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例会速報 2013/08/24 たけだ旅館
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たけだ旅館にて 合宿例会開始
8月の例会は、好例の合宿例会だ。今年の会場は神奈川を代表する観光地の一つ、大山の麓の「たけだ旅館」。周囲は大山詣りが盛んだった頃栄えた由緒ある門前宿場町である。その昔を偲ばせる古風な宿屋でエンドレスの例会が始まった。地元在住の長嶋さんからはお饅頭の差し入れもあった。長嶋さんごちそうさま。
地球の公転 田代さんの発表
田代さんはＹＰＣ2007年11月の例会で、日時計に取り組んだ選択授業の内容で発表した。今回は退職後、時間講師で授業で扱った同じ単元の実践である。十字の竹ひごは観測地点の東西南北を、左手で引いている紐は星や太陽の光を表す。右手で地軸を操作して自転などを演示する。地球を固定し、紐（太陽の光）を動かして東から南の上空を通り西に沈むことを示した後、「紐を固定しておいても同じに見えるのは、地軸をどちらに回せばよいか？」と問いかけて地球の自転の説明に使う。自転の向きから星座の見かけの動きの説明にも使える。
地球儀上に小さな人形を立たせて東西南北を説明する人が多いが、小さな日本列島を描いておいた方が生徒はすぐ理解してくれる（右の写真）。
さらに透明半球を二つ合わせて天球とし、東西南北を描いた円形の厚紙をつけたスチロール球を中に入れ、その地軸にあたる竹ひごを外から回す装置を作った。教科書に載っている天球の図に合わせるためである。この装置で理解するのは生徒は難しかったようである。
地球の公転は次のようにした。中心に太陽、その外に地球の公転軌道。更にその外に黄道12星座（とオリオン座）を描いたＢ４大のプリントを生徒に配布しておく。今までより桁違いに小さい地球儀を作り、それをプリントの地球の位置に置いて、何時にどの方位に何という星座が見えるかを考察させた。この装置を使うことで、真夜中以外、真南以外の星座の考察もできる。ただし、地球の公転半径がこの図では大き過ぎる。プリント上でどの向きかを理解したらその向きを太陽の図の直近にコピーして考える方法を生徒自身が考案した。
討論の中で、地表の視点から、宇宙の視点まで連続ズームすると効果的だという話が出て、増田さんや加藤さんから、それなら国立天文台提供の無料ソフト「mitaka 」がよいという紹介があった。地表観察モードと三鷹から宇宙空間へ離れていくモードがあり、宇宙から俯瞰する視点までスムーズに切り替わる。惑星の大きさを拡大して扱うモード、惑星の地軸を示すモードなどもあり便利である。日食時の地球上の影も表示できる。探査機を扱うモードもある。どんどん地球から離れ、…13億光年。現代の科学の目で宇宙を眺めることがてきる。
ＩＣカードのＩＣ 喜多さんの発表
喜多さんはICカードからLSIチップを取り出して観察する方法を実演してくれた。写真左はICカードの表面にある電極部分。この裏側にLSIチップが埋め込まれている。実際に使われている端子は真ん中左右の6端子だ。カードを無理やり折り曲げるなどして、ICモジュール部分をはがし取る。裏側は右の写真のようになっている。樹脂に埋め込まれたＬＳＩがうっすら見えている。
ＬＳＩチップを取り出すには、ICモジュールをトーチ型ライターであぶって燃やしてしまう。乱暴なようだがシリコン基板は燃えない。炭になった樹脂部分を崩すとＬＳＩチップが出てくる。（写真右）
これを顕微鏡で観察する。「60倍顕微鏡」として売られている携帯型の簡易顕微鏡が、落射照明もついていて便利だ。実際の倍率は数倍程度だが全体像を見るにはちょうどよい。光が当たる向きにより干渉による色付きが変わる。
今度はDIP8ピンのタイマーIC（５５５）を燃やしてみる。足を伸ばしてつまみやすいようにする。同様にトーチライターであぶる。右の写真は炭の中からICチップが載っているリードフレームを取り出したところ。真ん中の灰色の四角がICだ。
それを顕微鏡で見る。ICカードのLSIに比べ、回路の線幅が広いので回路パターンがよく分かる。
力の合成の授業プリントと模擬授業 水上さんの発表
力の合成・分解・つりあいの授業用映像と授業プリントの紹介を模擬授業の形で行った。流れは次の通り。
黒板上で演示実験（今回は省略）→同じ現象の映像（上段左の5:4:3、上段右の3:4:5、他に5:12:13）を見せる。→A3判に描いた3:4:5や5:12:13の直角三角形をスクリーンに当てて糸の角度を確認する（上段右）。→静止画像にマス目を上書きした授業プリント（下段の２枚）で３力のつりあい（『2力の合力と残る1力が大きさが等しく逆向き』あるいは『鉛直成分の和＝0かつ水平成分の和＝0』）について、空欄埋めと作図をさせる。
合力や鉛直成分・水平成分の大きさは、写真に上書きしたマス目を数えて求めるので、数学が苦手な生徒も三角関数の計算でつまづくことなく本質を定量的に理解できるようになった。
水上さんは例会で出た訂正案等の意見を反映させてプリントを修正するそうである。また、今月のYPCニュースには記入済みの授業プリントが掲載されている。
夕食会から二次会兼例会第２部へ 引き続きたけだ旅館にて
宿代を値切っているので実に質素な夕食である。空腹と栄養不足は二次会で持ち込みの酒とつまみで補う計画である。15人が宿泊、１人は夕食後帰宅。入浴後は休憩もそこそこに、二次会兼第二部例会に突入。時間と酒だけはたっぷりある。話をとことん掘り下げられるのが合宿例会の魅力だ。
力の授業 鈴木健夫さんの発表
鈴木さんは8月初旬の科教協岩手大会でのレポートを、東京物理サークルの合宿や、このYPCの合宿にも持ち込んで討論した。どこでも、とても有意義で収穫の多い議論になった。YPCの例会では、力の表記に関し、鈴木さんは「○○が△△を押す力」「○○が△△を引く力」という表現をしているが、「△△が○○から受ける力」と言うべきだという考えの人も多い。前者を「能動態」、後者を「受動態」と呼ぶことにすると、例会参加者では能動態が3人、受動態が7人だった。
また、鈴木さんの教材では「力の原理」として、つりあいを定義（提示）するところがあるが、「力の原理」という用語は、使っていいのか、「原理」とは何なのかということも議論になった。さらに、導入時の「力」の定義についても議論があった。
最も議論が盛り上がったのは、授業展開の中で、作用反作用の説明をどうするかについてである。鈴木さんの授業は「力の原理」（つまりつりあい）から作用反作用を見つけさせるという展開になっているが、そうではなくて作用反作用を説明した後、その具体例として様々な課題を行うべきではないかという指摘である。「私自身その点が整理できていない授業になっていると自覚している。来年度に向けてしっかりと検討する必要がある。」とは鈴木さんの弁。
物理教育学会東北大会から 山本の報告
8月11～12日に東北大学で行われた物理教育学会の年会のポスターセッションから、目立っていた２件の発表を紹介する。
はじめは、日大理工学部一般教養教室の大久保さん、伴さん、岡田さんの「エアガンを用いた円運動の正弦波視覚可装置」。自転車の車輪にエアガンピストルをとりつけ、円運動させながらスクリーンに向けて弾丸を連写する。スクリーンは両面粘着テープで覆われており、ベルトコンベヤのように平行移動する。連写されたＢＢ弾がぺたぺたと貼り付いてサインカーブを描く。動画（movファイル5.3MB)はここ。スクリーンを止めて行うと単振動になるが（写真中央部）、そのときの弾丸分布は上下の部分に集中する。量子力学的な示唆も得られる演示教材である。発想が奇抜で驚いた。
下は神戸高校講師の秋山和義さんの「ＤＶＤによる連続スペクトルを光源とした干渉縞」。まず、強力ＬＥＤライトの白色光をＤＶＤで反射させて干渉光を取り出して連続スペクトルを得る。次にこれを光源として、0.02mm幅×20本、0.02mm間隔の透過型回折格子を通して、スペクトル列と直角な方向に分散させる。波長に応じて干渉縞の間隔が異なるため、放射状にひらいたカラフルな干渉パターンが観察できる。干渉縞はスリットの間隔によるものと、スリット幅によるものがあり、その組み合わせによって欠落線を生じる。その様子も明瞭に観察できる。
カタパルトを作って紙飛行機を飛ばそう 舩田さんの発表
割り箸と輪ゴムを使って簡単な「カタパルト」を作る。カタパルト用の折り方で紙飛行機を折り、「カタパルトに」セットして飛ばすと遠くまで飛ぶだけでなく、コントロール良く飛ばせる。例会参加者は子ども心に還って、大広間の端から端まで紙飛行機を飛ばしていた。実験教室では壁に的を描き、的当て競争をすると盛り上がるという。
ＬＥＤ３個のライトで光の三原色実験 水野さんの紹介
今年８月に開催された科教協全国研究大会（岩手大会）のお楽しみ広場で広島の土肥さんが売っていたもの。３つのＬＥＤの前に赤色、青色、緑色の透明プラ板を貼り付けたもの。これを光らせると、３色重なったところが白色になるというもの。簡単でわかりやすい。しかし、よく見るとプラ板の色が単色でない関係か、あるいはＬＥＤの光るさが異なるせいか、綺麗な白色にはなっていないと例会で指摘された。まあ、こんな簡単な装置で光の三原色の実験ができるので、いいアイデアだと思う。
ガリレオナイター・その１ 市江さんの紹介
こちらは、同じく科教協岩手大会のナイターで滝川さんが行っていたネタ。ＬＥＤの足で長い方が＋側になるようにボタン電池（ＣＲ２０３２）をはさみ、３色のLEDを点灯させている。このシンプルさが非常にいい。青色ＬＥＤも若干電圧不足だが、十分点灯させることができる。輝度の違いは距離で調整し、ろうそくをスクリーン替わりに色の合成を行う。
ただし、ＬＥＤはＶＦが３Ｖ前後のものを使用すること。とくに赤色ＬＥＤはＶＦの低いものもあり、誤って使用すると破裂することがあると、参加者から指摘があった。
３色のＬＥＤをそれぞれ蓄光テープに接触するほどに近づけると、赤や緑のＬＥＤではほとんど反応しないが、青色ＬＥＤでは写真のようにりん光させることができる。振動数の大きい光ほど光子１個がもつエネルギーが大きいことを簡単に示すことができる。
凸レンズが作る「副実像」 水野さんの紹介
今年７月に開催された青少年のための科学の祭典全国大会で日本学生科学賞を受賞した高校生が発表していた実験の追試。
凸レンズによる実像は、通常レンズの後方に１つ（これを主実像と呼んでいた）できるが、この発表をしていた高校生は、この実像以外にレンズの前方と後方に各１つ実像（これを「副実像」と呼んでいた）ができる、という発表。前方の像はレンズ内部で光が１回反射してできるもの、後方の像はレンズ内部で光が２回反射してできるもの、とのこと。
これはこの高校生が初めて見つけたものということで学生科学賞を受賞したようだ。彼は、ゴースト現象や心霊写真は副実像が起因していると述べていた。副実像が立体的に浮かび上がって見える原因は「球面収差」による結像の位置のわずかなズレによるものと報告していたが、両眼視差によるものではないかという指摘が例会ではあった。また、この像のでき方は凹面鏡による像と似ているのではないかという指摘もあった。
全反射 鈴木健夫さんの発表
鈴木さんはダイソーで、四角錐型のガラスの置物を見つけた。100円でプリズムの代わりになるものが入手できる。鈴木さんはこれを班の数だけ買って、授業で全反射を扱おうと考えた。今年の授業ではすでに全反射は終わっているので、来年度以降に実践することになる。この四角錐を字や絵の書かれている紙の上に置いて目の位置を下げて行くと、どこかで半分下が見えて半分鏡になるという位置がある。そこが全反射の臨界角になる。
また、水をはじく紙の上に四角錐を載せて、底面で全反射が起こっている角度（写真左）で、目の位置を変えずに紙と四角錐底面の間を水で濡らすと全反射が起こらなくなる（写真右）。そこからさらに目の位置を下げていくと、今度は水とガラスとの間の全反射を見ることができる。当初鈴木さんはそれぞれの位置から三角関数を用いて屈折率を計算させる計画だったが、途中で屈折があるので、角度が簡単には測れないということに気づいた。例会では、半球状やかまぼこ型の拡大鏡が適しているのでは、とアドバイスがあった。今後さらに発展させたいと鈴木さんは語る。
ガリレオナイター・その２ 市江さんの紹介
こちらも科教協岩手大会のナイターで滝川さんが行っていたネタ。ヒートテックの原理に関連した実験。水を吸った高分子吸収材（高吸水性ポリマー）を入れたチャック付きの袋の中にマイクロファイバーを巻きつけた温度計を入れるとあっという間に３～４℃温度が上昇する。水蒸気がマイクロファイバーに物理吸着されるとき、水分子のもっていた運動エネルギーと結合エネルギー分が吸着熱として放出されたのだ。その熱量は水の凝縮熱と同程度である。
ブンブン発電機 市江さんの発表
2012年9月例会や2009年7月例会で石井さんが発表した、ブンブンごまを利用した電磁誘導の実験をもとに見よう見まねでクラブの生徒とともに市江さんが再現したもの。市江さんはこれを科教協岩手大会のお楽しみ広場やＹＰＣのナイターで披露した。コストと再現性の両立をはかるため、4つで100円のダイソーのネオジム磁石(2009年7月例会)を使い、コイルには0.4ｍｍのポリウレタン線を約160回巻いたものを用いた。コストをおさえたばかりに小さなネオジムを4つ重ねただけでは、かなり短い周期で磁石を回転させる必要がある(写真左)。動画（movファイル1.8MB)はここ。
小さな子供には、ダイソーの「強力マグネット」（フェライト磁石20mmφ25個入）を3つ重ねたものの両端に先ほどのネオジムを１つずつ固定したものに
すると周期が長くなり、格段にまわしやすくなると、お楽しみ広場の会場で石井さんの所属する群馬理科サークルの方にアドバイスを受けた（写真右）。それに伴い、コイルの巻き数も180回程に増やした方がよい。コップの底をくり抜いてあるのは、回転している磁石がコイルに近づけた時にぶつからないようにするためである。
田中さんの静電気メーター 市江さんの紹介
これも科教協岩手大会の収穫物。愛知ＥＨＣの田中英二氏による手作りの実験装置。静電気の実験では、ナリカのクーロンメーターを用いるとよいが、正負の区別が小さなデジタル表示の符号で示されるため、演示実験では生徒に伝わりにくいのが唯一の欠点。
この静電気メーターでは、赤や黄のＬＥＤが光れば正(写真左)、青や緑のＬＥＤが光れば負(写真右)というように、装置に取り付けられたアルミ缶が正負どちらに帯電しているかが一目でわかる。ちなみにアルミ缶の底にはバナナ端子が固定されていて、自由に着脱可能である。
この装置が２つあると写真のように電荷保存則を一目瞭然に示すことができる。たとえば紙袋に入ったストローをセロテープ等で一方の缶に固定し、リセットボタンを押して電気を逃がしておく。この状態から紙袋からストローを引き、もう一方の缶にストローを入れると、ストロー側は負に、紙袋側は正に帯電する。例会時は割りばしの紙袋とアクリル棒を用いている。この場合は、アクリル側は正に、紙袋側は負に帯電する。（写真左）そして、ストローを元通り紙袋に差し込むと、もとの電気的中性な状態にもどる。（写真右）白色ＬＥＤ点灯は、±０に状態を示す。
細部にわたり、一つひとつが丁寧に細工されていて、田中氏の技術の高さがうかがえる逸品である。
糸の張力のする仕事 平野さんの発表
「水平でなめらかな床の上に、糸でつながれた二つの物体AとBがある。糸をたるませた状態でBに初速度ｖを、AからBに向かう向きに与えた。」という場面設定のとき、この後のAの運動を、みんなで考えた。このとき、糸がAにした仕事はどのように計算すればよいのか。そもそも、Aはなぜ動き始めるのか。力学的エネルギーや運動量は保存するのかなどが議論された。その結果、この場合、糸の物性を考慮しなければならないこと、すなわち、糸の伸びを考慮しなければ解決されない問題であることが確認された。
ＩＳＳからの星空 車田さんの映像紹介
車田さんが日本科学未来館でISSの展示解説をしていると、来館者から「ISSから星は見えないのか」という問い合わせがよくあるそうだ。有人宇宙船からの映像は地球ばかりで星が映っているものは最近まであまりなかった。ところが近年、カメラが飛躍的に高感度・高解像度になり、NASAの映像を検索すると天の川が非常に綺麗に写っている動画が数多く見られるようになってきた。ISSから見た星空をどんどん写して欲しい。地球の外から見下ろすペルセウス座流星群やしし座流星群などもISSからの生中継で見てみたいものだ。
写真はいずれもNASA提供の動画からのキャプチャ。左は http://www.youtube.com/watch?v=FG0fTKAqZ5g にあり、APODでも取り上げられた。色々と検索していくと、天文検定1級レベルの映像があった。下記URLをご覧いただきたい。右の写真は後者からのキャプチャである。
http://m.youtube.com/watch?v=7P_gjEpCEaI
http://m.youtube.com/watch?v=fSsXY7oTm-c
彗星の名前と尾の長さから撮影のおおよその年月が即答できれば天文検定初段以上だろうか。答えはLovejoy彗星(C/2011 W3)、南半球でしか見えず、大彗星にブレークすると予想されなかったため、日本では話題にならなかった彗星だ。
「考えるカラス」のコイン落とし 山本の番組紹介
NHK教育の「考えるカラス」という秀逸な10分番組がある。小中学生向けとされるが、われわれが見ても勉強になる番組である。その第８回（8/20放送）の「考える観察」のコーナーで、蒼井優が写真のような実験を紹介していた。写真右のように10円玉と１円玉を重ね、上を10円玉を残すようにして下の2枚を落とし、20cmほど下方でもう一方の手のひらで受ける。すると必ず１円玉が下になって落ちる。硬貨の枚数を変えたり、重ねる組み合わせを変えたりして、実験をくりかえし、その結果を右のように記録すると、ある「規則性」が見えてくる。その上で「なぜそうなるか」を視聴者に考えさせて、答をいわずに番組は終わる。
番組のつくり自体が、授業法のヒントをたっぷり含んでいて示唆に富んでいるのだが、この現象も興味深い。コーナーの最後に左のようなスローモーション映像が示されて、ほぼ種明かしになっているが、答はあえて書かない。ＹＰＣの方なら「これはリングキャッチャーのリングの動きと同じだ」と気付くだろう。それにしても「一番上の10円玉を残す」という指示や、すぐ下で他方の手で受け止める、という設定が絶妙だ。1円玉が10円玉にくっついて動く理由の説明も、なかなかの難題だ。
なお、「考えるカラス」のサイトにはこれまで放送された全ての回のムービークリップが公開されている。本記事の画像も同所から借用した。
朝食会 引き続きたけだ旅館にて
記録者の記憶は二時半頃で途絶えている。朝八時の朝食には全員が揃った。あいにくの雨のため、大山観光はあきらめて、自家用車に分散乗車してそれぞれの帰路につく。充実した例会だった。
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