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例会速報 2024/07/21 千葉県立千葉高等学校・Zoomハイブリッド
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授業研究：高校物理基礎「力学」の工夫 峯岸さんの発表
物理基礎では科学史の流れに沿って、「どのように運動をするのか」を明らかにする運動学からはじまり、次に「なぜそのような運動をするのか」を明らかにする動力学を扱うのが一般的である。動力学の根本法則である運動方程式ma=Fのaとはなんなのかをはじめに明らかにする必要があるため、運動学からはじまり、次に動力学を学ぶのは自然ではある。しかし、峯岸さんは、「運動学から動力学」というカリキュラムは因果を求めたがる生徒にとって相当なストレスである、と主張した。
そこで峯岸さんは初回の授業で、
(1)生徒に台車をゴムひもで引かせ、『一定の力を受け続けると、だんだん速くなる』を実感させる。
(2)スマートカートを用いて、演示実験をし、生徒に『一定の力が2倍、3倍になると、「速くなる度合い」=「v-tグラフの傾き」も2倍、3倍になる』を気づかせる。
(3)教師が『「速くなる度合い」=「v-tグラフの傾き」を加速度と定義する。』と言い、加速度を導入する。
(4)教材「台車ツンツン男」(筑波大学附属高校の勝田先生の授業案を参考)を用いて、生徒に『加速度あるところに力あり』『力あるところに加速度あり』『加速度と力は常に仲良し』を実感させる。
という流れで、運動学の前に動力学を導入した。右図のグラフは教材「台車ツンツン男」のa-tグラフ、これはF-tグラフの概形と一致する。その後は、「等速で運動するエアーパック」「自由落下するおもり」「坂道を登って降りる台車」「鉛直に投げ上げられたボール」において、v-tグラフと運動中の物体が受けている力(この段階では合力しか分からないが)を常に聞き続け、生徒に運動学と動力学を同時に学ばせた。
その後は、運動方程式ma=Fを実験で認めたあとに、物体が受けている力から運動の様子を詳細に求めることができる、という単元目標のもと、動力学を学習した。教材は、「体重計の上でしゃがんだ瞬間の体重計の値」「ばねで台車を発射させたときの発射速度」「摩擦力の性質」「空気抵抗を受けている物体の運動」であった。この順番の意図としては、
(1)運動方程式が授業内で成り立つ「公式」ではなく、日常に役立つ「法則」ということを実感させるためにまず身近な道具である体重計を用いた。
(2)運動方程式が一定の力のときだけ成り立つ法則ではなく、瞬間瞬間の力で成り立つ法則であることを実感させるためにばねを用いた。
(3)「摩擦力の性質」は運動の様子から力を求める授業、「空気抵抗を受けている物体の運動」は力から運動の様子を求める授業であり、単元最後の授業で単元目標に到達しているか確認するため。
と峯岸さんは述べている。
体重計の授業(下図左)では、議論前では正答率が低く、議論後でも正答率はあまり変わらなかった。「①大きくなる」の代表的な意見としては、「しゃがみ始めた瞬間、下向きに加速するということは、下向きの力が大きくなるから」「しゃがむということは、下向きに押す力が大きくなりそう」という意見が多かった。「③変わらない」の代表的な意見としては、「体重計の上に乗っている質量は変わらないから」という意見があった。例会参加者からは、「そもそも状況が生徒にうまく伝わっていないのではないか。」「ひざカックンを演示してから、「ひざカックンを一人でやります。したときの体重計の値は？」という聞き方がよい。」といったアドバイスがあった。
授業案「摩擦力の性質」では、(ア)最大摩擦力と動摩擦力の大小関係、(イ)動摩擦力の大きさは一定、を授業目標に掲げた。
ます(イ)を生徒に実感させるための教材として筑波大学附属高校の勝田さんの授業案を参考にした実験が紹介された（下図左)。
(1)「速ければ速いほど摩擦力が大きかったら、遅ければ遅いほど摩擦力が大きかったら、速度によらず摩擦力の大きさは一定だったら、それぞれどのようなv-tグラフか」と発問し、生徒に考えさせる。
(2)スマートカートの後輪を養生テープで固定し、スマートカートの上に合計1.0 kgのおもりを載せて、ビニールシートの上で後輪固定台車を手で押し出す。
(3)v-tグラフを作成し、決着をつける。
生徒はこれまでに、v-tグラフと運動中の物体が受けている力との関係性をとことん考えてきているので、グループワークで考えさせれば、予想はできる。v-tグラフの実験結果を見ると、速度によらず摩擦力の大きさは一定であることは一目瞭然である。
授業目標(ア)を生徒に実感させるための教材は筑波大学附属高校の小沢先生の授業案を参考にしたもの（下図左)。例会参加者からは、「後輪固定台車でうまいことやれば、授業目標(ア)もスマートカートでできるのではないか。」とアドバイスがあり、実際にやってみた(下図右)。確かに、台車が動き始める直前の台車が受ける力(=最大摩擦力の大きさ)と、台車が等速で動いているときの台車が受ける力(=動摩擦力の大きさ)の大小関係ははっきりわかるが、台車を等速に動かし続けるために訓練が必要である。また「等速→合力0→台車が測定している力と摩擦力の大きさは同じ」という論理は初学者にとっては難しいように思える。
千葉高の実験器具紹介 阿部さんの発表
会場校の阿部さんに、実験室を案内していただき、珍しい実験器具を見せてもらった。
千葉高校は創立140年を超える歴史を持つ。その為、古い実験道具が現役で使われており、阿部さんが着任したときブラックボックス化されていない実験ができることに驚いた。実験道具が多い分、日々整備で追われているが、毎回のように生徒たちに実験を見せてあげることができて授業は助かっているとのこと。様々な参考書や画像が出回っているこの現代、分からないことは簡単に調べることができ、なんとなくわかった気になったり、満足してしまいがちだ。些細なことでも実験や経験、そして考察(理論)を通して物理を身につけられる環境が整っている学校だと阿部さんは思っている。一同、同感である。
実験室の後ろに、準備室とは別に格納庫（写真左）がある。今は使わなくなった計算尺の演示器（写真右）。対数の理解には今でも有効だと思う。
マイケルソン干渉計（左）、ペルチエ冷却式霧箱（右）、いずれも普通の学校にはない贅沢品だ。後者は班の数だけそろっている。
クルックスX線管（左）も今では本物が見られる学校は少ないだろう。実際に放電させるのは危険とされるが、教科書にも載っている図の本物を見ることは大切だ。右は島津の光の速度測定装置（発光装置と受光装置）。レーザダイオードの高周波光パルスを、一定の距離に置いた反射鏡で反射させ、フォトダイオードで検出して、光の変調信号の位相差として走行時間を計測する。2現象オシロスコープが必要。
非常に珍しい形のクルックス管。上を陰極にして高電圧を加えると、上にある蝶が回転し、下の花が鮮やかに輝く。参加者のみんなも「初めて見た。」と感動。動画（movファイル：3.1MB）はここ。
摩擦熱お湯沸かし器 阿部さんの発表
阿部さんは、北海道電力の伊良原さんが1998年の科学の祭典で紹介されていたものを原型に、「摩擦熱お湯沸かし器」を作った。銅パイプの上下を板で固定して頑丈にするとともにロープがパイプから外れにくくした。クランプで机などに固定し、銅パイプに
2～3 mLの水を入れて温度計を差し込み、綿のロープ(φ6)を一回りさせておく。ロープの両端を交互に擦ると、水の温度を100 ℃まで上げることができる。男子高校生で３～５分程度で沸騰させることができる。
動画（movファイル：7.7MB）はここ。阿部さん提供の資料（PDFファイル：1.6MB）はここ。
３Ｄプリンターの動向について 植田さんの発表
植田さんは7年前から3Dプリンターを使って物理実験器具を製作してきた。最近では、櫻井さんや上橋さんなど、YPCのメンバーの間でも3Dプリンターの活用が広がっていることが例会でも報告されている。
例会会場で3Dプリンターの所有台数を訪ねたところ、櫻井さんは3台、上橋さんに至っては9台（現状7台）も所有しているとのこと。植田さんは、この詳しい理由について興味を示した。
追加情報として、今年2月に文部科学省の「DXハイスクール事業」が可決されたことが紹介された（下図）。この事業は、全国1000校に各1000万円の補助金を交付し、情報IIの授業のための設備を整えるものだ。具体的には、30万円程度のPCと3Dプリンターやレーザーカッターなどのものづくり設備の購入が想定されている。
植田さんは、この補助金によって学校教育での3Dプリンター活用の機運が高まることを期待している。それに伴い、3Dプリンターを使った物理実験器具の製作の取り組みも注目される可能性がある。しかし、会場の反応から、この補助金の情報が物理教員にはあまり共有されていないことが明らかになった。
今後の展望として、国がデジタル教育と探究学習を推し進める中、物理と情報の分野が連携することで新たな可能性が開けるかもしれない。例えば、SSHの講習会では、理科教材会社が計測用センサーを紹介するなど、探究学習を意識した動きがあるそうだ。植田さんは、物理教員が3Dプリンターを活用することで、物理実験の幅が広がり、より創造的な探究活動が可能になるのではないかと提案した。
最後に、植田さんはこの取り組みをさらに発展させるため、情報の先生方とのコンタクトを求めている。親しい情報教員がいれば、ぜひ連絡をいただきたいと呼びかけ、取材に伺う意向を示した。
植田さんの発表資料はここ。
「燃え・上がる」紙 山本の発表
田中玄伯さんの著書「超能力授業入門」（かもがわ出版）に載っている、燃えながら空中浮遊する紙の実験。1998年当時蓮田中の小森栄治さんから紙を分けていただいて、98年6月例会で紹介した。古い書類を処分するため整理していたところ、当時の紙が発掘されたので26年ぶりに披露した。
薄くて軽い和紙を丸め、スティック糊で軽く貼り合わせて円筒形にする。床面との間に少しすきまを設けて上端に火をつけると・・・・
燃え尽きる寸前に、炎と共に空中に舞い上がる。このとき、「念」を送るような仕草をして、「上がれー！」などと気合いを入れるとマジックになる。右図は燃えながら天井付近まで上昇した灰（中央の黒い物体）。部屋の窓は閉め、エアコンも停めて、無風状態を作るとまっすぐ真上に上がる。
灰はしばらく空中を漂って、ゆっくりと降りてくる。これを手のひらで受け止め、もみ消す仕草をしながら、隠し持った紙幣を広げてみせる。「あら不思議、灰がお札になりました。」観客の目は舞い上がった灰に集中しているので、堂々とタネをとりだしても気がつかれない。
物理的には、円筒状の紙が燃えるときに上昇気流と安定した渦輪が発生し、そのまま天井付近まで灰を持ち上げるわけだ。薄くて軽く、燃えても型崩れしない紙を選ぶ必要がある。書道用の「かな半紙」がよいとのこと。当時ＹＰＣでも代替品の研究が行われ、98年8月例会でティーバッグの紙を使う方法が宮﨑さんによって報告されている。
ジャンピングトーイ 越さんの発表
大船高校例会で竹部さんに譲って頂いた「ピョンピョンうさぎ」（写真左、生徒はウサピョンと呼んでいた)は、待ち時間、初速度、最高点の高さ(60cm程度)が鉛直投射の実験にちょうど良い。ビースピの内側を通過できる大きさで、ビースピを2つ重ねると上側のビースピで速さを測定することができる(写真右)。見かけも可愛らしいので、授業では生徒たちが楽しく実験をしていた。動画（movファイル：2.6MB）はここ。
以前越さんが2009年７月例会で紹介したハーフスーパーボール（右図の右上、裏返って跳ね上がる）はおもちゃとしては面白いが、待ち時間、初速度共にばらつきが大きく、生徒実験には向かない。またダイソーのジャンピングバード(右図中央)は大きいので、ビースピの内側を通過できない。
また、30cmのステンレス定規の端にゼムクリップをセロテープで貼り付け、直径1cmの鉄球をクリップの位置に親指で押さえつける。そして静かに親指を離すと、ほぼ真下に落ち、自由落下の実験ができる(写真下)。落下距離(定規の0目盛からビースピの中心まで0.27m)と速さから重力加速度を求めると9.3から9.6m/s2の値が得られた。動画（movファイル：1.4MB）はここ。
自己紹介カード 阿部さんの発表
昨年4月にクラスの自己紹介で何かレクをしたいと考えテーブルゲームを探していた阿部さんは、「ドブル」と「ガムトーク」に行き着いた。ドブル（左図）は8つの絵が描かれたカードで、どの2枚のカードにも共通する絵がただ１つだけ描かれている。「間違い探し」の要領で「同じもの探し」をして遊ぶことができる。ガムトーク（右図）は表に6つのトークテーマが、裏には1から6の数字が書かれたカードが入っており、サイコロトークのようなことができるゲームである。
ドブルは「カークマンの女学生問題」という有名な数学パズルの考え方をもとにして作られている（左図）。阿部さんは、この２つを組み合わせたら面白いのではと考え、1クラス45人で使うことや、高校生の難易度も考慮して、ドブルの原理を用いて12個のトークテーマが書かれた133枚のカードを作った。133枚のカードのどの2枚のカードをとっても共通するトークテーマがただ1つだけある（右図）。生徒達はお互いのカードから同じトークテーマを探し、見つけられた人がテーマについて簡単に話をし、聞き手は最後に「いい話や」で終わらせる。
結果は上々。高校三年生対象にやってみて、なかなか盛り上がった。原理の説明もしたので数学的な部分に刺激を受ける生徒もいた。阿部さんはこの自作のカードのPDFファイルを公開している。ダウンロードは下のQRコードまたは→ここ。
出生率の記事から 鈴木さんの発表
2024年6月6日に、日本の出生率が1.20になったという報道があった。そこに第2次大戦後の日本の出生率と出生数のグラフが掲載された。現在の日本の出生率・出生数の減少は、憂うべき大変な事態だが、そのグラフで1960年代に1年だけ激減している年がある。改めて言うまでもないが、「丙午（ひのえうま）」の年である。鈴木さん自身、教員採用の時に、この「丙午」の影響を直接受けた。丙午世代が高校に進学する年、新採用で高校に就職するはずだったが、3年間中学で教えることになった。1966年生まれは、その前後の年より明らかに出生率が低下し、社会に大きな影響が出た。その60年前（1906年/明治39年）のときは明治政府が「迷信を信じるな」キャンペーンを張ったが、昭和のこの年の政府は無策だった。次は、2026年。実際には、2025〜26年初めに産む産まないの選択をすることになる。
果たして、丙午迷信が現代に生きているのか、非合理を批判する我々はどうすればよいのか。丙午迷信は非合理・非科学的だから惑わされるな、というキャンペーンを張るべきか、それは寝た子を起こすことになるので、何も行動を起こさずに静観すべきか。鈴木さんは以上のことを問題提起した。「日本は同調圧力が高く、本人（産む夫婦）やその親がこの迷信を信じていなくても、周りから何を言われるかわからないから、と産むことを敬遠することがあり得る。仏滅の日に結婚式をしないなどの風習はいまだにはびこっている。その点を懸念している」という意見もあった。
エクセルで段違い表示 喜多さんの発表
以前の例会で、記録テープの分析に際し、使われるt – x -Δx – v – Δv – a の表について、エクセルでは段違いにできないという話があった。それがずっと喜多さんの頭の片隅に残っていて、ふと「2つのセルを結合すれば、それができるのではないか」と思い、作成したのがこれである。
左図は、Ｅ列にΔxを入力すれば、x – v – Δv – a が計算できる数式を明示している。右図はそのΔxの値を6つ入力した様子である。Ｃ,Ｄ,Ｆ,Ｇ,Ｈ
列に入っている数式は、その列の⼀番上に⼊れた数式をフィルハンドル■をドラッグすれば、オートフィルが機能して下のセルに数式が入力される。
高１で情報の授業を学んでいるので、物理の実験データの処理に使用してもいいのではないか。どこまで提示して（数式を与えて）使うかは、生徒の履修状況や授業の進捗状況による。喜多さんの配付資料（PDFファイル：209KB）はここ。
喜多さんは８月末まで当該エクセルファイルをドロップボックスに公開している。ダウンロードはここ。関心のある方はどうぞ。
物理の本の紹介 車田さんの紹介
車田さんは、勤務校の図書館で借りて読んだところ面白かった新刊書を２冊紹介した。
●小山佳一「クレーンゲームで学ぶ物理学」集英社インターナショナル、￥880
著者は、鹿児島大学理学部教授。クレーンゲーム歴30年、高校生にクレーンゲームを題材に模擬授業を行うというプロ。クレーンゲーム機は何種類もあるが、２本アームや３本アームを入手し、機構やばねの自然長の長さや伸びの長さ、アームの動きなど、クレーンゲーム機の登場した年ごとに、どこが改良されどのように攻略していくか、詳しく書いてある。また、新型の機種では商品を引きずり落とすとき、簡単に取れないように摩擦の大きいラバーシートを貼り付けてきたなど、メーカーと利用者の攻防も書かれている。さらに、金属製の３本アームの解体説明では、アームの開閉に電磁石が利用されていることが細かく書いてある。最後に、クレーンゲームの技について、クレーンゲーム機の規則性と周期性についても記事がある。クレーンゲームの虎の巻というべき書籍。YouTubeでも「クレーンゲーム、小山佳一」で検索すると詳細な情報がある。
●橋本幸士「物理学者のすごい日常」集英社インターナショナル、￥890
物理学者で、映画『シン・ウルトラマン』などの物理学監修、『オッペンハイマー』の字幕監修を手がけた著者は、日常生活すべてを物理学的思考法で考える。最初に本書を読むにあたっての「取り扱い説明」の記事があり、YPCメンバーがニヤリとする内容だ。ぜひ一読を。車田さん個人は、「貧乏ゆすりの物理学」のなかでどのように揺れを抑えるかの説明に魅かれた。同著者が先に出版した「物理学者のすごい思考法」も合わせて読むとよい。
本の紹介「実験観察教材教具」 阿部さんの紹介
以前阿部さんが授業研究をしたときにネタ本にした、大塚明郎監修「実験観察教材教具」東京書籍（1978年／昭和53年）。文部省特定研究科学教育の実験・観察に関する集大成本であり、今では故人となられた方々も含め、蒼々たるメンバーが執筆に当たっている。今では絶版となっているこの本を、阿部さんは危うく廃棄処分されそうになったところを救い出した。結構マニアックな実験も載っている。
かながわ地域クラブ活動指導者DB 山本の情報提供
教員の「働き方改革」に取り組む神奈川県は、中学校のクラブ活動などを地域へ移管する準備を進めている。その一環として、部活動を指導できるスキルを持つ人材を、任意の登録によりデータベース化する事業を今年度から始めた。現時点で登録者の大半はスポーツ系であり、わずかの文化系（現在15人）の登録者もほとんどが音楽系で、科学・理科・技術などの分野は数名しかいない。ＹＰＣのリタイア組はぜひ応募しよう。
かながわ地域クラブ指導者データベースの募集ページはここ。パンフレットはこちら。他県でも同様な取り組みがあると思われる。
二次会 千葉駅前「海鮮炉端・まな板の上のサカナ」にて
11名が参加してカンパーイ！例会本体には対面で20名、遠隔で9名の参加があった。猛暑の中、初めての千葉開催だったが盛会だった。千葉東京方面からのアクセスがよいので、いつもと違う顔ぶれも集まり、新鮮だった。こういう暑い日はやっぱりビールだね。お疲れさま！
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