこが葉の痕跡なのかを調べてまとめると面白いですし、植物の仕組みがより深く理解できるはずです。ぜひ夏休みの自由研究として、挑戦してみてください。
【果実は葉からできている!?】自由研究のまとめ方と発展②ピーマンの不思議
発展題材のひとつとして、某難関中学の入試に出たピーマンの問題についても考えてみましょう。ピーマンの種子を中央に書くと正解です。この問題は、ピーマンのヘタ側（図①）の断面、その種子の位置を問うたものでした。ここがポイントで、ピーマンの部屋は3～4つに分かれていることがほとんどですが、図②のように実の下のほうは部屋がひとつになっています。これは、ピーマンが中軸胎座と側膜胎座の合成の実だからです。なぜピーマンは2つの胎座が合成されたのか? 自分なりの答えを考えてみるのも面白い自由研究テーマになると思います。
また、今回紹介した「縁辺胎座」や「中軸胎座」、「側膜胎座」以外にもいろいろな胎座型があるので、調べてみると普段気付かない発見があるかもしれません。ちなみに、イチゴやりんごなどは、子房以外を果肉として食べています。私たちが食べている部分は、正確には“果実”ではないんですね。では、どこを食べているのでしょうか? このように、いろいろな果物や野菜を調べてみると、不思議に思うことが次々と出てきます。観察して調べ、まとめることで面白い夏休みの自由研究になるでしょう。
【果実は葉からできている】自由研究のまとめ方と発展③みかんやバナナの白い筋は葉脈!?
縫合線や種の付き方以外でも、果実が元々は葉だったことがわかります。たとえば、みかん。みかんの皮をむくと、白い筋がありますよね。よく観察すると、白い筋は葉脈に見えませんか? おそらく双子葉の特徴的な葉脈「網状脈」ではないかと考えられます。では、バナナはどうでしょう? バナナの皮をよく見ると、単子葉の葉脈「平行脈」のような部分があります。別の視点からでも、果実は葉が変化してできたものだと予想できるわけです。
気付いたことはスケッチしたり写真を撮ったりして、自分なりに整理しましょう。果実のいろいろな部分を観察するとたくさんの発見があるはずです。何気なく食べている野菜や果物の果実を多様な角度から観察してまとめると、大きな学びのある夏休みの自由研究になると思いますよ!
ここまでの内容は、サイエンス・ラボのホームページ内に公開している授業動画「タネは、実の中でどのようについているか？子房がどのようにできたのか？」でも解説しているので、ぜひチェックしてみてください。
【中学生向け】夏休みの自由研究にもなる面白い理科実験②ヘロンの噴水を高く飛ばすには?
中学生にオススメな自由研究テーマとして、「ヘロンの噴水」も紹介します。水を注いだ場所より高い位置で、水が噴き出す不思議な装置で、古代アレクサンドリアの学者「ヘロン」によって、2000年以上前に発明されました。有名な装置ですし、理科の教科書に載っていることもあるので、名前は聞いたことがあるかもしれません。歴史に名を残す装置を手づくりするのは良い経験になると思います。ペットボトルなど身近なものを使ってつくれますし、一から製作することによって工作力も身に付けられることでしょう。
自然のエネルギーによって稼働するヘロンの噴水の仕組みは、中学3年生の理科で学ぶ「位置エネルギーと運動エネルギー」に関係があります。この単元は計算問題が多く、苦手とする学生が少なくありません。しかし、実際に位置エネルギーと運動エネルギーが作用している噴水をつくって、自分の目で見てイメージできれば、きっと理解が深まるはずですよ。
「ヘロンの噴水」の原理〜位置エネルギーと運動エネルギー〜
ヘロンの噴水をつくる前に、仕組みについて説明しましょう。まずは装置内での水や空気の流れを上図で確認してください。実験は、容器Bに水が入っている状態で、容器Aに水を入れてスタートします。水は管Pを通って容器Cに入り、容器Cの中の空気が容器Bへ。そして、容器B内の空気が増えて水面を押すと、水は管Rを通って噴水になります。
高いところにあるものが落ちると、下にあるものに衝撃を与えますよね。これは高い位置にある物体がもつ位置エネルギーによる現象です。ヘロンの噴水もこの原理から成るもので、容器Aに入れた水が上から下へと移動するときに発生した位置エネルギーが水や空気を押し出し、その位置エネルギーは押し出された水が噴出されるときの運動エネルギーへと変わります。装置の構造と理屈がなんとなくわかったら、さっそくヘロンの噴水を手づくりしてみましょう。実物をつくって実験すれば、もっと理解が深まるはずです。
【ヘロンの噴水を高く飛ばすには】用意するもの
●用意するもの
・ペットボトル 3本
・ビニールの管
・プラスチック容器
・食品保存容器、発泡スチロールなど
・ストロー
・目打ち
・ハサミ
・カッター
・ビニールテープ
・セロハンテープ
・コーキング材（またはグルーガンなど）
主な材料はペットボトルです。くっつけて使いますから、同じ容量かつ同じ形状のものを3つ用意しましょう。今回は500ミリリットルのペットボトルを使用しましたが、大きさは問わないので好きなサイズでつくってOK。ビニールの管の直径も自由です。私は直径6ミリのものを使いました。噴水部分になるプラスチック容器は、果物が入っていた容器や大きいペットボトルを切ったものなどが良いでしょう。ペットボトルだけでは本体が不安定になるため、食品保存容器と発泡スチロールは土台として用意しました。素材はあくまで例なので、ヘロンの噴水のつくり方動画を参考にしながら、自分で土台となる材料を探しても良いと思います。
コーキング材とは、隙間を埋めるために使用する接着剤のようなものです。ペットボトルとビニール管の間に水や空気を通さないよう、接着するために使用します。私が使っているのは「バスボンドＱ」という水回り用の補修材で、コンパクトサイズなので工作向きですよ。接着はグルーガンなどでできないこともありませんが、容器と管をしっかり密閉する必要があるのでコーキング材がオススメです。コーキング材はネットで購入できるほか、ホームセンターや100円ショップでも取り扱っています。
【ヘロンの噴水を高く飛ばすには】つくり方のポイントと注意点
必要なものを揃えたら、ヘロンの噴水を手づくりしましょう。つくり方動画を用意したので、参考にしながら挑戦してください。製作するうえでのポイントや注意点なども解説します。
●【ヘロンの噴水】つくり方のポイント①装置を安定させる工夫
ヘロンの噴水は、最後に1番下のペットボトルに水が溜まります。実験の後はそこから水を排出するため、ペットボトルの飲み口を外側に出しておく必要があるのですが、このままだと装置を立てたときに安定しません。そこで、ペットボトルのキャップの高さに合わせ、カットした発泡スチロールを貼り付けて固定しました。
●【ヘロンの噴水】つくり方のポイント②噴水口の先を細くする
つくり方動画では、噴水が飛び出すところはガラスの先を細くしたものをつけていますが、ストローでも代用可能です。ストローにつまようじを入れてからストローをつぶし、セロハンテープで巻き、つまようじを抜けば小さな穴になります。噴水口を狭くするのがポイントです。
●【ヘロンの噴水】つくり方のポイント③管を通す穴の位置に気を付ける
ビニールの管を通す穴は、それぞれつながる部分が極端にずれないよう注意しましょう。きっちり直線上でなくても大丈夫ですが、離れていると管の長さが足りなくなったり、接着しにくくなったりするので、パーツを固定する前にしっかりと確認してくださいね。
●【ヘロンの噴水】つくり方のポイント④コーキング剤を塗るときの注意点
ペットボトルと噴水部分の容器を接着するときに気を付けてほしいのが、コーキング材を塗る範囲です。ペットボトルの上のほう（キャップを閉める部分）にまで塗ってしまうとキャップが閉まらなくなるので要注意。コーキング材はすぐには固まらないので、はみ出してしまったときはヘラや厚紙などで調整すればOKです。ちなみに、コーキング材は4時間ほどで乾きますが、1日置いておくとしっかりと固まりますよ。
実際にヘロンの噴水をつくってみたら、水が噴き出すかを確認しましょう。問題なく作動したら完成です! ヘロンの噴水の原理をまとめ、手づくりしたものと一緒に提出すれば、それだけでも夏休みの自由研究として成り立つのですが、せっかくですから次のステップにもチャレンジしてみましょう。たとえば、水の高さは何によって決まるのでしょうか? ヘロンの噴水を改造し、いろいろと条件を変えて検証してみてください。
【ヘロンの噴水を高く飛ばすには?】自由研究のまとめ方と発展①水が落ちる高さを変えよう
水が噴き出すエネルギーのもとは、最初の水が落ちるときの位置エネルギーです。ということは、水が落ちる高さを変えると噴水の勢いも変わるのでしょうか。後で紹介する検証動画では三角フラスコとゴム栓の装置を使いましたが、ペットボトルでつくったヘロンの噴水でも改造して高さを変えれば同様の条件で実験できます。どんな結果になるでしょうか?
【ヘロンの噴水を高く飛ばすには?】自由研究のまとめ方と発展②噴水の管の太さを変えよう
水が噴き出す部分のストローの太さを変える実験もしてみましょう。先端だけ細くしたAのストロー、太さが均一なBのストロー、Bより細いけど太さは均一のCのストローを用意しました。水が押し出されるエネルギーは、ストローの太さや形状と関係あるのでしょうか? こちらも試して、結果と自分の考えをまとめてみましょう。
【ヘロンの噴水を高く飛ばすには?】自由研究のまとめ方と発展③最後に水が高く飛ぶのはなぜ?
真ん中の容器の水がなくなるとヘロンの噴水は止まるのですが、水を出し切る瞬間を観察してみてください。最後にピュッと高く飛んだのではないでしょうか? この現象についてはあまり言及されているのを見かけませんが、空気鉄砲と同じ原理だと私は考えています。水は圧縮できないけれど、空気を圧縮できることは小学4年生の理科「閉じ込められた空気や水」で学びましたよね。空気鉄砲はその性質を利用して、圧縮された空気が再び元の体積に戻る力によって、弾が押し出される仕組みです。おそらくヘロンの噴水の最後も、管に入って圧縮されていた空気が元に戻ることで、勢い良く水が飛び出すのだと思いますね。このことを調べ、自分なりの答えを出してみるのも面白いのではないでしょうか。
【ヘロンの噴水を高く飛ばすには?】検証動画
ヘロンの噴水について、①水が落ちる高さを変えよう、②噴水の管の太さを変えよう、③最後に水が高く飛ぶのはなぜ? の検証結果と解説は、上記の動画で紹介しています。でも、せっかくの夏休みの自由研究なので、ぜひ自分でつくったヘロンの噴水で実験してみてください。自分で検証したうえで動画の解説を見れば、もっと位置エネルギーと運動エネルギーなどの理解が深まるはずですよ。
夏休みの自由研究テーマにもオススメ! 面白い理科実験 まとめ
中学生向けの自由研究テーマとして、理科の学習に役立つ「果実は葉からできている!?」と「ヘロンの噴水を高く飛ばすには?」を紹介しました。どちらも実践してみると本当に興味深くて、今まで教科書だけではわからなかったことも「なるほど!」と納得できるのではないかと思います。自分の目で見て、手を動かすことは、理科を学ぶうえでとても重要です。ときには、どこかでミスをしてセオリー通りにいかないこともありますが、失敗の原因を自分で考えて解決できれば、よりいっそう理解は深まるでしょう。夏休みの自由研究をきっかけに、興味・関心を持つものがあったら実物を見て、自分で実践して、理解を深めてくださいね。理科は単に用語や公式を覚えるだけの勉強では、あんまり面白くありません。ワクワクしたり好奇心をかきたてられたり達成感が得られたりなどの経験を通して、理科が好きになっていくのだと思います。
倉橋先生オススメ! 中学生向けの理科実験3選
【中学生向け】理科教育のプロが教える!夏休みの自由研究テーマ例&オススメ実験3選
高校受験合格の鍵・内申点をアップさせる方法とは?
高校受験の最新情報と対策・親がやるべきサポートとは?受験指導専門家が解説
“親子ルール”が子どもを守る! 中高生のSNSトラブル・ネット犯罪対策
ITジャーナリストが解説 中学生と高校生のSNSトラブル・ネット犯罪事例と対策
新築一戸建て注文住宅購入者へのインタビュー
