「密度」を使って謎の金属の正体を暴け！実験から学ぶ「誤差」と「安全」の極意
サイエンストレーナーの桑子研です。毎日が実験。
みなさんは、目の前にある金属の塊を見て、「これが何の金属でできているか」をどうやって見分けますか？ 見た目だけでは、鉄なのか、アルミニウムなのか、それとも銀なのか、なかなかわかりませんよね。実は、中学1年生の理科で学ぶ「ある実験」を行うと、まるで探偵のようにその金属の正体を暴くことができるのです。今日は、科学の基礎でありながら、奥深い「密度の測定実験」の授業風景と、そこで学ぶ大切な科学の作法についてご紹介します。
物質の「指紋」を探せ！密度の測定
本校の授業では、正体不明の３つの金属（ボルト・バネ状の金属・円錐状の金属）を生徒たちに渡します。 この金属が何でできているのかを突き止める鍵、それが「密度」です。密度とは、物質1㎤あたりの質量のことで、物質ごとに決まった値を持っています。いわば、物質の指紋のようなものです。
おもり・ばね・ネジ とします。
この指紋を照合するために、生徒たちは以下の手順でデータを集めます。電子天秤を使って「質量」を測る。メスシリンダーを使って「体積」を測る。「質量 ÷ 体積」の計算をして、密度を求める。シンプルな手順ですが、ここには科学実験の基本がぎっしりと詰まっているのです。
メスシリンダーは「誤差」との戦い
この実験で最も神経を使うのが、メスシリンダーを使った体積の測定です。 液体の中に金属を沈め、増えた水の量から体積を割り出すのですが、適当にやってはいけません。ここで生徒たちには、「真値（本当の値）」と「測定値（測った値）」、そしてその間に生まれる「誤差」について深く考えてもらいます。
質量については電子天秤で測ります。
また体積については、正確な値を追い求めるため、メスシリンダーの使い方には正確にはかるためのルールがあります。メスシリンダーの使い方については、こちらの動画で詳しくまとめられています。
水平な台の上に置く：斜めになっていると水面が正しく読めません。
目線は液面と同じ高さに：上から見たり下から見たりすると、目盛りがずれて見えてしまいます。
最小目盛りの1/10まで目分量で読む：中学理科のお作法です。実際はできるだけ読めるだけ読むということがポイントです。
なぜ「1/10」まで読むのでしょうか？ 例えば目盛りが「35」と「36」の間にあったとき、「35.5くらいかな？」と読むことで、四捨五入したときにより真の値に近づけることができるからです。これを有効数字といいます。
また、安全面での工夫も欠かせません。 金属のおもりには「釣り糸」をつけています。ガラス製のメスシリンダーの中に金属をそのまま落とすと、ガチャン！と底が抜けて割れてしまう恐れがあります。 「ガラスが割れないように、釣り糸を持ってゆっくりと沈めること」。 これを徹底することで、道具を大切に扱う心構えと、安全への配慮を自然と身につけていきます。
個人のデータが集まり「法則」になる感動
実験が進むと、各班からデータが出てきます。スプレットシートを共有して打ち込んでもらいました。
しかし、一つの班だけのデータでは、「たまたまそうなっただけでは？」という疑いが残りますし、測定には必ず誤差が含まれます。そこで、クラス全員の出番です。 全班の結果を持ち寄り、縦軸に「質量」、横軸に「体積」をとってグラフにプロットしていきます。
ねじのデータですが、どれも同じものを使っていることを考えると、一つだけポツンとした点があっておかしなことに気がつきますね。同様に、
となりました。次にばねのデータがバラついていて良いので、外れ値を除いて直線を引いてみると（この作業はエクセルを使いました）
このようになります。これはアルミなのですが密度は2.7g/cm^3ということからすると、皆の力を使うことで数字がより近い値へと近づいたことがわかります。
この直線の「傾き」こそが、その物質の密度を表しています。 「自分たちの班のデータは少しずれていたけれど、クラス全体で見るとこの線に乗っている！」 この瞬間、生徒たちは「誤差」を超えて、物質が持つ普遍的な性質（＝密度）を視覚的に理解します。
個々の小さな測定が、集まることで大きな真実を描き出す。これこそが科学実験の醍醐味ですね。
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