熱力学
分子運動论沙盒
気体を加熱し、分子が加速する様子（v_rms）を観察してください。
分子運動论沙盒 — インタラクティブな熱力学シミュレーション。気体を加熱し、分子が加速する様子（v_rms）を観察してください。 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。
分子運動論
気体を加熱し、分子が加速する様子 (v_rms) を観察してください。
分子運動論は温度を分子の平均運動エネルギーに結びつけます：½m⟨v²⟩ = (3/2)kT。加熱はエネルギーを加え、それがより速いランダム運動として現れます。二乗平均平方根速度 v_rms は理想気体の圧力関係式に入る量で、なぜ熱い気体が同じ体積でより高い圧力を及ぼすかを説明します。
- KE_avg = (3/2)kT
- v_rms ∝ √T
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
温度は平均的な分子運動の尺度です。気体の絶対温度を2倍にすると、典型的な分子速度も2倍になるでしょうか？
検討する予測
- 温度と速度は正比例するため、分子速度も2倍になります。
- 速度は温度の平方根に依存するため、分子速度は2ではなく √2 倍になります。
- 分子速度は温度に依存しません。
可変的な役割
設定するもの：
- 温度 T (K)
測定するもの：
- 平均分子 KE (zJ)
- rms 速度 v_rms (m/s)
実験の進め方
- kinetic-sandbox プリセットを開いて Reset を押します。容器にはアルゴン（M = 0.039948 kg/mol）が入っています。
- rms 速度と平均運動エネルギーの読み出しを有効にします。
- 各試行で気体温度を設定し、rms 分子速度を記録します。
支配方程式
分子の rms 速度 — v_rms = √(3·R·T / M)
気体分子の二乗平均平方根速度は温度とモル質量に依存し、v_rms = √(3RT/M) です。軽く高温の気体ほど分子は速く動きます。
平均分子運動エネルギー — KE_avg = 3/2·kB·T
同じ温度では質量に関係なく、理想気体分子の平均並進運動エネルギーは KE_avg = (3/2)k_BT です。温度はこの平均運動の尺度です。
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 R = 8.314 J/(mol·K)、M = 0.039948 kg/mol を用いて v_rms = √(3RT/M) を計算し、表と比較します。
- v_rms が温度に正比例せず、その平方根に比例して増加する理由を説明します。
実験以外での活用
- 同じ温度の2種類の気体は同じ平均運動エネルギーを持ちますが、軽い気体（小さい M）の v_rms は大きくなります。KE_avg = ½M·v_rms² と、KE_avg が T のみに依存する事実を用いて説明します。
- ヘリウム（M ≈ 0.004 kg/mol）は、空気だけで風船がしぼむよりはるかに速く漏れます。v_rms の式を使い、軽い分子が微小な孔から速く逃げる理由を説明します。
- AP Physics 2 — Unit 9: Thermodynamics
- IB Physics — B.3 Gas laws
- General High School Physics — Heat, temperature & gas laws
- NGSS High School Physics — Thermal energy transfer
- 分子運動論サンドボックスへようこそ
- チャンバーを選択
- 再生
- 温度が高いほど分子は速い
- 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。