熱力学
导熱棒
熱は Q/t = kAΔT/L の割合で棒を流れます。
导熱棒 — インタラクティブな熱力学シミュレーション。熱は Q/t = kAΔT/L の割合で棒を流れます。 ブラウザで使える無料の仮想物理実験室。SI 単位のライブ測定とガイド付きチュートリアルを備えています。
熱伝導
棒を通る熱流は Q/t = kAΔT/L です。
フーリエの伝導法則によれば、温度勾配が大きいほど、断面積が大きいほど、または材料の熱伝導率kが高いほど熱が速く流れます。棒の形状は、定常状態の熱流が両端の温度から読み取りやすいように選ばれています。
- Q/t = kAΔT/L
- フーリエの法則
捜査概要
ラボを開く前に質問を計画する
このブリーフは事前レンダリングされたページを反映しています。探究の問い、競合する予測、変数の役割、支配する法則、設定、分析と発展の問いを、この順序で表示します。
運転に関する質問
銅の棒が高温の物体と低温の物体をつないでいる。より太い棒（断面積が大きい）を使うと、熱は速く流れるか遅く流れるか？
検討する予測
- 太い棒は熱を速く伝える — 面積が大きいほど熱の通り道が広くなる。
- 太い棒は熱をゆっくり伝える。
- 棒の太さは熱伝導率に影響しない。
可変的な役割
設定するもの：
- 断面積 A (m²)
測定するもの：
- 熱流率 Q̇ (W)
実験の進め方
- conduction-bar プリセットを開き、「リセット」を押す。銅の棒（k = 401 W/(m·K)、長さ 0.1 m）が 450 K の物体と 300 K の物体をつなぐ。
- 導体の熱流率表示を有効にする。
- 各試行の棒の断面積を設定し、熱流率を記録する。
支配方程式
熱伝導のフーリエの法則 — Q/t = k·A·ΔT / L
材料を通る熱の流率は、熱伝導率、断面積、温度差、長さで決まる：Q̇ = kAΔT/L。面積または温度差が大きいほど熱伝導は速くなり、経路が長いほど遅くなる。
印刷用ワークシートで生徒が求めるもの
- 1回の試行について、k = 401 W/(m·K)、ΔT = 150 K、L = 0.1 m を用いて Q̇ = kAΔT/L を計算する。表と比較する。
- 温度差と長さを一定にしたとき、棒の断面積を2倍にすると熱流率も2倍になる理由をフーリエの法則を用いて説明する。
実験以外での活用
- 熱伝導率が低い材料（ガラスなど、k ≈ 0.8 W/(m·K)）は、同じ面積と長さなら銅（k = 401 W/(m·K)）よりはるかにゆっくり熱を伝える。住宅の断熱材が低 k の材料を使う理由を説明する。
- この実験では面積を変えるが、式には分母の長さ L も含まれる。棒の長さを2倍にすると、熱流率は2倍になるか半分になるか？経路が長いほど熱の流れに抵抗する理由を説明する。
- AP Physics 2 — Unit 9: Thermodynamics
- IB Physics — B.1 Thermal energy transfers
- General High School Physics — Heat, temperature & gas laws
- NGSS High School Physics — Thermal energy transfer
- Middle School Physical Science — Controlling heat transfer
- Middle School Physical Science — Energy transfer between materials
- 熱伝導へようこそ
- 伝導体を選択
- 再生
- 棒を通る熱
- インスペクターを開く
- 完了です！
インタラクティブなシミュレーションを開いてシーンを構築し、再生ボタンを押し、リアルタイム測定とガイド付きチュートリアルで探索しましょう。