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例会速報 2013/03/10 関東学院中学校・高等学校
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授業研究：電気回路の実験 市原さんの発表
１年生の物理基礎２単位に相当する授業で行った生徒実験の報告。１回95分の授業で、初回20分ほど講義の時間を取っている。まず授業の最初に、高校物理のイメージ教材のサイト（http://www.wainet.ne.jp/~yuasa/flashmenu.htm）から、電位のイメージを見せるflashアニメを見せ、キルヒホッフの法則について話しておく（写真左）。
次に提示された回路図に基づいて、実際に回路を組み、電流計やマルチテスタを使って電流や電位を測っていく。電気の分野に入ってからは、バンデグラフ起電機の演示実験・箔検電器の生徒実験・電気力線の作図実験を経て、今回の実験に入る。マルチテスタは電気力線の実験で使っているので、この実験をする頃には扱えるようになっている（写真右）。
下の写真は回路図の例で、左のようにつないだときに電流計・電圧計はいくらを示すか、という問いである。実際に回路を組んで実験した結果に対して、電流計が壊れている（または大電流が流れて壊れた）と考える生徒が少なからずいた。例会では、回路として成立していないものを最初に出さない方が良いだろうという意見や、電圧計を直列で使っている気にさせるから避けた方が良いだろうという意見などがあった。また、上級生でも悩むかもしれないので、結果を予想させた上で議論させても面白いだろう、という意見などが出た。
右の写真は、A～E各点の電位を予測し、測定して確認させたのち、DB間に電流計をつないでどちら向きに電流が流れるかを考えさせる問題である。この回路は基盤に組むのが難しかったようで、基盤を使わずに、リード線を何本も使って配線する生徒が多かった。例会では、リード線の本数に制限をかけても良かったかもしれないなどの意見が出た。今まではつい計算問題になっていた電気回路の授業だったが、今回初めて実験中心に授業を展開してみて、生徒の納得の仕方が全然違うものだと感じたと、市原さんは語る。
たたら製鉄報告 市原さんの発表
市原さんの学校では、3月9日・10日に、NPOものづくり教育たたら（http://www.tatara.or.jp/）の協力のもと、たたら製鉄体験を行った。9日は「炉組み」「火入れ」、「操業」「冷却」「ケラ出し」というたたら製鉄の過程を全て行い、10日は炉の解体と製鉄に関する講義。
レンガを割りつつ積んでいき、炉を組み立てる。高さ約120cm。粉炭を炉の中に詰めた後、軽量ブロックを3段積み針金で固定する。たたら製鉄ではあるが、送風はたたらではなくブロワを使っている。10分で軽量ブロック1段分、炭が落ちるように風量を調整する。
10分置きに砂鉄1.5kg、木炭3kgを炉に投入していく。これを４時間続ける。ノロ出し作業ではノロが流れ出て歓声が上がった（写真下左）。ノロとは、砂鉄に含まれる不純物が鉄と溶けて流れ出したもの。スラグとも言う。最後に真っ赤に焼けた塊を取り出して水で冷やすと、約5.5㎏の鉄が取れた。
昔ながらのものづくり体験と、そこに織り交ぜられている様々な知恵に触れる機会は、生徒にとっても教員にとってもプラスになったという。実際に参加した生徒さんの一人が、例会に来て説明してくれたが、その意識の高さや、しっかりした受け答えに、一同感心した。
折り紙で放物線２ 水上さんの発表
先月の例会での山本の発表「折り紙で二次曲線」にヒントを得て、水上さんは写真のような教材を作った。「焦点P（0，p）までの距離と準線y＝－pまでの距離が等しい点の軌跡は放物線y＝(1/4p)・x^2である。」ことを実感できる。
右の写真は放物線y＝(1/16)x^2のグラフで、点P（0，4）はその焦点であり、点A～Gは直線y＝－4（準線）上にある。例えば左の写真のように点G（12，－4）と焦点Pが重なるように折ってから広げると、その折り線は放物線上の点G´（12，9）を通り、G´P＝G´G＝13になっている。また、この折り線を見ると点G´で放物線と接している。点Fなら、F´P＝F´F＝8で，折り線は点F´（8，4）における接線になる。他の点も同様である。なお、点Gの場合の折り線つまりPGの垂直二等分線の式と放物線の式を連立させるとx＝12（点G´のx座標）が重解となることからも折り線が放物線の接線であることが分かる。実感できる数学というわけだ。
コマ大戦出場報告 海後さんの発表
海後さんは12月例会で予告したコマ大戦の大田区場所では、残念ながらトーナメント1回戦敗退となったが、他の出場者の高い技術力や独創的なアイデアがとても良い刺激になったと試合の様子をレポートしてくれた。海後さんはまた、4/20（土）のコマ大戦日本橋三越場所にもYPCチームとして出場する。
敗因を突き止めるため、海後さんはいつも使っている凹面鏡を改造してコマ大戦の土俵を再現・検証した。重心を高くした「コロンブスのタマゴマ」（写真左）では摩擦が大き過ぎて30秒持たずに止まってしまいコマ大戦には使えない事が判明した。また「ツインコマ」もそのままでは摩擦が大きくて回らないが、形状を工夫すれば長時間まわるコマになりそうなので試作してみようと思っているそうだ。
○世界最小クラスのコマ（写真右）
木製の世界最小クラスのコマhttp://item.rakuten.co.jp/foranew/woodtop4mm/はφ４mm×９mm。そこで海後さんは真ちゅうでφ４㎜×７㎜のコマを試作してみた。初速が毎分1万5千回転で30秒以上回る。
○良く回るドングリコマ（写真左）
ドングリゴマといえば、普通は先が尖ったシイの実に爪楊枝などを挿してコマにするが、海後さんはコマに向かないへそのある丸いクヌギの実を良く回るコマに作る方法を考えてみた。軸を刺す前に、まず修正液を垂らした上で回すと、へその縁の一点に修正液がつく。そこが回転軸になるので短く切った虫ピンを刺す。虫ピンの頭を下にしてもう一度回して上面の回転中心を狙って修正液を付けて、その中心に軸を刺せば完成。１回で中心軸を出すのは難しいが挑戦する価値はある。この方法なら色々な非対称の立体物を良く回るコマにする事が可能となる。
○マクスウェルのコマ（写真右）
コマ大戦の「回転軸に対してφ２㎝未満」というルールに合わせて真ちゅうで試作したマクスウェルのコマ。支点より重心の高い普通のコマでは毎分６００回転程度で倒れて止まってしまうが、回転が０になるまで回り続けるマクスウェルのコマで手ひねりによる最長回転時間に挑戦中。今のところ思うように高速回転させることができず、長くて９分程だが軸受の形状を工夫すればもっと長く回せると思う。できたらギネス記録として申請してみたいと、海後さんは夢をふくらませる。直径を制限しなければ２時間近い記録があるようだ。
http://www.tokorozawa.saitama.med.or.jp/machida/sekaikiroku.htm
ソーラーオーニソプター 海後さんの発表
今回のコマ大戦の会場となった「おおた工業フェア」で見つけた物理関連ネタの紹介。
基本部品はソーラーパネル＋キャパシタ＋金属板電極＋コイル＋磁石＋金属翼のユニットをヤジロベエ式のスタンドにぶら下げただけというシンプルさで、とても優雅な動きをする。海後さんはとても欲しかったけれども6,300円の価格に躊躇して結局買わずじまい。どなたか工作用の基本ユニットを作ってもらえないだろうか。詳しい情報はここ→http://www.kokusai-dsp.co.jp/KOKUSAI_DSP/
他にも大田区の町工場グループ「チーム職人魂」が圧縮空気エンジンやスターリングエンジン模型を出品していてとても興味深かったという。以前には巨大な地球ゴマも制作していたチームで、メンバーの工学博士が設計されているとのこと。今後はどんな作品を作るのかが楽しみであり、同じ職人として羨ましくもあるとは海後さんの感想。
光学拡散フィルム 海後さんの発表
海後さんの勤務先の仕事で加工した特殊で高価な樹脂フィルムの紹介。オプティカルソリューションズ社の「レンズ拡散板LSD」でマイクロレンズアレイという技術で作られている。LEDや強力なレーザー光でも、円や楕円形に設定した角度でほぼ均一に拡散させることができる。右の写真は緑色レーザーの透過光をスクリーンに投影した様子。海後さんは拡散角80度のアクリルフィルムの端材を希望者に配ってくれた。
また同社の製品表を見ると、DTFという拡散フィルムはリニアタイプのマイクロプリズムで、光の向きを20度変角できる。何か面白い実験ができそうだ。同じようなマイクロプリズムのクロマデプス3Dフィルムでは光の向きの変角は確認できなかったとのこと。
ＬＥＤ電球 喜多さんの発表
2010年の3月、東芝ライテックが従来の電球の生産を取り止め、今後はＬＥＤ電球に移行すると発表した。それから２年数か月、1個千円以下の価格のものが出回るようになり、喜多さんはようやく分解する気になった。分解した製品は以下の二種である。
A．TOSHIBA LDA6N/3 LED電球(密閉対応)全光束420lm, 5.6W \780
B．オーム電機 LDA6N-H 20 LED電球(密閉非対応)全光束510lm,5.9W \690
ＬＥＤの点灯は基本的に直流なので、１００Ｖの交流を直流に変える回路が入っている。A（東芝製）は制御回路がやや複雑である。点灯したときの明るさは40W白熱灯相当とされているが、見た目は白熱灯よりまぶしく感じた。
Aには５つの発光素子が配置され（写真左）、１素子に二つのＬＥＤが入っている（写真右）。紫または紫外のLEDで励起して周囲の蛍光体（黄色い部分）を発光させる仕組みである。一つのLEDを点灯するのに必要な電圧が大体３Ｖなので、概略３０Ｖの直流電圧が必要である。
下のグラフはAについて、入力側の電圧を０Ｖから１００Ｖまで変化させ、入力側の電流値（◆青線）、回路を経た後の出力側の電圧（■赤線）・電流（▲緑線）を測定したものである。出力電圧はほぼ３０Ｖで一定であるが、入力電流は８０Ｖくらいで８０ｍＡを超える値をとった後、１００Ｖで60mAくらいに下がっている。一方、出力側の電流値はなだらかに増加している。特性にはヒステリシスがあり、昇圧時（０Ｖ→１００Ｖ）は６０Ｖくらいで点灯が始まったが、降圧時（１００Ｖ→０Ｖ）は４０Ｖくらいまで点灯していた。
下はB（オーム電気製）の制御回路部分。Aよりも単純な回路に見える。発光素子は18個で、各素子は１個ずつLED を内蔵しているので、出力側の電圧は５５Ｖくらいになる。
Bの発光時の様子（左）と、一つの発光素子の拡大（右）。
グラフはAの場合と同様、入力側の電流（◆青線）、出力側の電圧（■赤線）、同電流（▲緑線）である。Bにはヒステリシスが見られず、昇圧時と降圧時で特性曲線は変わらない。
Aには見られなかった現象として、グラフが途切れている３０Ｖ⇔４０Ｖのところで周期的な点滅が起こった。
下の写真のオシロスコープ画面は、下が入力側の電圧変化、上が入力側の電流値の変化である。白熱電球ならば両者は平行するサインカーブになるはずだ。しかし、ＬＥＤ電球の場合は、電圧の値がピークになったときから短い時間だけ電流が流れている（写真左）。比較のため、ドライヤーの場合を示すと、一周期の半分は電流が流れていなかった（写真右）。
授業用映像 水上さんの発表
おなじみ水上さんの授業用映像の最新版紹介だ。いずれも黒板や書き込み式スクリーンに投影し、映像を適宜止めて書き込みを加えながら授業を進める。
●映像「スーパーボールのはねかえり」のVer.3
「球がなめらかな面に斜衝突してはねかえるとき、速度の面と平行な成分Vxは変化しない」ことを教えるために毎秒300コマで高速度撮影した映像である。先月の例会でアドバイス（バックに方眼目盛りを添える等）を受けて撮り直した。
最初のシーン（写真左）はあらい面（木の板）との衝突では衝突の際に面と平行な向きに摩擦力を受けるためVx＞V´xになっている。次のシーン（写真右）は実験卓のうえに中性洗剤の原液を塗って摩擦を０に近付けた面との衝突であり、Vx≒V´xになっている。詳細はYPCニュースNo.300を参照のこと。（『映像「床に衝突するボール」の利用例』）
●映像「振り子の衝突」
次のような練習問題の解答を進め、それを検証するための映像である。
「おもりの質量と長さが同じ２つの振り子AB→振り子Aを最下点からhだけ持ち上げて手ばなす→最下点で静止している振り子Bと衝突→衝突後両者が一体となって逆側に振れる。この現象で、①衝突直前のAの速度VAは？（答√2gh）②衝突直後のABの速さはVAの何倍？（答1/2倍）③衝突後，ABが達する高さh´はhの何倍？（答1/4倍）」
各々の振り子はフェライト磁石をV字形に貼った２本の糸で支えられている。方眼は１目盛り5.0㎝で、方眼を描いた板は振り子の運動面と同一に配置できるように振り子の運動部分が切り取られている。視差による誤差を減らすための工夫である。写真からhは8目盛りでh´は2目盛り，つまり③の答の通りh´/h＝1/4であることが分かる。詳細はYPCニュースNo.300に掲載されている。（『映像「振り子の衝突」の利用例』）
●映像「垂直抗力と張力導入」
前半はダルマが乗った板を金づちでたたいて急に外すとダルマが落ちるシーン、後半は球を吊るした糸をハサミで切ると球が落下するシーンである。授業は以下のように進めている。
（写真右）板が外れた直後で静止させて「重力」とそのベクトルを描く→映像をコマ戻しして板が外れる直前で静止させ、生徒とのやり取りを通じて『静止しているのは板から受ける上向きの力（上向きのベクトルを記入）とつりあっている』ことを生徒に言わせ、『これを「板の垂直抗力」と呼ぶ。』ことを教科書で確認する。
（写真右）糸が切れた直後で静止させ、「重力」とそのベクトルを描く→糸が切れる直前までコマ戻しして垂直抗力と同様に「糸の張力」を学ぶ。詳細はYPCニュースNo.300に掲載されている。（『映像「垂直抗力と張力導入」の利用例』）
●映像「縦波の定常波」
疎密波の定常波の実態を見せる映像と、節では疎密の変化が最も大きいことを示すための映像。
（写真左）画面左端のバイブレーター（ナリカのNB－８N）にプラバネを取り付けて水平に張り、55Hzで振動させて定常波を作る。節の近辺は動きが小さいのでばねの形が認められるが、腹の近辺は動きが大きいので被写体ブレが起きてばねの形が分からない。次のシーンでズームされるので、節の物差し上の値を控えておく。
（写真右）毎秒1200コマの高速映像である。先ほどメモした節の位置をチョークでマークし、コマ送りにより次のことを確認する。『一つの節Aにまわりの「ばね片」が近づいて密になっていくとき、隣の節Bではまわりのばね片が遠ざかって疎になっていき、逆に節Aが疎になっていくとき隣の節Bは密になっていく。つまり節では疎密の変化が最も大きい。』
packetta 益田さんの紹介
キングジムの「ワイヤレス共有メモリ packetta」の紹介。接続したPCをサーバーとして、無線LANを用いて周囲の人とスムーズにデータのやりとりを行うことができる。LAN環境のないところでも、その場で新たなネットワーク環境が作られ、データの共有がスムーズに行える。たとえば、先生のPCにpackettaを接続し、先生が提供するファイルを同じ教室内の生徒がタブレット端末やスマホに各自無線でダウンロードして授業を展開するなどの使い方が可能だ。
技術系女子の日常・半田ガール 車田さんの書籍紹介
コミックマーケットで見かけた、半田付け女子グループの半田付けの同人誌。『技術系女子の日常』のまえがきから。『工業高校に入学し衝撃の事実を聞かされた。「全校生徒で女生徒はきみだけだよ」一体どういうことだ。笑うしかない』。卒業後『圧力センサメーカーで製造4年。半導体メーカーのフラッシュメモリ評価を3年。現在はハードの開発をしている。簡単なソフト（組込み系）もやっている』技術系女子さんがノンフィクションで半田付けを熱ーく書いた本だ。1-3の合本、4号、新刊5号が紹介された。詳しくはここ→http://roast.sweet-potato.info/?eid=19
秋山仁の算数・数学おもしろランド 車田さんの紹介
秋山仁先生は昨年東海大を退職されて東京理科大学に移った。昨夏、東京理科大学近代科学資料館で秋山さんが東海大やNHKで培ってきた数学ワンダーランドの展示が行われた。写真はその時のパンフレットだ。2013年度に理科大には数学に関する体験施設ができるようだ。バーチャルな展示が多いリスーピアに比べ、秋山先生の展示はアナログで分かりやすい。数学教育の老舗大学たる理科大の企画に期待しよう。
エアエンジンカー・飛行機 越さんの発表
ドラえもんふしぎのサイエンスNO6の「圧縮空気エンジンカー」の紹介。走行中の動画（movファイル2.2MB）はここ。
このエアエンジンの切替弁は、普通の蒸気機関車でも採用されている「複動式」で性能が良い。この方式ではピストンがどちら側に移動する時にも、常に圧縮空気によってピストンが押されるように、弁が切り替えられる。右の写真で上側の透明な筒(中のピストンの軸が青色)が駆動用シリンダーで、黒いのはゴム製のパッキン。下側の透明な筒(白い軸)が切換弁のシリンダー、2つある黒い部分がゴム製のパッキンだ。写真の状態では駆動用のシリンダーの左側に空気が送り込まれ、駆動用ピストンは右向きに動くことになる。
また、ピストンと一緒に往復運動するラックギア(直線)がどちら向きに動いても動輪が一定の向きに回るように、移動ギアにより動力の伝達が切り替えられる。おもちゃながら、複動式や移動ギアなど、良くできている。
なお、左の写真で本体の空気タンク内の中央やや右寄りにある黒いドラえもんの形をしたものは、タンク内部の圧力が高まると圧縮されて小さくなる、圧力インジケータだ。
以前、学研の「科学のタマゴ」などでもエアエンジンカーや飛行機があった。下は「科学のタマゴサイエンストイバージョン」の「エアエンジン飛行機」である。こちらは単動式で、圧縮空気がピストンを片側に押し下げるだけで、排気後は慣性によりピストンが元の位置に戻るしくみだ。右の写真の透明な部分がシリンダーで、内部の青いピストンを圧縮空気が押し下げる。ピストンが下端に達すると、シリンダーの側面の穴から排気する。
蒸気機関車の弁について詳しくはここ→http://www18.ocn.ne.jp/~h_making/joukigenri.htm
知の逆転 越さんの書籍紹介
歴史学者ジャレドダイアモンド氏、言語学者ノーム・チョムスキー、分子生物学者ジェームズワトソン氏ら、各界を代表する知の巨人6人の著者によるインタビュー集。各人の著作をすべて読破することは難しいが、本書により、それぞれの主張のエッセンスを知ることができる。本の帯にあるように、確かに「10冊分の情報がつまっている」。
特に「文明崩壊」(草思社文庫1260円。イースター島、マヤ、などの文明が崩壊した原因についての考察。) の著者ダイアモンド氏は、現代文明の危機回避のためには将来的に、「世界の生活水準の均衡化」に向かわざるを得ない、と明快な論理を展開する。環境問題の根本を考えるヒントになるであろう。
吉成 真由美著 NHK出版新書395 903円。
300回記念YPC特製チョコ 成見さんの記念チョコ販売
実は今回は300回目の記念すべき例会で、YPCニュースも本日発行の号で第300号となった。本来は前回例会の報告を次の例会で発行するニュースに載せていたので、例会の回数－１がニュースの号数だったのだが、震災のため2011年3月の例会が中止になり、その月はニュースだけ発行したので回数と号数がそろったのだ。
成見さんは300回を記念して、チロルチョコのDECOチョコをオーダーしてくれた。例会参加者限定の特製チョコだ。「もったいなくて食べられない」という声も・・・。
二次会 黄金町駅前「華の舞黄金町店」にて
１６人が参加してカンパーイ！。今日は例会のはじめは出足が鈍かったが、結果として盛り沢山の充実した発表があった。例会の遅刻が多いのも、二次会参加者の人数がなかなか読めないのも、幹事校泣かせで迷惑なことだが、その自由さがまたYPCのパワーの元でもある。でも、なるべく時間は守ろうね！
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