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例会速報 2023/08/19 大学セミナーハウス・Zoomハイブリッド
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夏休みの報告会：夏休み中の活動や学会で得た成果を報告し合う
合宿例会では、いつもの授業研究に代えて、夏休み中に体験したことや各地で取材した情報を交換・共有することになっている。
水野さんは、埼玉県で行われた科教協全国研究大会の小学校中学年分科会で、「『風とゴムの力の働き』の単元の授業での扱いについて」と題して発表した。水野さんがこのテーマについて最初にYPCで発表したのは2018年6月例会であった。その後、今年6月と7月の例会発表時に「科教協全国大会で小学校の先生方の意見を聞いてみたら」というアドバイスがあり、今回の初登壇となった。
当日の分科会では、「小学生に摩擦や慣性の法則を教えるのか」、「この単元はあまり深く考えずに授業で扱ってきた」、「この単元を授業で取り上げることはやめた方がいいのではないか」等々の意見が出た。
水野さんは最初の質問には「そんなつもりはない。力を受けなくなると物体はやがて止まる、という日常見かける現象に『そうなのかな？』と疑問を持って中学に進んでほしい」と回答し、最後の意見には同感であるが、「授業でこの単元をやらないわけにはいかない」という現場からの声があり、「取り上げるなら、このように扱ったらどうかという問題意識で報告をまとめた」と答えた。
分科会が終わった後、「理科教室」6月号でこの単元の実践報告をしていた先生から「もやもやしていたことが少しすっきりした」と言っていただけて、報告した甲斐があったと水野さんは思った。
山本は、8/16-17に行われた東京物理サークルの夏合宿（実際には「合宿」はとりやめとなり学習院大で開催）で得た情報を共有した。図は合宿が中止となったため会場に来られなかった石川幸一さんのレポートからの引用である。上條さんが代理で解説してくれた。直流回路のスイッチを閉じた瞬間に起こる過渡的現象は高校物理では扱わない。そこで起こっているのは遠隔力だけでは説明しにくい現象だが、各部の電荷が動き出すきっかけとして、電磁波が重要な役割をしている。導線の周囲の空間を電磁波が光速で伝わり、電荷を動かしエネルギーを輸送している。石川さんは電磁波という共通の土台に載った世界像という視点を示してくれた。
鈴木さんは、科教協全国大会の飯田洋治さんのナイター（夜の公開講座）のレポートをしてくれた。実は鈴木さんは「司会者会議」があり、参加できなかったのだが、飯田さんご自身から資料を送付していただき、それを例会で紹介した。紹介された実験の様子は、動画でよくわかる。ぜひ下記のURLのパワーポイント、特にその中の動画を見ていただきたい。鈴木さんがYPC2023年6月例会で紹介した命中式速度計のオリジナル（写真左）や、生徒全員に机で実施できるモンキーハンティング（写真右）など、演示効果も高くすぐに真似できるものばかりである。
ダウンロードのリンクはこちら：飯田洋治さんのパワーポイントファイル（102MB）、発表資料Wordファイル（23KB）
山本は8/8-9に宮城教育大で行われたAPEJの夏期大会に参加した。東北大学の村松淳司教授の特別講演「次世代放射光施設（ナノテラス）について」を聞き、東北大の敷地内に現在建設中のナノテラスを見学した。写真は、3GeV電子蓄積リングの左側と右側の部分。蓄積リングの直径は111mとコンパクトである。ビームラインの一本が手前に向かって伸びている。蓄積リングに電子を打ち込む線形加速器ライナックは右の写真の右側に接続している。詳しくは次世代放射光施設整備開発センターのWebページを参照のこと。
中３の力学 鈴木さんの発表
鈴木さんは、科教協埼玉大会でレポートした「2度目の中3力学の授業」を、例会でも実験付きで披露してくれた。中3の力学の導入から仕事の前のところまでの授業の様子をまとめている。課題を提示して予想を考え、その理由をもとに議論して再度予想分布をとり、実験で確認していく、という課題方式を多用しているそうだ。
最後の課題10（右図）は、つりあっていても等速で動くというアトウッドの装置での演示を通して、慣性の法則の概念を強めるための課題である。鈴木さんがこれをやるようになったのは、埼玉の小野洋さんの授業レポートを聞いた時にこの実験を生で見たのがきっかけである。やはり実験は直接見ないとその面白さ、すごさはなかなかわからない。埼玉大会では、演示装置を持っていけなかったが、大会後ミニ版を作成し、東京物理サークルの合宿（宿泊なし）研究会と、このYPCの合宿例会に持ってきた。
実は鈴木さんは2017年8月例会でも、ほぼ同じ授業実践レポートをしてこの演示装置を持ってきていたが、もう一度見たいという要望があったので、今回持参した。今回は、「おもりC」の質量を変えたり加速時間を変えたりして、鈴木さんが実際に授業でやった時よりも遅い速度での等速運動を見せる改良のアドバイスがあった。等速運動を見せるには、速度は遅い方が見ていてよくわかる。動画（movファイル・3.0MB）はここ。
小物紹介 舩田さんの発表
舩田さんは科学の祭典千葉大会で出展した実験・工作ネタを紹介してくれた。写真は6枚のポリカーボネートの鏡を貼り合わせた立方体万華鏡。鏡の裏に傷を付けて光が漏れるようにし、角ののぞき穴からのぞくと、無限鏡像で奥行きのある模様が観察できる。写真にはないが、のぞき穴にグレーティングレプリカをとりつけるとさらに美しく万華鏡らしくなる。これを子どもに作らせる。
子どもに工作させるのに、従来はアクリルカッターで鏡に傷を付けていたが、子どもにカッターは危ないという保護者からの声に応えて、今年はミニルーター（写真左）を導入した。ダイソーで700円。これなら箱を組み立ててから外側から線刻ができる。曲線も刻めるので便利だ。
右の写真は別の工作でレジン工作の樹脂硬化用に使う紫外線LED光源。USB電源で手軽に使える。こちらはセリアで110円。（ACアダプターは別売）
廉価版トルネードアダプター 天野さんの発表
1.5Lペットボトルを2本つなげて、上のボトルから水を落とすときに渦巻きができる「トルネード」という実験がある。この実験ではペットボトルの口同士を結合する必要がある。そのための器具が「トルネードアダプター」だ。市販品もあるが単純な構造の割に意外と高い。そこで天野さんは、身近なもので安く量産できないかと研究を始めた。
最初はダイソーのキャップ型ロートの部品（左の写真の白いパーツ）を試してみた。これとペットボトルキャップに穴を開けたもの（指で持っている緑色）をはめ込んで使う。これだと５５円の材料費だが、ちょっと加工に手間がかかる。ワッシャを使ってはどうかという声が参加者からあった。
さらに研究を進め、天野さんはダイソーの「物干し竿キャップ」にたどりついた。２個＋熱収縮チューブのセットで110円。
この物干し竿キャップの内径が、PETボトルキャップの外径とぴったりなのである。これで2個のキャップを背中合わせに結合すればトルネードアダプターのできあがり。キャップは半分に切断して2個分に使えるので、110円の1セットから4個分とれる。したがって材料費は27.5円ということになる。
カラフルＵＦＯ 古谷さんの発表
古谷さんが持参したのはドローン型のおもちゃ。アマゾンで購入。別の小道具を探していたところ、偶然見つけて衝動買いしたとか。空中にそっとほうり上げると、LEDライトを点滅させながら浮遊し、手をかざすと手を避けるように反対方向に移動する。
製品の説明によると、「LEDライト付き、自動回避機能、ジェスチャー制御、・・・」「USBタイプBの充電式、実働は5～7分」。評価欄では、星5つが54％。星4つが46％で、「犬もジャンプして追いかけっこして遊んでいた」との記載もあり、確かに遊んでみて素直に楽しい。しかし、残念ながら、この商品（ブランドはTOTACLEA.）は在庫切れで再入荷の見通しは立っていないとのこと。同じ商品は今は見当たらないが、類似品はこれ。
会場で盛り上がる例会参加者の動画（movファイル・9.5MB）はここ。
第２部開始 引き続き20時より大学セミナーハウス・さくら館研修室Bにて
第1部は対面12名、遠隔12名、計24名、第2部は対面12名、遠隔5名、計17名の参加があった。 合宿例会では例会発表は夕食を挟んで夜も続くので、「二次会」と呼ばずに第２部と呼んでいる。５類に移行したとはいえ、コロナ禍はまだ収まったとは言えない状況下、工夫を重ねながら、サークルの活動が継続していることを祝って、遠隔参加の皆さんと共に「カンパーイ！」
私の素朴概念（光電効果編） 峯岸さんの発表
峯岸さんは「①光電効果は、フェルミ準位以下の価電子帯にいる電子も光からエネルギーを受け取り、金属表面から飛び出ているのではないか」(スライド2(ii)式)と考え、先輩教員のコメントを求めて8月例会で発表をした。また峯岸さんは、光電効果を考えている過程で新たに「②光電効果でもコンプトン効果が起きているのではないか」という疑問も抱いた。具体的な内容としては、光電効果においても電子が光を浴びたときに、電子が光からエネルギーを受け取ると同時に、浴びた光とは異なる振動数の光を放出しているのではないかというものである(スライド2(iii)式)。
さらに、光電効果には、この2点を組み合わせた現象も起きているのではないかとも考えた(スライド3(iv)式)。
例会出席者からは、①に関しては、「考えたことがなかった。面白い。」「教科書には『hν=W+(mv^2)/2』の(mv^2)/2は飛び出した電子の運動エネルギーの最大値だから、①の現象が起こっていてもおかしくない。」というコメントが、②に関しては、「光電効果とコンプトン効果では、金属に浴びせる光のエネルギー帯が違うので、光電効果では電子は光子のエネルギーすべてを受け取ることしかできない。」「②の現象は起きていないのではないか。」という意見があった。
峯岸さんは①や②の疑問を、この夏たくさんの先生方に質問してみた。②に関しては、「光のエネルギー帯の違いによる現象の違い」という観点で理解した。しかし、①に関しては例会出席者のように肯定的な意見もあれば、他の研究会の先生方からは①の現象は全く起きないという否定的な意見もいただいた。今後は、①の現象由来の電子の存在をどのように実験で証明していくかが課題である。
永久ゴマ・電磁石ジャイロ 古谷さんの発表
こちらのYoutube動画を見た古谷さんは、先ずは市販品から「標題の製品」（写真）を購入した。例会での報告の動機は、「なぜ、回転の軌跡がいびつなのかを問いたい」だった。本体は、9ボルトの006P電池を電源とするタイプだったが、持ち合わせがない。そこでバッテリーを外付けにし、電圧を変えたところ、3ボルトから9ボルトまで作動することが分かった。結局のところ、手持ちの電池ホルダーの都合で、4．5ボルトで作動させ、暫く眺めていて古谷さんが気付いたのは、高い電圧の時には見られなかった、いびつな軌跡を描いて回転する様子である。
高い電圧の時には、台から飛び出さんばかりに円を描きながら回転をしていたが、4．5ボルト負荷の状態では、なにか、ひっかるような気まぐれな動きをする。例会参加者からは「中心で加速されるのだから、それは普通だ」という意見が多かったが、古谷さんはいまひとつ腑に落ちない思いでいる。古谷さんのコマの動画（movファイル・6.8MB）はここ。
ガリレオの考えた等時性 阿部さんの発表
阿部さんは、岩波書店の「ぼくらはガリレオ」（板倉聖宣著）に「ガリレオは振り子の等時性に斜面を下る物体との比較をして説明した」との記述をみつけて興味を持った。なるほど理論的にはその通りになるが、今回は右の写真のような実験道具を自作して実際に試してみた。鉛直面内に描かれた円周上の２カ所から同時に出発し別々の斜面を辿った２球は、円周の最下点で出会う。ガリレオの洞察力と観察眼には驚く。
モーター作り 阿部さんの発表
簡易モーターの工作ではコイルの調節が一番大変である。特に子どもに作らせるとなると、コツを伝授するのが一苦労だ。コイルをきれいに巻く、回転軸になる部分をうまく中心を通る直線にそって引き出す、片面だけエナメル被覆をはがす、などが子どもには意外と難しいのである。
阿部さんは、学研の自由研究お助けキットの「モーターを作ろう」を買って試してみて、コイルを作る治具（写真）が入っており、子どもでも簡単にモーターが作れるように工夫してあることに感心した。教室での授業や、子ども向け工作教室での成功率を高めるには、このノウハウが必要なのである。動画（movファイル・1.4MB）はここ。
黒板演示回路用デジタル電流・電圧計の作り方 山本の発表
2023年2月例会で紹介したように、電流・電圧が同時測定できるデジタルパネルメータが安くなってきたので、黒板演示用回路のオプションパーツとして、黒板に貼り付けて使える「黒板演示回路用デジタル電流・電圧計」を開発した。量産化も計画している。
電流プローブは黒板演示用回路の接点部分（ネオジム磁石内蔵で重ねるだけで互いにくっつく）にはさむようにして使う。絶縁シートの両面に銅箔テープを貼って正負の電極としており、正電極から入った電流はパネルメータを通って裏側の負電極に抜ける仕組みだ。黄色いミノムシクリップは電圧用プローブで、黒板演示用回路の接点部分の磁石に近づけるとくっつくので、測定箇所を簡単に変更できる。なお、電圧測定の負極は電流プローブの負極と兼用である。
このパネルメータの製作にあたり、ポリプロピレンの容器に四角い窓を開けるための「ホットカッター」を開発した。30Wのハンダごてのコテ先を抜き、ヒーター脇のビスでカッターナイフの刃を直にネジ止めする。当然温度勾配ができてヒーターに近い方が熱いので、刃を一節ずつ折りながら適温の場所を見つける。あまり温度が高すぎるとポリプロピレンが融けすぎて、寸法が狂ったりバリができたりしてしまう。少し力を入れるとすっと刃が進むぐらいが適温だ。これは特許もののいいアイデアだと自画自賛していたら、「ホットナイフ」という商品名ですでに販売されていると市原さんが教えてくれた。まあ、自作も簡単だということで・・・。
こんな風にして使う。こうしてあけた四角い穴にパネルメータをはめこめばよい。シャーシに四角い穴を開けるのは大変な工作なのだが、ポリプロピレン容器ならこの方法で簡単に加工できる。これで量産化の目途がたった。
仕事・熱・エネルギーをどう教えるか 山本の発表
山本は8/8-9に宮城教育大学で行われたAPEJの研究大会で、高校物理基礎の力学～熱力学分野の教科書の記述を改めてほしいと以下の提案をした。すでに西尾さんや右近さんらによって指摘されている内容も含め、関連項目を一括しての提案である。
(1)エネルギーを仕事より先に位置づけよう
(2)「系」の概念を早めに導入しよう
(3)仕事と熱は移動量であることを強調しよう
(4)総量から移動量への視点の転換を丁寧に扱おう
(5)「熱エネルギー」と呼ぶのはやめよう
(6)内部エネルギーをUで表すのをやめよう
(1)は西尾さんが提案している。中高生にとって意味不明の「仕事」の定義から入るのではなく、エネルギーを先に登場させようという提案だ。大学の標準的教科書であるハリディの「物理学の基礎」でもそのような記述が見られるし、右近さんも「SUPER入門力学」でこの展開を例示している。
(2)は右近さんらによりたびたび提案されてきた。「SUPER入門力学」では、運動の法則の単元で系を定義する流れを提案している。
(3)はずいぶん以前から言われ続けていることだが、教科書ではまだ徹底していない。物理現象はエネルギーの流れの中で起きており、系と環境の間でやりとりされるエネルギーの移動量が仕事や熱である。この流れをはっきりと図示することを右近さんや山本は提案している。
(4)はエネルギー保存則が、はじめはK+U=一定の形で提示されるが、いつの間にかΔK＋ΔU＋ΔEint＝W＋Qのような差額による表示に置き換わるところに飛躍があって生徒は戸惑うという指摘である。
(5)も熱をstockのように誤解するもとになるから、正しく「内部エネルギー」と呼ぼうと以前から言われ続けていることだが、多くの教科書には「熱エネルギー」の用語が残っている。実は学習指導要領からはこの用語は消えているのだが、教科書が前例踏襲で載せているだけなのである。
(6)は力学のところで位置エネルギーを表すのに使っていた文字Uが、すぐ後の熱力学では内部エネルギーの記号として使われ、そこに何の断りもないという指摘である。力学と熱力学の接続が意識されていない証拠だ。そもそも一般のエネルギー保存則である「熱力学第一法則」はエネルギー分野の到達目標であるはずなのに扱いが軽い。力学との接続を意識して一連のストーリーにまとめたいものである。
予稿資料（PDFファイル・215KB）はここ。
eVscopeとドローン 越さんの発表
八王子セミナーハウスでの合宿ということで、越さんは話題の天体望遠鏡のeVscope とドローンを持参した。残念ながら夜はベタ曇りだった。越さんの望遠鏡で阿部さんが撮影した星雲・星団の見事な写真は、昨年の合宿例会報告を参照してほしい。
そういうわけで、望遠鏡は室内で設置しただけで、ドローン(DJI mini２)を室内で飛ばしてみた。ドローン搭載のカメラで撮影した映像はコントローラーにとりつけたスマホにリアルタイムで表示される。
戦争と環境問題 越さんの発表
越さんは、生徒から質問された事をきっかけに「戦争と環境問題」について、簡単なレポートにまとめたものを紹介した。以前から、軍用トラックなどは燃費が悪そうだと感じていたが、戦車や戦闘機の燃費についてネットで調べてみると、予想以上に低燃費であることが分かった。例えば、ドイツの戦車レオパルド２は0.45km/L、F15
(約100億円) ミリタリー推力 (通常飛行時時) 満タン時の航続距離 2800㎞/7800L より0.35km/L、という具合だ。その他にも戦争は様々な点で環境に悪影響を与えることが分かった。越さんの発表資料（PDFファイル・1.1MB）はこちら。
写真は以前例会で紹介した、海洋プラスチック問題をテーマとしたドキュメンタリー映画「プラスチックの海」と、絵本「プラスチックモンスターをやっつけよう！」。
物理の小ネタアラカルト 越さんの発表
越さんは、日頃授業で気を付けている小ネタについて、雑談的にまとめた。例えば、ギリシャ文字の書き順、自乗と２乗、等加速度直線運動の３式について、定数と変数をはっきりと区別して教えている．．．など。次々と参加者から、様々な意見が飛び交い、アルコールの効果もあって収拾がつかない混沌とした状態に陥ってしまった。越さんの発表資料（PDFファイル・327KB）はここ。
朝食 食堂「やまゆり」にて
例会会場は24時をもって閉鎖したが、科学談義はその後も続き、深夜に及んだ。明けて7時半からの朝食風景。この後、三々五々自家用車に分乗して解散した。
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