JP2010145461A - 燃焼の二酸化炭素放出と植物光合成による二酸化炭素吸収の実験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】密閉された空間内にろうそくと植物とを収納し、燃焼から光合成まで連続した実験を実施することで、ＣＯ_２濃度の増減を感覚的に実感でき、また、コンパクトな実験器具を用いることで、装置を容易に運搬することにより、場所を選ばずどこでも興味が持てるインパクトのある実験を実施する。
【解決手段】ろうそく２と植物３とを収納する密閉容器４と、二酸化炭素を測定するＣＯ_２濃度測定器５と、植物３に光を照射する複数の光源６と、内部を攪拌すると共に、ろうそく２を消灯するために、風量調節機能を有するろうそく用ファン１０と、二酸化炭素濃度を均一に攪拌するために設けた植物用ファン１２とを密閉容器４内に備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃焼による二酸化炭素の放出と、植物の光合成作用による二酸化炭素の吸収を検証する実験装置に係り、特にコンパクトな装置で環境問題に関する演示実験を実施することができる燃焼の二酸化炭素放出と植物光合成による二酸化炭素吸収の実験装置に関する。

最近、地球温暖化問題に対する意識が高くなりつつある。例えば、地球環境に関する学習内容は、「地球温暖化の進行」、「大気中のＣＯ_２濃度の上昇」、「化石燃料の燃焼に起因」という事項が中心である。その後、「物が燃えるとＣＯ_２が放出される」、「植物は光合成によりＣＯ_２を吸収する」ことを実験により確認することに意義がある。環境問題の学習内容にとっては二酸化炭素の放出と吸収は、温暖化問題を理解するために必須な課題と考える。

そこで、効率的な学習を進めるために、小学生等にも理解しやすい形で実験を提示する必要がある。気体のＣＯ_２は無色であり、実験用ガスのＣＯ_２スプレー缶は、缶を振っても中で物が動く訳でもなく、ＣＯ_２の重さも実感できなかった。このため、ＣＯ_２濃度計を用いて数値データを目で見て確認し、ＣＯ_２の存在を実感することに意義がある。しかし、環境問題に関する演示実験装置はあまり提案されていなかった。小学生等にリアルタイムに実験の変化が認識できるものが好ましいが、ビジュアルに訴えるものが少ないのが現状であった。燃焼による二酸化炭素の放出と、植物による光合成採用による二酸化炭素の吸収については、理論の指導は行われるが、実験で検証することは少なかった。

また、地球の大気中のＣＯ_２濃度は、０．０３〜０．０４％と微量である。測定する場面では測定者の呼気なども影響して、空気中のＣＯ_２濃度は均一ではない。そこで、ＣＯ_２濃度計を用いて正確に測定することは難しかった。

これまでの実験におけるＢＴＢ溶液を使った測定、検知管による二酸化炭素濃度の測定実験では、リアルタイムでの変化がわかりづらく、ビジュアルに訴えるものではなかった。例えば、ろうそくの燃焼による実験および光合成の実験については、以下のような技術が提案されている。

ろうそくの燃焼による実験及び光合成の実験に関する技術としては、例えば特許文献１の特開平６−３５３９９号公報「光合成・呼吸作用実験装置及び方法」のように、透明な密閉容器とろうそく挿入用の穴を有する容器の蓋と、この容器内に植物を配列固定する植物固定具と、容器内の温度上昇を防止するための水をいれる小容器及び容器内にろうそくを挿入するための穴を密閉することのできる、ろうそく固定具からなる実験装置が提案されている。
特開平６−３５３９９号公報

また、特許文献２の特開２００７−７９３２０公報「植物の二酸化炭素吸収実験装置」のように、簡単な操作で、植物の光合成の作用を正確に且つ分かり易く把握させることに寄与するために、植物の少なくとも一部が収納される密閉空間と、この密閉空間内の環境を変える環境変化手段と、前記密閉空間内の二酸化炭素の濃度を検出する二酸化炭素濃度センサと、この二酸化炭素濃度センサの検出値に基づくデータを表示する表示手段とを備えた実験装置が提案されている。
特開２００７−７９３２０公報

特許文献１の「光合成・呼吸作用実験装置及び方法」では、実験装置内の密閉性を向上させるために、ゴム栓を使っている。しかし、実験の途中で栓をはずす必要があり完全な密閉状態での実験がではなかった。光合成作用による酸素の放出量については、ろうそくの燃焼時間により測定しているが、燃焼するろうそくの芯の長さの差、あるいはろうそくの炎の大きさも違うため、燃焼時間のみでの酸素量の増加を正確に検証できないという問題を有していた。

ろうそくによるＣＯ_２の増減については、ＣＯ_２濃度が変化するまでに時間がかかり、ＣＯ_２濃度計が測定データを表示するまでの時間差もあった。そのために、測定精度には制約がある。データは「０．０１％単位」で表示されるが、必ずしもその時点の正確なデータとはいい難かった。測定の誤差・時間差を意識しつつデータを読むことが大切であるが、ＣＯ_２濃度の増減を実感しづらいものであった。

また、特許文献２の「植物の二酸化炭素吸収実験装置」では、実験装置が大掛かりになり、その運搬が困難であった。このような大掛かりな実験装置は、簡単に運んで実験できるものではなかった。例えば、小学校や所定の場所へ装置を運搬して実験を実施する、いわゆる出張実験ができないという欠点があった。さらに、特許文献２の実験装置は、燃焼による二酸化炭素の放出を測定することについて想定されていなかった。

本発明は、かかる問題点を解決するために創案されたものである。すなわち、本発明の目的は、密閉された空間内にろうそくと植物とを収納し、燃焼から光合成まで連続した実験を実施することで、ＣＯ_２濃度の増減を感覚的に実感でき、また、コンパクトな実験器具を用いることで、装置を容易に運搬することにより、場所を選ばずどこでも興味が持てるインパクトのある実験を実施できる燃焼の二酸化炭素放出と植物光合成による二酸化炭素吸収の実験装置を提供することにある。

本発明によれば、燃焼による二酸化炭素の放出と、植物（３）の光合成作用による二酸化炭素の吸収を検証する実験装置（１）であって、二酸化炭素を排出するろうそく（２）及び植物（３）を収納する密閉容器（４）と、二酸化炭素の濃度の推移を測定するＣＯ_２濃度測定器（５）と、前記植物（３）に光を照射すると共に、その照射光が均等に当たるように該植物（３）の周囲に設けた複数の光源（６）と、二酸化炭素濃度が均一になるように攪拌すると共に、前記ろうそく（２）を消灯するために設けた風量調節機能を有するろうそく用ファン（１０）と、二酸化炭素濃度が均一になるように攪拌するために設けた植物用ファン（１２）とを、前記密閉容器（４）内に備えた、ことを特徴とする燃焼の二酸化炭素放出と植物光合成による二酸化炭素吸収の実験装置が提供される。

例えば、前記植物（３）を収納すると共に、前記光源（６）からの発熱で該植物（３）が熱劣化しないように保護する金網製の保護ボックス（９）を更に備えた。
前記密閉容器（４）内壁面に、前記光源（６）から光を効率的に反射させる反射材（７）を貼付することが好ましい。

前記密閉容器（４）内に、前記植物（３）と前記光源（６）を載せる、隙間を有する台座（８）と、前記台座（８）の下部に、風向きが上方になる植物用ファン（１２）を設けることが好ましい。
前記密閉容器（４）に、密閉度を強化するために、配線の引込み口（１４）を１箇所のみ設けることが好ましい。

本発明の構成の発明では、密閉容器（４）内において、二酸化炭素を排出するろうそく（２）を入れて一定期間燃焼させた後、植物（３）に光源（６）から光を照射して光合成作用で二酸化炭素を吸収させる。即ち、ろうそく（２）の燃焼で二酸化炭素濃度が増加し、植物（３）の光合成作用により二酸化炭素濃度が減少する。このときの二酸化炭素の濃度の推移をＣＯ２濃度測定器（５）で測定してその変化状態をリアルタイムで観察することができる。
特に、この実験装置（１）は、ろうそく（２）と植物（３）を１つの密閉容器（４）内に収納し、ろうそく（２）によって放出されるＣＯ_２は多く、植物（３）によって吸収されるＣＯ_２は少ないことを検証でき、精度の高い実験が可能である。

密閉容器（４）内に攪拌用の２基をファン（１０，１２）を設けているので、二酸化炭素を均一に拡散させることができ、二酸化炭素濃度の推移を正確に測定できる。ろうそく用ファン（１０）は攪拌以外に風力を高め、ろうそく（２）の消火を行なうこともできる。そこで、密閉容器（４）を開閉する必要がないので、燃焼実験から光合成実験までの一連の実験を連続して実施でき、外気が密閉容器（４）内に侵入せず、二酸化炭素濃度を正確に測定することができる。

植物（３）を金網製の保護ボックス（９）に収納することにより、光源（６）からの発熱で葉物の野菜又は鉢植え等の植物（３）を熱劣化させることがない。更に、葉物の野菜では立て掛けることにより、光源（６）から光を効率よく照射することができ、その光合成作用を確実に行わせる。

本発明の燃焼の二酸化炭素放出と植物光合成による二酸化炭素吸収の実験装置は、密閉容器内において、二酸化炭素を排出するろうそくを一定期間燃焼させた後、植物に光源から光を照射して光合成作用で二酸化炭素を吸収させ、二酸化炭素濃度の増加と二酸化炭素濃度の減少という二酸化炭素の濃度の推移を観察する装置である。

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して説明する。
図１は本発明の実験装置を示す正断面図である。図２は本発明の実験装置を示す平断面図である。図３は保護ボックスを示す正断面図である。
本発明の実験装置１は、二酸化炭素を排出するろうそく２と、二酸化炭素を光合成作用で吸収する植物３を共に密閉容器４内に収納した実験装置である。更に、この密閉容器４内には、二酸化炭素の濃度の推移を測定するＣＯ_２濃度測定器５と、植物３に光を照射する光源６とを収納している。

実験装置１の密閉容器４は、例えばポリエチレン製の筺体４ａと、この筺体４ａ開口に取り外し自在になる蓋体４ｂとから成る。なお、この密閉容器４は、ポリエチレン製の食品保存用容器を代用することができる。このような食品保存用容器でも、密閉状態を維持でき、本発明の実験装置１として十分に利用できる。密閉容器４内壁面には、光源６が均等となるよう反射材７を貼付した。この反射材７としては、例えば金属製のフィルムがある。この反射材７は、ろうそく２の炎と光源６の発熱で密閉容器４が熱溶融することを防止する機能を併せ持つ。

植物３に光を照射する光源６として、例えば電球型蛍光灯を用いる。なお、この光源６は、電球型蛍光灯限定されず、白熱電球を用いることも勿論可能である。

また、この光源６は、１個ではなく植物３の周囲に複数個設けた。光源６からの照射光を植物３に均等に当て、光合成作用を促進させるためである。図示例では３個の電球型蛍光灯を配置したものを示している。しかし、植物３に十分な光を照射して光合成作用で二酸化炭素を吸収できる構成であれば、この個数に限定されない。

密閉容器４内には、植物３と光源６を載せる台座８を設けた。この台座８は隙間を有するものが好ましい。台座８上に植物３（後述する保護ボックス９）を置くことにより、密閉容器４内の気体を攪拌しやすくなる。また、この台座８は光源６の発熱で密閉容器４が熱溶融することを防止する機能を有する。

二酸化炭素は、密閉容器４内の底部に滞留しやすいという気体上の性質を有する。そこで、気体が密閉容器４全体に分散するように、密閉容器４内の気体を均一に攪拌するために、ろうそく用ファン１０を設けた。このろうそく用ファン１０は、密閉容器４外のコントローラ１１で操作する。このろうそく用ファン１０は、ろうそく２を消灯するときにも利用する。そこで、このろうそく用ファン１０は風量調節機能を有し、この風量調節は上述したコントローラ１０で行うようになっている。

更に、本発明の実験装置１には、二酸化炭素濃度が均一になるように攪拌するために、植物３に当て上方に向けた植物用ファン１２を設けた。これは上述したように、二酸化炭素は密閉容器４内の底部に滞留しやすい性質があるからである。この植物用ファン１２は、密閉容器４内の気体の濃度が場所によって異ならないように，下から上に強制的に攪拌する。この植物用ファン１２も外部のコントローラ１１で行う。

保護ボックス９は、図３に示すように金網製の略直方体形状の箱であり、上部に植物３を入れる開口を有する。この保護ボックス９内に鉢植え又は葉物の野菜等の植物３を収納し、光源６からの発熱で熱劣化しないように保護する。この保護ボックス９は、葉物の野菜では立て掛けることにより、光源６から光を効率よく照射することができ、その光合成作用を促進させる機能を有する。

密閉容器４内に二酸化炭素の濃度の推移を測定するＣＯ_２濃度測定器５を設けている。このＣＯ２濃度測定器５はそのセンサ部５ａで、ろうそく２の燃焼で二酸化炭素濃度の増加と、植物３の光合成作用による二酸化炭素濃度の減少について測定する。また、二酸化炭素濃度以外にも酸素、その他の気体濃度や温度のセンサーを設けることもできる。この測定値は、例えばコントローラ１１に表示する。

密閉容器４内への配線の引込み口１４を１箇所のみ設けた。本発明の実験装置１は、二酸化炭素という気体を扱うため、密閉容器４外への二酸化炭素等の気体の放出は最小限に抑える必要がある。そこで、余計な配線等を必要最小限にし、穴あけ加工の場所にはコーキング処理を確実に行う。

図４は本発明の実験装置を用いた実験に基づく二酸化炭素の放出と吸収を示すグラフである。図５は光合成作用における二酸化炭素の放出と吸収を示す概略説明図である。
上述した本発明の実験装置１を用いた燃焼の二酸化炭素放出と植物光合成による二酸化炭素吸収に関する実験方法について説明する。
実験装置１の密閉容器４内に、図１、２に示すように、ろうそく２と保護ボックス９内に植物３を収納する。次に、表１のように、ろうそく燃焼時間は３０秒、光源６の点灯時間は３５分、植物３は観葉植物と小松菜を用い、通常の光源状態という条件で実験し、ＣＯ_２濃度測定器５で濃度の変化を調べた。

この実験における「二酸化炭素の放出と吸収」については、図４のグラフに示すように、「Ａ点」でろうそく２を消火し、二酸化炭素濃度の安定する５分後に植物３の周りにある蛍光灯の光源６を点灯する。「Ｂ点」の１０分あたりからＣＯ_２濃度は下降を始めている。このグラフにより、ろうそく２の燃焼により二酸化炭素濃度が増加し、植物３に光を照射すると、光合成作用が始まり、二酸化炭素の濃度が減少することが検証できる。

図５は光合成の速度と光の強さとの関係を示すグラフである。図６は光合成の速度と温度との関係を示すグラフである。
光合成速度と光、温度の環境要因については、図５と図６のグラフに示すように、光合成の速度は３０℃でピークになり、４０℃で若干低下している。そこで、密閉容器４内の温度が３０℃から４０℃の範囲に収まるように配慮して実験することが好ましい。

なお、本発明は上述した発明の実施の形態に限定されず、密閉容器４内にろうそく２と植物３とを収納し、燃焼から光合成まで連続した実験を実施することで、ＣＯ_２濃度の増減を感覚的に実感でき、また、コンパクトな実験器具を用いることで、実験装置１を容易に運搬することにより、場所を選ばずどこでも興味が持てるインパクトのある実験を実施できる構成であれば、図示したような構成に限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々変更できることは勿論である。

本発明の燃焼の二酸化炭素放出と植物光合成による二酸化炭素吸収の実験装置は、地球温暖化の原因となるＣＯ₂の発生量がどの程度であるかを通して、地球温暖化、環境問題及び省エネの重要性を理解させることができ、小学校低学年から高学年、中学生、高校生まで広い範囲の教材としても利用することができる。

本発明の実験装置を示す正断面図である。 本発明の実験装置を示す平断面図である。 保護ボックスを示す正断面図である。 本発明の実験装置を用いた実験に基づく二酸化炭素の放出と吸収を示すグラフである。 光合成の速度と光の強さとの関係を示すグラフである。 光合成の速度と温度との関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 実験装置
２ ろうそく
３ 植物
４ 密閉容器
５ ＣＯ２濃度測定器
６ 光源
７ 反射材
８ 台座
９ 保護ボックス
１０ ろうそく用ファン
１１ コントローラ
１２ 植物用ファン
１４ 配線の引込み口

Claims (5)

1. 燃焼による二酸化炭素の放出と、植物（３）の光合成作用による二酸化炭素の吸収を検証する実験装置（１）であって、
   二酸化炭素を排出するろうそく（２）及び植物（３）を収納する密閉容器（４）と、
   二酸化炭素の濃度の推移を測定するＣＯ_２濃度測定器（５）と、
   前記植物（３）に光を照射すると共に、その照射光が均等に当たるように該植物（３）の周囲に設けた複数の光源（６）と、
   二酸化炭素濃度が均一になるように攪拌すると共に、前記ろうそく（２）を消灯するために設けた風量調節機能を有するろうそく用ファン（１０）と、
   二酸化炭素濃度が均一になるように攪拌するために設けた植物用ファン（１２）とを、前記密閉容器（４）内に備えた、ことを特徴とする燃焼の二酸化炭素放出と植物光合成による二酸化炭素吸収の実験装置。
2. 前記植物（３）を収納すると共に、前記光源（６）からの発熱で該植物（３）が熱劣化しないように保護する金網製の保護ボックス（９）を、更に備えた、ことを特徴とする請求項１の燃焼の二酸化炭素放出と植物光合成による二酸化炭素吸収の実験装置。
3. 前記密閉容器（４）内壁面に、前記光源（６）から光を効率的に反射させる反射材（７）を貼付した、ことを特徴とする請求項１の燃焼の二酸化炭素放出と植物光合成による二酸化炭素吸収の実験装置。
4. 前記密閉容器（４）内に、
   前記植物（３）と前記光源（６）を載せる、隙間を有する台座（８）と、
   前記台座（８）の下部に、風向きが上方になる植物用ファン（１２）を設けた、ことを特徴とする請求項１の燃焼の二酸化炭素放出と植物光合成による二酸化炭素吸収の実験装置。
5. 前記密閉容器（４）に、密閉度を強化するために、配線の引込み口（１４）を１箇所のみ設けた、ことを特徴とする請求項１の燃焼の二酸化炭素放出と植物光合成による二酸化炭素吸収の実験装置。

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